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IGOR GAUDENCIO LUCAS CRUZ RAIMUNDO FRANCO UNIVERSIDADE FEDERAL DO PIAUÍ CENTRO DE TECNOLOGIA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DISC.: PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS PROF.: Msc. NELBER XIMENES MELO PROTEÇÃO DE BARRAMENTOS E CAPACITORES Proteção de Barramentos Introdução • Barramentos de subestações são conectados aos circuitos alimentadores, assim como, aos transformadores de potência. • Falhas em barramentos não ultrapassam 10% das faltas no SEP. • Defeitos: Rompimento da isolação devido a danos elétricos Cabos de aterramento após serviço de manutenção Objetos estranhos na SE e ferramentas sobre as barras Corrosão por maresia, poeira atmosférica, resíduos industrias, etc Falha ou inexistência de SPDA Presença de animais no barramento Proteções típicas • Desbalanço de corrente de sequencia negativaFunção 46 • Proteção instantânea de faseFunção 50 • Proteção instantânea de neutroFunção 50N • Proteção contra falha de disjuntorFunção 50BF • Proteção temporizada de faseFunção 51 • Proteção temporizada de neutroFunção 51N • Proteção temporizada de sequencia negativaFunção 51Q • Proteção de terraFunção 64 • Proteção instantânea de sequencia negativaFunção 50Q • Bloqueio de segurançaFunção 86 • Proteção direcional de terraFunção 67G • Proteção diferencial de barramentoFunção 87B Introdução • O barramento é protegido primeiramente por relés de sobrecorrente e distância (4ª zona) de alimentadores, porém é uma proteção lenta. • A proteção de barra é necessária quando O sistema de proteção não cobre as barras Almeja-se estabilidade do sistema (proteção rápida) Barra com seccionamento Introdução • Arranjos de barramento Barramento simples Barramento duplo Barramento simples seccionado Barramento duplo 1 disjuntor e 4 chaves Barramento duplo a 2 disjuntores Barramento duplo disjuntor e meio Barramento em anel Introdução • Barramento simples Aplicado a SE’s de menor porte Baixo custo Defeitos e manutenção de equipamentos implicam em desligamento da SE. Fonte: Gebran,2014 Introdução • Barramento duplo Maior flexibilidade e Disponibilidade • Barra duplo 1 Disj/4 CH Manutenção no disjuntor sem interrupção Uma barra pode ser transferida para a outra. Fonte: Gebran,2014 Introdução • Barramento simples seccionado • Vantagens • Continuidade • Perda de uma barra afeta somente as cargas a ela conectadas • Baixo custo Fonte: Mamede,2011 Introdução • Barramento duplo a 2 disjuntores • Vantagens • Manutenção nos disjuntores sem interrupção • Continuidade elevada • Sem Perda do barramento, pois pode ser transferido • Alto custo Fonte: Mamede,2011 Introdução • Barramento em anel • Continuidade elevada • Um defeito numa seção da barra fica interrompido o serviço correspondente em nada afetando as demais seções. • Aplicado em indústrias. Fonte: Gebran,2014 Proteção Howard • Um defeito fase-carcaça faz atuar o disjuntor do barramento • Um TC montado no condutor de aterramento ligado a um relé 64 e 67G. Fonte: Jardini,2011 Proteção diferencial de barramento • Princípio de Funcionamento • A soma das correntes que entram no barramento deve ser igual à soma das correntes que saem através dos alimentadores. • Se houver corrente de fuga o equilíbrio deixa de existir e atua a função 87B. Proteção diferencial de barramento Considerações Os TCs devem ser exclusivos para proteção de barramento O tempo de operação é inferior a 15ms A zona de proteção é dada pela posição dos TCs Do TC ao relé digital a seção mínima deve ser 10mm² Proteção diferencial de barramento Fonte: Mamede,2011 Proteção diferencial de barramento • Para um defeito fora da zona de proteção a corrente que entra pelo TC sai da barra passando pelo TC do lado da carga, a circulação de corrente diferencial na unidade de