PROTEÇÃO - UNIDADE 3

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PROTEÇÃO E ESTABILIDADE DE SISTEMAS ELÉTRICOS RELÉS DE PROTEÇÃO Autor(a): Dr. Nivaldo Carleto Revisor: Juliana Guedes Arvelos Barbosa Tempo de leitura do conteúdo estimado em 1 hora e 30 minutos.Introdução Olá, estudante! Você sabia que uma das áreas da engenharia elétrica responsável por resguardar sistema de energia é denominada Proteção de Sistemas Elétricos de Potência? Isso mesmo! A sua finalidade é garantir efetivo fornecimento de energia, estabelecendo, de forma coordenada e seletiva, a proteção elétrica contra as possíveis faltas que possam ocorrer no sistema elétrico. Devido à sua importância, torna-se necessário conhecer, compreender e identificar os dispositivos básicos que contemplam a proteção dos sistemas de energia. Diante do exposto, conheceremos, nesta unidade de ensino, os relés de proteção, sobretudo, os relés dos tipos mecânico, estático e digital. Além disso, estudaremos os tipos de proteção de um relé digital, os conceitos de proteção primária e de retaguarda, bem como a importância de se conhecer a zona de proteção de um relé. Por fim, podemos dizer que escopo de nossos estudos é entender a filosofia e a relevância dos sistemas de proteção. Está preparado para mais esta fascinante jornada de conhecimento? Então, vamos aos estudos!Relés de proteção tipos: mecânicos, estáticos e digitais Caro estudante! Você sabe que é um relé de proteção utilizado em sistemas de potência? Já ouviu falar sobre este dispositivo? Caso a sua resposta seja não, fique tranquilo! Estamos aqui para juntos estudarmos este dispositivo! Vamos lá?Relés de proteção Diante dos estudos já realizados, sabemos que os SEP estão sujeitos a faltas, as quais resultam em interrupções no fornecimento de energia aos consumidores finais. Essas faltas, como os curtos- circuitos, geram picos de corrente de grande intensidade, resultando, com isso, em danos materiais (que também podem envolver pessoas) ao SEP e às instalações elétricas consumidoras (residências, indústrias e lojas comerciais, por exemplo). Vale lembrar que sobrecarga no sistema, manobras de circuitos e descargas atmosféricas são anomalias que também podem causar danos irreparáveis nos sistemas elétricos (MAMEDE FILHO, 2020). De forma geral, a função de um sistema de proteção, na ocorrência de uma falta, é desconectar equipamento ou circuito afetado de todo SEP. Além disso, é importante que sistema de proteção forneça informações aos responsáveis pelo seu controle e operação, facilitando, nessas condições, a identificação da ocorrência do evento (FRAZÃO, 2019; MAMEDE FILHO, 2020). relé de proteção tem a função de detectar anormalidades que ocorrem em uma zona preestabelecida de um SEP e, consequentemente, isolar a parte afetada pelo comando da abertura do disjuntor (desconectar circuito afetado do restante do SEP) ou mesmo pela atuação do religador (para restabelecer a integridade do fornecimento de energia elétrica). Geralmente, os relés atuam logo após a ocorrência do evento (descarga atmosférica ou curto-circuito, por exemplo), que torna tempo de resposta um fator relevante no momento de sua escolha. Ou seja, devido à rapidez de atuação, relé de proteção permite que os equipamentos envolvidos no evento sejamisolados, evitando, com isso, possíveis danos materiais e/ou acidentes fatais (SATO; FREITAS, 2015). Os principais critérios adotados na detecção de um defeito em um SEP estão relacionados aos seguintes fatores: aumento da intensidade de corrente elétrica, oscilações na tensão elétrica, alterações na impedância do sistema e modificações entre os módulos e ângulos de fase (tensão, corrente, potência e impedância) (FRAZÃO, 2019; MAMEDE FILHO, 2020). Diante disso, é importante conhecer algumas definições/grandezas elétricas utilizadas na operação de um sistema de proteção. Para isso, vamos interagir com infográfico a seguir (MAMEDE FILHO, 2020): Elementos básicos de proteção Fusíveis DisjuntoresRelés de proteção Chaves seccionadoras Fonte: VG Stock. #PraCegoVer: infográfico apresenta título "Elementos básicos de proteção". Abaixo dele, há quatro botões clicáveis horizontais, um sobre outro. primeiro, de cima para baixo, apresenta subtítulo "Fusíveis", e, ao ser clicado, texto é "São dispositivos de proteção que se fundem quando a corrente elétrica que passa por eles excede seu limite nominal. Os fusíveis são usados em redes de distribuição de baixa tensão e protegem os transformadores, linhas de distribuição, e outros equipamentos segundo apresenta subtítulo "Disjuntores", e, ao ser clicado, texto é "São dispositivos de proteção que desligam automaticamente um circuito elétrico quando a corrente elétrica excede seu limite nominal. Os disjuntores são mais utilizados em redes de distribuição de média e alta tensão e protegem subestações, linhas de transmissão, e outros equipamentos elétricos.". terceiro