restrição faz anular a atuação do relé. Fonte: Mamede,2011 Proteção diferencial de barramento • Proteção diferencial de alta impedância • Subestações com grandes dimensões e condutores do secundário do TC longos • No caso de falta externa o TC pode saturar devido a essas impedâncias. • Havendo saturação a soma das correntes que entram é diferente das que saem provocando a atuação do relé. Proteção diferencial de barramento Fonte: Mamede,2011 Proteção diferencial de barramento • Ajuste da unidade de tensão do relé diferencial 𝑉𝑟 = 𝐾1 ∗ 𝑅𝑠 + 𝐾2 ∗ 𝑅𝑙 ∗ 𝐼𝑐𝑐 𝑅𝑇𝐶 • Rs: resistência do enrolamento secundário do TC • Resistencia do condutor (do relé ao TC) • Ajuste da corrente no relé diferencial 𝐼𝑚𝑖𝑛 = ⅀𝐼𝑒 + 𝐼𝑟 + 𝐼𝑣 ∗ 𝑅𝑇𝐶 Proteção diferencial de barramento P R O B LE M A S A saturação dos TCs constitui a principal causa de falha da proteção diferencial de barramento No caso de uma falta externa à zona de proteção, as correntes circulantes propiciam níveis diferentes de saturação do TC resultando em erros elevados Os relés não devem operar a proteção 87B no caso de defeitos externos, nesse caso os relés operam no modo de alta segurança Proteção diferencial de barramento • Zona morta Fonte: Jardini,2011 A falta apresentada fará atuar a proteção de barra com o consequente desligamento dos disjuntores Proteção diferencial de barramento • Proteção numérica de barra (IED) Proteção de sobrecorrente de retaguarda Falha do disjuntor Proteção da zona morta • Além de calcular a soma das correntes medidas, o algoritmo também pode avaliar diferenças entre amostras sucessivas de corrente • Reconfigurar a proteção, em virtude de mudanças no arranjo da subestação. Proteção diferencial de barramento Fonte: Jardini,2011 Proteção de Capacitores Capacitores Equipamentos que injetam potência reativa capacitiva nos sistemas elétricos onde são instalados Normalmente são reunidos em Bancos Banco de Capacitores Fixos Conectado permanentemente ao sistema elétrico Banco de Capacitores Manobráveis Conectado ao sistema elétrico por meio de chaves interruptoras comandadas por um sistema de controle previamente ajustado para as condições que se fizerem necessárias Na maioria dos casos as células capacitivas não ultrapassam a tensão de 25kV e 500kVAr Capacitores em Sistemas de Distribuição de Baixa Tensão Instalados no interior das subestações ou próximos a estas, conectados ao QGF Podem ser instalados nos Centros de Distribuição em instalações Comerciais, Hospitalares etc Em instalações industriais podem ser instalados nos Centros de Controle de Motores Fonte: http://www.tecnoluz.com.br/ Capacitores em Sistemas de Distribuição de Baixa Tensão Podem ser instalados tanto no interior das subestações quanto ao longo dos alimentadores urbanos e rurais Instalação no barramento de MT das Subestações Instalação ao longo das redes de distribuição Capacitores em Sistemas de Distribuição de Média Tensão Quais as vantagens de cada tipo de instalação? Qual deve ser a mais utilizada, porque? Capacitores em Sistemas de Distribuição de Média Tensão • Centralização do controle da potencia reativa necessária a avaliação dos níveis de tensão • Redução do investimento inicial e custos operacionais Instalação no barramento de MT das Subestações • Regulação da tensão e redução das perdas elétricas nos alimentadores • Bancos de Capacitores vs Reguladores de Tensão • Restrições práticas: Alteração na configuração dos alimentadores; Manobras dos bancos de capacitores; Queima da proteção fusível ou de umaou mais células do banco Instalação ao longo das redes de Distribuição Capacitores em Sistemas de Distribuição de Média Tensão Capacitores em Sistemas de Distribuição de Média Tensão Fonte: Mamede • Geralmente são parte integrante dos compensadores estáticos • Operam em coordenação com bancos de reatores