apresenta o subtítulo "Relés de proteção", e, ao ser clicado, texto é "São dispositivos que monitoram comportamento do sistema elétrico e atuam para protegê-lo em caso de falhas ou eventos anormais. Os relés de proteção são usadosem todos os níveis de tensão do sistema elétrico de distribuição e protegem transformadores, linhas de distribuição, subestações, entre outros equipamentos.". quarto e último apresenta subtítulo "Chaves seccionadoras", e, ao ser clicado, texto é "São dispositivos de manobra que permitem a abertura e o fechamento de circuitos elétricos. As chaves seccionadoras são usadas para isolar circuitos elétricos para fins de manutenção ou reparação, e também para desligar partes específicas do sistema elétrico em caso de emergência.". Na próxima subseção, iremos conhecer um pouco sobre esquema básico de operação de um relé de proteção! Vamos juntos conferir? Esquema básico de operação de um relé de proteção Prezado(a) estudante, a Figura 3.1 apresenta esquema básico de funcionamento de um relé de proteção. Observe!Fonte de tensão auxiliar Sistema Relé Unidade de Unidade de Sinal Unidade de Unidade de Unidade de acionamento entrada conversão medida saída do circuito © VG Educacional Figura 3.1: Esquema básico de operação de um relé de proteção Fonte: Mamede Filho (2020, p. 02).#PraCegoVer: a figura apresenta esquema básico de operação de um relé de proteção. Da esquerda para a direita, temos uma linha sólida cinza representando sistema de energia, onde também é representada, por meio de um retângulo, a unidade de entrada. Esta, por sua vez, emite um sinal, qual é representado por uma seta da esquerda para a direita, para a unidade de conversão, também representada por um retângulo. Esta, por sua vez, emite um sinal, qual é representado por uma seta da esquerda para a direita, para a unidade de medida, também representada por um retângulo. Em seguida, a unidade de medida emite um sinal (seta da esquerda para a direita) para a unidade de saída, representada por um retângulo. Por fim, a unidade de saída emite um sinal para a unidade de acionamento do circuito, localizado na parte externa da estrutura do relé de proteção. Tanto a unidade de medida quanto as unidades de saída e de acionamento do circuito (as quais fazem parte da estrutura do relé) recebem sinais de uma fonte de tensão auxiliar, também localizada na parte externa do relé. Conforme observamos na Figura 3.1, é possível notar alguns componentes importantes que pertencem ao funcionamento de um relé de proteção. A seguir, apresenta-se uma breve descrição de cada componente (GLOVER; SARMA; OVERBYE, 2012; MAMEDE FILHO, 2020). Confira! Unidade de entrada: corresponde aos equipamentos (tais como os TPs e os TPCs) que recebem as informações/sinais das faltas do sistema elétrico e enviam para a unidade de conversão do relé de proteção. As unidades de entrada devem ter uma isolação elétrica necessária entre sistema (SEP) e os dispositivos de proteção, evitando, desta forma, quetensões e correntes elevadas sejam direcionadas tanto para relé quanto para os próprios transformadores de potencial e de corrente. Unidade de conversão de sinal: é elemento interno aos relés que recebe os sinais dos TPs e dos TCs e os transforma em sinais compatíveis ao nível operacional dos relés. Unidade de medida: a unidade de medida compara os sinais recebidos da unidade de conversão (frequência, módulos da tensão e da corrente elétrica, por exemplo) com os valores previamente armazenados como referência. Porém, caso os sinais de entrada apresentem valores superiores aos valores armazenados previamente, a unidade de medida envia um sinal à unidade de saída. Fonte de tensão auxiliar: a fonte de tensão auxiliar fornece energia para as unidades de medida e de saída (internas ao relé), bem como à unidade de acionamento do circuito. Unidade de saída: pode ser constituída por uma pequena bobina, a qual aciona um contato auxiliar, ou por uma chave semicondutora. Unidade de acionamento do circuito: esta unidade é constituída por uma bobina montada no corpo do elemento de desconexão do sistema, que pode ser um disjuntor ou um interruptor.Olá, prezado estudante! Está gostando dos assuntos referentes aos relés de proteção? Espero que sim! Na próxima subseção, iremos entender como é a estrutura básica de um típico esquema de proteção! Então, vamos aos estudos? Estrutura básica de um esquema de proteção Após conhecermos esquema básico de operação de um relé, bem como alguns de seus principais componentes, é momento de apresentar uma visão geral de uma estrutura de proteção, a qual pode ser observada na Figura 3.2 (GLOVER; SARMA; OVERBYE, 2012; MAMEDE FILHO, 2020).Barra de carga TP D A TC F S Carga © ©VG Educacional Figura 3.2: Estrutura básica de um esquema de proteção. Fonte: Mamede Filho (2020, p. 03).