Capacitores em Sistemas de Potencia de Alta Tensão Fonte: Mamede Pontos de interesse que a proteção deve considerar Curto-circuito nos barramentos do banco de capacitores Surtos de tensão, resultantes de descargas atmosféricas que trafegam pelas linhas de transmissão/distribuição Correntes transitórias devido a energização ou manobra dos bancos de capacitores Sobrecorrentes resultantes de defeitos internos Sobretensão de desbalanço quando da exclusão de uma ou mais dessas células capacitivas Banco de capacitores conectados a uma subestação de potência •Proteção contra subtensãoFunção 27 •Desbalanço de corrente de sequencia negativaFunção 46 •Proteção instantânea de faseFunção 50 •Proteção instantânea de neutroFunção 50N •Proteção contra falha de disjuntorFunção 50BF •Proteção temporizada de faseFunção 51 •Proteção temporizada de neutroFunção 51N •Proteção contra sobretensãoFunção 59 •Proteção de balanço de tensãoFunção 60 •Proteção de balanço de correnteFunção 61 •Bloqueio de segurançaFunção 86 Proteções típicas Para-raios a resistor não linear O dimensionamento dos para-raios contra surtos de tensão é feito em função do nível de sobretensão Devem ser utilizados em qualquer configuração do banco de capacitores Gaps e descarregadores de chifre Prevista para Descargas atmosféricas que geram ondas de impulso ao longo das linhas de transmissão e de distribuição e que se deslocam até as subestações consumidoras Proteção contra sobretensões por descargas atmosféricas - A eq. 10.1 determina a potencia mínima para que o banco esteja autoprotegido contra surtos de tensão transitória A configuração estrela aterrada praticamente assegura a autoproteção do banco de capacitores Proteção contra sobretensões por descargas atmosféricas Proteção contra sobretensões por descargas atmosféricas • Devem ser protegidos por para-raios cuja tensão máxima de descarga seja multiplicada por 1,44 Bancos de capacitores em estrela aterrada não autoprotegidos • Tensão máxima de descarga do para-raios deve ser multiplicada por 1,44 • Não deve ultrapassar 1,5 vez a tensão suportável de impulso das células capacitivas vezes o número de grupos serie Bancos de capacitores em estrela não aterrada • Necessidade do para-raios por conta dos transitórios que se estabelecem entre a parte ativa e a carcaça das células capacitivas Bancos de capacitores isolados da terra Proteção contra sobretensões por descargas atmosféricas Lo ca liz aç ão d o p ar a- ra io s Bancos de capacitores dotados de disjuntores ou interruptores Devem ser conectados antes do dispositivo de interrupção, no sentido barramento-banco Também podem ser conectados entre o disjuntor ou interruptor e o banco de capacitores Bancos de potencia elevada Devem-se localizar próximos aos terminais de alimentação dos disjuntor de proteção do banco É importante lembrar que mesmo em sistemas autoprotegidos, é conveniente aplicar para-raios conforme orientações apresentadas • A proteção geral do banco de capacitores pode ser obtida por meio de relés digitais Proteção contra sub e sobretensões de origem interna Função 27 Ajuste do nível de subtensão •90% da Tensão Nominal Ajuste do tempo de resposta •2s Função 59 Ajuste do nível de sobretensão •110% da tensão nominal Ajuste do tempo de resposta •3s • Proteção contra sobrecorrente Protege os capacitores contra defeitos fase e terra no trecho do sistema compreendido entre o banco de capacitores e o disjuntor. • Grandes bancos de capacitores: Utiliza-se relés digitais redundantes • Baixa tensão Proteção por fusíveis NH ou diazed. Também são utilizados disjuntores termomagnéticos. • Média tensão Proteção por elos fusíveis, fusíveis HH ou por relés digitais alimentados por transformadores de corrente atuando sobre disjuntores. Proteção para bancos de capacitores Bancos de capacitores em