#PraCegoVer: a figura apresenta a estrutura básica de um esquema de proteção. Na parte superior da figura, existe uma linha sólida cinza horizontal representando barramento de carga. Conectado a este barramento, estão disjuntor dê maiúsculo e transformador de potencial tê pê maiúsculos. Na sequência de conexão do disjuntor, encontra-se conectado um transformador de corrente tê cê maiúsculos, sendo que esta conexão é representada por um linha sólida vertical (de cima para baixo do barramento de carga) com uma seta em sua extremidade inferior em direção a carga. disjuntor é conectado no elemento cê maiúsculo que modula sinal do seu disparo. elemento a maiúsculo, que recebe os sinais do transformador de corrente e do transformador de potencial, está conectado por meio de linhas sólidas e tracejadas aos elementos bê, efe e k maiúsculos. elemento bê maiúsculo, por sua vez, está conectado aos elementos cê, ésse e efe maiúsculos por meio de linhas sólidas. elemento k maiúsculo recebe sinais (representados por linhas tracejadas) de outras partes do SEP e os envia para elementos a maiúsculo, qual está recebendo os sinais dos transformadores de corrente e de tensão, e para elemento bê maiúsculo, responsável por receber as informações, comprar os valores e, dependendo do resultado, habilitar a atuação do disjuntor no sistema de proteção. Com base na Figura 3.2, vamos identificar cada componente e/ou elemento de circuito, bem como descrever, brevemente, a sua função no esquema de proteção (CARLETO, 2017; MAMEDE FILHO, 2020; STEVENSON, 1986). Confira a seguir! Transformador de corrente (TC): é muito utilizado em subestações de energia elétrica (aplicações de alta tensão). Sua principal função é fornecer correntes reduzidas parapossibilitar seu uso por equipamentos de medição, controle e proteção. Transformador de potencial (TP): assim como TC, TP é muito utilizado em subestações de energia elétrica (aplicações de alta tensão). Sua principal função é reduzir a tensão do SEP para níveis de tensões compatíveis de medida para circuito desejado. Interruptor ou disjuntor (D): responsável pela desconexão do sistema. Fonte auxiliar de corrente (F): tem a função de suprir os diversos elementos envolvidos na proteção. Geralmente, é uma fonte de corrente contínua. Elemento de avaliação das medições de corrente e de tensão (A): elemento que possui as seguintes funções: gerenciar as condições operacionais do componente elétrico protegido, tais como a linha de transmissão e transformador de potência; e decidir, a partir dos valores recebidos de corrente e de tensão, as condições para desconectar SEP dos demais componentes. Elemento lógico da estrutura de proteção (B): recebe as informações do elemento de avaliação, compara com os valores ajustados e, dependendo do resultado, habilita sinal para a atuação do interruptor ou disjuntor.Elemento (C): elemento que modula sinal de disparo do interruptor ou disjuntor. Elemento (S): responsável pela sinalização óptica ou sonora de todas as operações realizadas no esquema de proteção. Elemento (K): responsável pela recepção de sinais de comando originados ou não de outros setores/pontos distantes do sistema protegido. Todo sistema de proteção deve apresentar alguns requisitos básicos, que são fundamentais para garantir um desempenho operacional satisfatório. A seguir, apresenta-se alguns destes requisitos (MAMEDE FILHO, 2020). Vamos conferir? a) Seletividade A seletividade é uma técnica operacional utilizada para proteção e coordenação de circuito. Ela permite que apenas elemento de proteção mais próximo da ocorrência da falha (ou mesmo da falta) desconecte a parte afetada do sistema elétrico de potência. b) Zonas de atuação Durante a ocorrência de uma falha (ou mesmo falta), elemento de proteção deve identificar se a ocorrência (evento) é interna ou externa à zona de proteção. Caso a ocorrência esteja dentro dos limites da zona protegida, elemento de proteção entra em operação, acionando a abertura do disjuntor associado. Este intervalo de tempo entre a ocorrência e a ação do sistema de proteção édefinido no estudo de proteção de sistemas elétricos. Se, porventura, a ocorrência estiver fora dos limites da zona de proteção, relé não está dimensionado para atender a ocorrência (evento). c) Velocidade Outro requisito muito importante no sistema de proteção é a velocidade! Ou seja, é importante definir tempo mínimo de operação para um elemento de proteção, sendo que a velocidade de atuação deve apresentar menor valor possível. Essa condição é necessária, uma vez que é fundamental reduzir ou até mesmo eliminar os danos no sistema protegido, bem como diminuir tempo de afundamento da tensão durante as faltas nos sistemas de potência. d) Sensibilidade A sensibilidade é a capacidade que um dispositivo de proteção tem em reconhecer a sua faixa operacional. Nesse sentido, para avaliar numericamente nível de sensibilidade de um determinado dispositivo, é possível utilizar a seguinte expressão: = (1)Onde Nₛ é nível de sensibilidade do dispositivo de proteção, Iccmi é a corrente de curto-circuito em seu valor máximo, tomado no ponto mais extremo da zona de proteção e é a corrente elétrica de acionamento do dispositivo de proteção. Para fins de análise e projeto de sistemas de proteção, um nível de sensibilidade adequado deve atender ao seguinte intervalo: 1,5 ≤ NₛOs relés não devem atuar em razão das oscilações de corrente, tensão e frequência que normalmente ocorrem no SEP. Os relés devem consumir pouca energia. Os relés devem manter suas características técnicas e operacionais, independentemente da configuração do sistema elétrico (sistema radial ou reticulado, por exemplo). A fim de padronizar e universalizar as funções dos relés de proteção, a American National Standards Institute (ANSI) disponibiliza uma tabela com as funções de proteção e código numérico correspondente. Vale a pena uma pesquisa para conhecer as respectivas funções dos relés. Estudante, está gostando deste assunto? Você percebeu a importância que um dispositivo de proteção tem em um sistema elétrico de potência? Espero que sim! Continuando nossos estudos, vamos agora conhecer um pouco sobre os relés de proteção mecânicos. Vamos lá! Relés de proteção mecânicos Também conhecidos como relés de proteção eletromecânicos, os relés mecânicos são constituídos por bobinas, disco de indução, molas e contatos fixos e móveis. Considerados confiáveis, de fácil manutenção, robustos e de simples ajuste dos parâmetros elétricos, seu princípio básico de operação utiliza fenômeno da indução eletromagnética de Faraday (lei de Faraday) para realizar os movimentos de suas partes (contatos) móveis. Ou seja, uma bobina eletromagnética é energizadapor meio de uma corrente elétrica para abrir ou fechar circuito que se deseja proteger dentro de uma zona de proteção (CAMINHA, 1977; MAMEDE FILHO, 2020). A Figura 3.3 apresenta a estrutura básica interna de um relé eletromecânico de indução. A estrutura é constituída por contatos móveis e fixos, eixo, disco magnético, núcleo e bobina, formando um transformador e um anel de defasagem de tensão e corrente elétrica (CAMINHA, 1977). Observe!Núcleo Eixo Contato fixo Bobina Contato móvel Anel de defasagem Disco © VG Educacional Figura 3.3: Estrutura básica interna de um relé eletromecânico de indução Fonte: Caminha (1977, p. 32).#PraCegoVer: a figura apresenta a estrutura básica interna de um relé eletromagnético. A estrutura possui um contato físico representado por um retângulo e um conector em forma de bastão, um contato móvel em forma de bastão conectado ao eixo do disco no centro, um núcleo laminado quadrado onde uma bobina está enrolada. Entre disco e a região de ar do núcleo do transformador, há um anel de defasagem em forma de pastilha. Uma informação técnica que não podemos deixar de mencionar é a padronização das dimensões dos relés de proteção. Ou seja, normalmente, as dimensões externas dos relés são padronizadas entre os fabricantes, facilitando, assim, sua reposição nos painéis elétricos. Um exemplo de padronização é relé de sobrecorrente da General Electric Company, que pode ser substituído pelo relé de sobrecorrente da Westinghouse sem a necessidade de realizar adaptações no painel ou no sistema de instalação (MAMEDE FILHO, 2020). Interessante, não é, caro estudante! Embora os relés eletromecânicos de indução não sejam mais fabricados, ainda existem inúmeros desses dispositivos instalados nas subestações de energia elétrica e em algumas indústrias, devido à sua longa vida útil e robustez. Nesse sentido, mesmo com a obsolescência tecnológica, justifica- se seu estudo sob ponto de vista didático (MAMEDE FILHO, 2020). A Figura 3.4 mostra uma imagem real de um relé de sobrecorrente eletromecânico de indução. Observe sua estrutura interna, seus componentes e seus mecanismos de operação.Contatos Bobina unidade fixos e móveis temporizada VDM Ajuste dos tapes Educacional Figura 3.3: Estrutura básica interna de um relé eletromecânico de indução. Fonte: Mamede Filho (2020, p. 07).#PraCegoVer: a figura apresenta a estrutura básica interna de um relé eletromecânico de indução. relé é uma caixa retangular com quatro encaixes em suas extremidades. Esses encaixes servem para fixar relé de proteção aos painéis das subestações e/ou aos painéis das salas de controle de uma usina hidroelétrica, por exemplo. Internamente, de forma análoga a um relógio mecânico, relé é constituído por inúmeras partes (peças) móveis e fixas, que fazem parte do seu mecanismo de operação. Além disso, apresenta um contato físico representado por um retângulo e um conector em forma de bastão, um contato móvel em forma de bastão conectado ao eixo do disco em sua região central, um núcleo laminado quadrado onde se encontra enrolada uma bobina. Entre o disco e a região da bobina de unidade temporizadora, existe um anel de defasagem em forma