BT Formados por células capacitivas trifásicas Ligadas diretamente ao barramento do QBC através de disjuntores ou chaves com fusíveis A proteção deve ser feita por fusíveis NH ou diazed de atuação lenta Recomendação: Cada capacitor componente de um banco deve ser protegido individualmente contra curto-circuito interno a fim de se evitar a ruptura de sua caixa metálica Proteção de capacitores de Baixa Tensão QBC Fonte: Mamede Proteção de capacitores de Baixa Tensão • Os capacitores e bancos de capacitores podem ser protegidos por fusíveis ou relés digitais. • Proteção de capacitores através de fusíveis Na proteção de células capacitivas de média tensão (>2,2kV) são utilizados elo fusíveis do tipo expulsão – acelera a atuação do fusível na presença de correntes de defeito. São empregados desde que a corrente de curto-circuito seja menor que 8500 A para capacitores com tensão nominal até 8 kV e menor que 6000 A até 13,8 kV. Proteção de capacitores de Média e Alta Tensões • Objetivo (fusíveis): Manter a integridade caixa da célula capacitiva defeituosa -Banco de capacitores poderão operar satisfatoriamente. • Consequência da corrente de curto-circuito para as outras células capacitivas? Proteção de células capacitivas • Os fabricantes de células capacitivas concebem as proteções de três diferentes formas: 1. Capacitores de potência com proteção externa individual por fusível Vantagens: • Identifica visualmente a presença de uma célula capacitiva defeituosa no meio de uma grande quantidade de capacitores por meio da observação do elo fusível tipo expulsão. • Facilidade de desconectar da rede a celula capacitiva defeituosa. • Mantém em operação satisfatória o banco de capacitores se qualquer célula falhar. Proteção de células capacitivas Células capacitivas Banco de Capacitores - MT Fonte: Mamede Proteção de células capacitivas 2. Capacitores de potência com proteção interna individual por fusível Esse tipo de fabricação permite montar bancos de capacitores mais compactos e com menor quantidade de pontos energizados – reduz o contato com pequenos animais que acessam partes vivas de uma instalação. Fusíveis no interior das células tem características limitadoras de corrente e isolam cada unidade capacitiva interna – não precisa retirar de operação o banco de capacitores para substituição da célula. Proteção de células capacitivas Célula capacitiva com proteção interna individual por fusível Fonte: Mamede Proteção de células capacitivas 3. Capacitores de potência sem proteção individual Esses capacitores não contêm proteção por fusíveis instalados nem interna nem externamente. Só é possível através da alta qualidade dos materiais desenvolvidos para a sua construção. Apresenta muitas unidades capacitivas em série e poucas em paralelo – se houver dano em qualquer uma das unidades capacitivas, surgirá uma pequena sobretensão nas unidades capacitivas em série remanescentes, cujo valor é distribuído por todas elas. Proteção de células capacitivas Célula capacitiva sem proteção individual Fonte: Mamede Proteção de células capacitivas • Um defeito no sistema que o banco de capacitores está armazenado faz com que toda a energia armazenada em cada célula capacitivase descarregue no ponto em curto-circuito, fazendo com que a corrente resultante (contribuição dos capacitores mais a do sistema) percorra toda a rede desde o ponto de instalação do banco até o ponto de falta. • Corrente de contribuição dos capacitores: Ic = 0,816 x Vf x 𝐶/𝐿, em kA Vf: Tensão entre fases do sistema em kV; C: Capacitância do banco acrescida à do sistema. L: Indutância entre o ponto de instalação dos capacitores e o ponto de falta. Proteção de banco de capacitores • Os relés de sobrecorrente são ligados a transformadores de corrente e atuam sobre disjuntores que manobram todo o banco