de pastilha. Os relés de proteção eletromecânicos são uma das categorias de relés de sobrecorrente secundários de indução, também conhecidos como relés de sobrecorrente de ação indireta ou simplesmente relés de proteção secundários. Eles são fabricados em unidades monofásicas e alimentados por transformadores de corrente conectados ao circuito que se deseja proteger. Esses tipos de relés são empregados na proteção de subestações industriais de médio e grande porte, na proteção de geradores e motores elétricos, bancos de capacitores de potência, bem como na proteção de subestações de energia elétrica (MAMEDE FILHO, 2020). As Figuras 3.4 e 3.5 apresentam, respectivamente, esquema básico de proteção de sobrecorrente utilizando relés secundários do tipo indução. Observe!Ip Disjuntor TC Is Ip D TC Is Ip TC Is 50/51 50/51 Z 50/51N Z © ©VG Educacional Figura 3.4: Esquema elétrico de ligação dos relés de proteção secundários: conexão residual. Fonte: Mamede Filho (2020, p. 91).#PraCegoVer: a figura apresenta esquema elétrico de ligação dos relés de proteção secundários com conexão residual. Na parte superior da figura, existem três linhas sólidas na cor cinza representando as conexões entre disjuntor e três transformadores de corrente (TCs). disjuntor é representado por um quadrado com um círculo em seu interior. Internamente a este círculo, existe a indicação da letra "D" maiúscula. Os TCs são representados por espirais, e em cada um circulam correntes elétricas das fases ou barramentos do sistema elétrico. Essas correntes são representadas por setas e pela letra "i" maiúscula subscrita em minúsculo. Após serem monitoradas pelos TCs, essas correntes são representadas pela letra "i" maiúscula subscrita em "s" minúsculo. Cada TC está conectado por linhas sólidas na cor cinza ao disjuntor e a cada relé de proteção. Os relés de proteção são representados por pequenos círculos com um símbolo semelhante à letra "Z" no interior. Também, em cada relé, há os números 50 e 51, que representam as funções de proteção e código numérico correspondente (padrão ANSI). Os relés estão conectados ao disjuntor por linhas tracejadas na cor cinza (conexão residual do neutro), e os TCs encontram-se aterrados ao sistema, sendo que esses aterramentos podem ser identificados pela simbologia do terra, representada por pequenos traços que formam uma pirâmide invertida. Analisando a Figura 3.4, nota-se que a proteção para as faltas entre fase e terra baseia-se na conexão residual do neutro (linhas tracejadas que conectam os relés ao disjuntor). Além disso, existem três relés monofásicos de fase, função 50 (relé de proteção de sobrecorrente instantâneo) e função 51 (relé de proteção de sobrecorrente temporizado), e um relé monofásico conectado aoponto neutro do esquema de proteção, função 50 (relé de proteção de sobrecorrente instantâneo) e função 51N (relé de proteção de sobrecorrente temporizado de neutro) (MAMEDE FILHO, 2020). Analisando a Figura 3.5, observa-se que a proteção contra defeitos monopolares é baseada na corrente de desequilíbrio entre as fases, utilizando para isso um TC tipo toroidal. Ademais, existem três relés monofásicos de fase, função 50 (relé de proteção de sobrecorrente instantâneo) e função 51 (relé de proteção de sobrecorrente temporizado), e um relé monofásico conectado ao ponto neutro do esquema de proteção, função 50 (relé de proteção de sobrecorrente instantâneo) e função 51N (relé de proteção de sobrecorrente temporizado de neutro) (MAMEDE FILHO, 2020).Ip Disjuntor TC Is TC Ip D TC Is Ip TC Is 50/51N 50/51 50/51 © Educacional Figura 3.5: Esquema elétrico de ligação dos relés de proteção secundários: conexão com TC tipo toroidal Fonte: Mamede Filho (2020, 91).#PraCegoVer: a figura apresenta esquema elétrico de ligação dos relés de proteção secundários com conexão com TC tipo toroidal. Na parte superior da figura, existem três linhas sólidas na cor cinza representando as conexões entre disjuntor, um transformador de corrente (TC) tipo toroidal conectado entre o próprio disjuntor e três transformadores de corrente (TCs). disjuntor é representado por um quadrado e um círculo em seu interior. Internamente a este círculo, existe a indicação da letra "D" maiúscula. TC tipo toroidal é representado por uma espiral e os três TCs também são representados por espirais, sendo que em cada um circula corrente elétrica das fases ou barramentos do sistema elétrico. Essas correntes são representadas por setas e pelas letras "I" maiúscula subscrito "p" minúsculo. Essas correntes, após monitoradas pelos TCs, são representadas pelas letras "I" maiúscula subscrito "s" minúsculo. Cada TC está conectado por linhas sólidas na cor cinza ao disjuntor e a cada relé de proteção. Estes, por sua vez, são representados por pequenos círculos onde em seu interior tem um símbolo que se parece com a letra "Z" do alfabeto. Também, em cada relé há os números cinquenta e cinquenta e um, os quais representam as funções de proteção e código numérico correspondente (padrão ANSI). Os relés estão conectados ao disjuntor por uma única linha tracejada cinza e os TCs encontram-se aterrados ao sistema juntamente com os próprios relés, onde esses aterramentos podem ser identificados pela simbologia do terra (são pequenos traços que representam uma pirâmide invertida). Por fim, é importante salientar que os relés de sobrecorrente secundários de indução possuem boa precisão, apresentam sensibilidade às faltas e permitem que sua manutenção seja realizada sem desligar o disjuntor do circuito que ele (o relé) está protegendo. Entretanto, devido à evoluçãotecnológica na área de sistemas de potência, esses relés foram substituídos pelos relés digitais (MAMEDE FILHO, 2020). Relés de proteção estáticos Os relés de proteção estáticos surgiram na década de 1960. seu projeto inicial utilizava dispositivos eletrônicos (como transistores e diodos), resistores, capacitores e indutores. Porém, em razão dos avanços da microeletrônica, as novas versões contemplavam circuitos integrados para processamento de sinais digitais. Em termos simples, os relés estáticos podem ser vistos como uma evolução e substituição dos relés eletromecânicos (RUSH, 2011). Corroborando com Rush (2011), Mamede Filho (2020) complementa que, em razão do desenvolvimento de componentes estáticos de alta confiabilidade, foi possível a fabricação dos relés de sobrecorrente eletrônicos. A simplicidade de suas partes mecânicas e elétricas permite facilidade em sua instalação, bem como a possibilidade de manutenção mesmo quando estão em plena operação. Diante dessas características, esses relés estáticos apresentam algumas vantagens sobre os relés eletromecânicos de indução: baixo consumo de energia, compacidade e precisão nas medidas. Devido à sua compacidade, relé de sobrecorrente estático possui, em uma única unidade, todas as funções 50/51 e 50/51N relativas às fases e ao neutro, de acordo com modelo utilizado. Basicamente, esses relés de proteção integram três circuitos básicos (MAMEDE FILHO, 2020):Circuito 1: Neste circuito, existem os conversores, os potenciômetros de ajuste da corrente elétrica temporizada de fase e de neutro, a sinalização e botão de rearme. Circuito 2: Este circuito contempla os potenciômetros de ajuste da corrente instantânea e os comparadores de tensão. Circuito 3: Este circuito contém os geradores de função independentes para a fase e para neutro, que permite definir as curvas de temporização inversa, muito inversa e extremamente inversa. As Figuras 3.6, 3.7 e 3.8 mostram, respectivamente, as curvas de temporização inversa, muito inversa e extremamente inversa do relé RSAS de fabricação Schlumberger (MAMEDE FILHO, 2020). Confira!20 Inversa (NI) 10 5 4 3 2 10 6 1 5 4 3 2 4 3 1 2 1 0,5 2 3 4 5 10 20 © VG Educacional Múltiplos de log Figura 3.6: Curvas inversas do relé de sobrecorrente estático RSAS. Fonte: Mamede Filho (2020, p. 105).#PraCegoVer: a figura apresenta as curvas inversas do relé de sobrecorrente estático RSAS. As curvas são representadas em escala logarítmica devido as correntes e tensões elétricas serem extremamente altas e, os tempos de atuação dos relés de proteção, serem extremamente baixos. Elas iniciam no valor 10 do eixo ípsilon e decaem em direção ao valor 20 do eixo xis. Isso se repete até valor 1 do eixo ípsilon, mantendo valor 20 do eixo xis. Os valores do início (eixo ípsilon) e do final de cada curva se repetem na outra extremidade do gráfico, já que plano cartesiano é fechado representando um retângulo. As curvas de temporização inversa, apresentadas na Figura 3.6, são geralmente utilizadas em sistemas elétricos em que valor da corrente de curto-circuito circulando no relé depende muito da capacidade do sistema de geração (MAMEDE FILHO, 2020).20 Muito inversa (NI) 10 5 4 3 2 1 10 6 5 4 4 3 3 2 2 1 1 0,5 2 3 4 5 10 20 © VG Educacional Múltiplos de log Figura 3.7: Curvas muito inversas do relé de sobrecorrente estático RSAS. Fonte: Mamede Filho (2020, p. 106).#PraCegoVer: a figura apresenta as curvas muito inversas do relé de sobrecorrente estático RSAS. As curvas são representadas em escala logarítmica devido as correntes e tensões elétricas serem extremamente altas e, os tempos de atuação dos relés de proteção, serem extremamente baixos. Elas iniciam aproximadamente no valor 15 eixo ípsilon e decaem em direção ao valor 20 do eixo xis. Isto se repete até valor 3 do eixo ípsilon, mantendo valor 20 do eixo xis. Os valores do início (eixo ípsilon) e do final de cada curva se repetem na outra extremidade do gráfico, já que plano cartesiano é fechado representando um retângulo. Quando comparadas com as curvas inversas, apresentadas na Figura 3.6, nota-se um decaimento mais acentuado. As curvas de temporização muito inversa, apresentadas na Figura 3.7, são empregadas nos sistemas elétricos em que valor da corrente de curto-circuito circulando no relé depende da localização do ponto onde ocorreu defeito, variando muito pouco em relação à capacidade do sistema de geração.20 Extremamente inversa (MI) 10 5 4 3 2 1 4 3 10 2 6 5 4 1 3 2 1 0,5 2 3 4 5 10 20 © VG Educacional Múltiplos de log Figura 3.8: Curvas extremamente inversas do relé de sobrecorrente estático RSAS. Fonte: Mamede Filho (2020, p. 106).