de capacitores. • Fornece as seguintes funções de proteção: Proteção contra sobretensões que podem ocasionar rompimento da caixa metálica das células. Proteção contra sobrecorrentes devido a falhas entre fases e entre fases e terra no ponto entre o disjuntor e o banco de capacitores. Proteção de falha de disjuntor. Indica e dá o alarme se estiver ocorrendo algum defeito no barramento do banco de capacitores. Proteção de capacitores através de relés digitais • Em geral, as falhas que ocorrem no barramento do banco de capacitores têm origem no movimento de pequenos animais (inclusive pássaros) sobre partes vivas do sistema. • Para essa condição, utiliza-se o relé de sobrecorrente o relé de sobrecorrente temporizados. • Os relés de sobrecorrente temporizados devem ser ajustados para valores iguais ou superiores a 1,35 vez a corrente norminal do banco de capacitores: I ≥ 1,35 x Inc ; Inc = corrente nominal do capacitor. Proteção de capacitores através de relés digitais • Quando um banco é energizado são geradas correntes transitórias elevadas de alta frequência – Corrente de Inrush Seus valores dependem de condições como Resistencia, indutância e capacitância do sistema, além de eventuais resistências ou reatâncias inseridas nos disjuntores de operação do banco de capacitores com a finalidade de reduzir o valor da corrente de energização durante a operação de fechamento desse banco • Para a determinação da corrente de energização de um banco de capacitores duas condições distintas devem ser consideradas Energizar um banco de capacitores sem nenhum outro banco estar em operação na subestação Energizar o banco quando um segundo banco já está em operação na barra da subestação Proteção contra correntes transitórias de energização • Cuidados a serem adotados afim de que sejam evitadas perturbações no sistema elétrico: • Banco de capacitores também deve ser conectado em estrela com ponto neutro aterrado Trafo conectado em estrela aterrada • Banco de capacitores deve ser conectado em estrela isolada • Alternativamente pode ser conectado em triangulo Trafo conectado em triângulo • Banco de capacitores deve ser conectado em triângulo. • Alternativamente pode ser conectado em estrela isolada Trafo conectado em estrela isolada Ligação de banco de capacitores no lado de baixa do Trafo • Redistribuição de tensão entre as células sãs • Queima sequenciada Defeito de uma ou mais celulas • Estrela aterrada -> Corrente no Neutro • Estrela Isolada -> Componentes harmônicas fazem surgir Tensão de Neutro Erros inerentes aos processos construtivos Desequilíbrio de capacitância Exemplo de Aplicação Dado um banco de capacitores de 3600 kVAr, instalado em 13.8 kV, em um local em que o nível de curto-circuito é de 8519A. A característica do banco é apresentada a seguir. Pede-se para ajustar as proteções do banco. Conexão: dupla estrela não aterrada kVAr de 1 unidade = 200 Número de grupos série por fase (S) = 1 Número de unidades em paralelo por grupo (P) = 3 kVn 1 unidade = 7,967 TC de fase = 400-5 A TC do neutro da dupla estrela = 15-5 A Dados: Arranjo Dupla Estrela • Média e Alta Tensão • Capacitores de Menor Isolação • Estrela Isolada e Interligada • Relé instalado na interligação Dupla estrela Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação Exemplo de Aplicação Referências bibliográficas • RUSH, P. “Proteção e Automação de redes”, São Paulo,2011. • MAMEDE FILHO, J. “Proteção de sistemas elétricos de Potência”, 2011. • MARDEGAN, Claudio.“Capítulo XIII - Proteção de Bancos de Capacitores Shunt”. Revista O Setor Elétrico, 2011. • GEBRAN, A. P. “Manutenção e operação de equipamentos de subestações, 2014. Obrigados! Contatos: igor_gaudencio@hotmail.com lucascruzsousa@hotmail.com raimundofranco.7@gmail.com
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