#PraCegoVer: a figura apresenta as curvas extremamente inversas do relé de sobrecorrente estático RSAS. As curvas são representadas em escala logarítmica devido às correntes e tensões elétricas serem extremamente altas e os tempos de atuação dos relés de proteção serem extremamente baixos. Elas iniciam aproximadamente no valor 20 eixo ípsilon e decaem em direção ao valor 20 do eixo xis. Isso se repete até valor 1,8 do eixo ípsilon, mantendo valor 20 do eixo xis. Os valores do início (eixo ípsilon) e do final de cada curva se repetem na outra extremidade do gráfico, já que plano cartesiano é fechado representando um retângulo. Porém, essa repetição não está relacionada proporcionalmente, como acontece nas curvas da Figura 3.6 (curvas inversas). Quando comparadas com as curvas inversas (Figura 3.6) e muito inversas (Figura 3.7), nota-se um decaimento bem acentuado nas curvas da Figura 3.8 (curvas extremamente inversas). As curvas de temporização extremamente inversas, apresentadas na Figura 3.8, são aplicadas na proteção de alimentadores de distribuição primária, onde são utilizados elos fusíveis e religadores no sistema de distribuição de energia. Em resumo, com base nas Figuras 3.6, 3.7 e 3.8, nota-se que a curva extremamente inversa é muito rápida para altas correntes e lenta para baixas correntes. Por outro lado, as curvas inversas são muito lentas para correntes elevadas e rápidas para baixas correntes ou situações de sobrecarga. No entanto, as curvas muito inversas são adequadas tanto para baixas correntes quanto para altas correntes.A Figura 3.9 mostra a parte frontal de um relé de proteção de sobrecorrente estático (MAMEDE FILHO, 2020). Observe!Diais de ajuste de tempo e corrente Tampa frontal para relé de embutir A proteção do PADE disjuntor freq FA Parafuso de fixação da tampa © VG Educacional Figura 3.9: Vista frontal de um relé de sobrecorrente estático Fonte: Mamede Filho (2020, p. 107).#PraCegoVer: a figura apresenta a vista frontal de um relé de sobrecorrente estático. relé é um caixa retangular com quatro encaixes em suas extremidades. Esses encaixes servem para fixar relé de proteção aos painéis das subestações e/ou aos painéis das salas de controle de uma usina hidroelétrica, por exemplo. Na parte da frente existem diversos botões de ajustes e um tampa frontal para facilitar a sua instalação. Por fim, vale ressaltar que os relés estáticos (eletrônicos) não introduziram novas técnicas de proteção, uma vez que suas funções são idênticas às dos relés eletromecânicos de indução. Exceto pelas facilidades de ajuste proporcionadas pela eletrônica, os relés estáticos são semelhantes aos relés de indução, ao contrário do que ocorre com os relés digitais. Estes, por sua vez, além de incorporarem as facilidades de ajuste no painel (como relé estático), oferecem inúmeras vantagens da tecnologia da informação (MAMEDE FILHO, 2020). Relés de proteção digitais As pesquisas com relés de proteção digitais tiveram início na década de 1960. Nesse período, computador estava sendo utilizado para otimizar cálculos analíticos aplicados em diversas áreas do conhecimento, principalmente nas áreas da física e da engenharia. Nesse sentido, os modelos matemáticos que tratavam de faltas, fluxo de carga e estabilidade de sistemas estavam sendo codificados com auxílio de linguagens de programação/algoritmos computacionais. Como resultado, devido à evolução dos computadores, hardwares, softwares, técnicas de desenvolvimentode sistemas e tecnologias dos relés de proteção, pode-se dizer que os relés digitais são uma solução viável (econômica e técnica) para as questões relacionadas aos sistemas de proteção de um SEP (PHADKE; THORP, 2009). Arquitetura de um relé de proteção digital relé digital é constituído por um sistema eletrônico microprocessado. Esse sistema permite armazenar, analisar e processar inúmeras informações dos parâmetros da rede de energia elétrica, como, por exemplo, a tensão e a intensidade de corrente elétrica devido a uma falta (PHADKE; THORP, 2009). A Figura 3.10 apresenta a arquitetura e os subsistemas microprocessados de um relé digital para proteção de uma subestação de energia elétrica (PHADKE; THORP, 2009). Observe!SUBESTAÇÃO Tensões e correntes Chaves Chaves analógicas (entrada digital) (saída digital) (Comunicação) Filtro de surto e filtro Filtro de Condicionamento anti-aliasing surto do sinal Porta serial Condicionamento Condicionamento Saídas de sinal de sinal digitais Porta Conversor AD Clock de paralela (amostragem/retenção) amostragem Processador Fonte de energia ROM/ Memória de RAM EPROM PROM massa © VG Educacional Figura 3.10: Arquitetura e subsistemas microprocessados de um relé de proteção digital. Fonte: adaptado de Phadke e Thorp (2009, p. 07).#PraCegoVer: a figura apresenta a arquitetura e os subsistemas microprocessados de um relé de proteção digital. A parte superior é a subestação de energia, a qual tem comunicação direta por meio das tensões e das correntes analógicas, bem como através de chaves de entrada e saída digitais (liga e desliga). Todos os componentes da arquitetura são representados por blocos em forma de retângulo. As tensões e as correntes comunicam-se com filtro de surto que, por sua vez, comunica-se com condicionamento de sinal, que também se comunica com conversor AD. conversor tem comunicação direta com processador e com clock de amostragem. Novamente, analisando a partir da subestação, a chave de entrada digital comunica-se com filtro de surto, que também se comunica com outro condicionamento de sinal (do filtro de surto), qual se comunica diretamente com processador. processador emite um sinal de saída digital, qual se comunica com mesmo condicionamento de sinal do filtro de surto que dá entrada à chave de saída digital. processador também tem comunicação direta com as memórias RAM, ROM, PROM, EPROM e memória de massa, bem como com as portas serial e paralela, as quais permitem a comunicação com os periféricos externos (computador e/ou impressora, por exemplo). Tudo isso é suprido por uma fonte de energia interna ao relé de proteção digital. Ela consiste em um banco de baterias provido de um retificador. Em geral, essas fontes de energia são da ordem de 24V, 48V, 125V e 220V. Analisando a Figura 3.10, nota-se que, para entender a existência ou não de ocorrência de um curto- circuito, relé digital processa os sinais analógicos de tensão (fornecidos pelos TPs) e de corrente (fornecidos pelos TCs) extraídos da subestação elétrica. Esses sinais, por sua vez, são enviados para a etapa de condicionamento de sinais, a qual estabelece compatibilidade dos níveis detensão com a placa eletrônica do relé. Uma vez condicionados, os sinais analógicos são convertidos em sinais digitais pelo conversor analógico-digital (CAD), qual utiliza processo de amostragem (aquisição de amostras do sinal analógico), sendo este processo sincronizado por um clock de amostragem (PHADKE; THORP, 2009). Antes do processo de amostragem, sinal analógico deve ser filtrado por um filtro especial denominado filtro anti-aliasing, cujo objetivo é evitar ou minimizar efeito aliasing, conhecido como recobrimento de frequência. Vale lembrar que, além de sinais analógicos, os relés também processam entradas digitais, as quais integram dispositivos eletrônicos que operam como chaves (como exemplo, pode-se mencionar transistor operando como chave) para atender outros dispositivos de proteção ou equipamentos que integram a subestação (PHADKE; THORP, 2009). Em tempo, temos ainda processador: chip de alta velocidade de processamento, responsável por executar os algoritmos e por se comunicar com outros elementos, como por exemplo, as memórias RAM (Random-Access Memory), ROM (Read-Only Memory), PROM (Programmable Read-Only Memory), EPROM (Erasable Programmable Read-Only Memory) e própria memória de massa, bem como com as portas serial e paralela. A memória de massa, por sua vez, armazena grande quantidade de dados, haja vista que é a responsável pelo registro de faltas, histórico de medidas, registro de falhas de comunicação e de alterações realizadas na configuração do relé (PHADKE; THORP, 2009). Esta configuração é realizada na parte frontal do relé por meio de teclas ou através de um microcomputador conectado ao relé por meio de uma porta serial (MAMEDE FILHO, 2020).A Figura 3.11 apresenta a parte frontal de um relé de distância digital. Observe a porta serial no canto inferior esquerdo e as teclas de membrana para a sua configuração junto aos sistemas de proteção (MAMEDE FILHO, 2020).Visor Tecla de membrana SIEMENS , 8 4 6 1 2 3 CA 00 N Comunicação serial © VG Educacional Figura 3.11: Vista frontal de um relé de proteção digital Fonte: Mamede Filho (2020, p. 08).#PraCegoVer: a figura apresenta a vista frontal de um relé de proteção digital. relé é um módulo metálico constituído de três botões de ajustes, um visor e várias teclas de membrana para fins de configuração. No canto inferior esquerdo existe uma porta de comunicação serial. Em suas laterais existem puxadores para encaixe e desencaixe nos racks dos painéis de controle das subestações de energia elétrica. Caro(a) estudante, está gostando deste assunto? Percebeu a importância dos relés de proteção digital em um SEP? Agora vamos conhecer um pouco mais sobre este tipo de relé com auxílio do elemento interativo apresentado a seguir. Vamos lá!Relés digitais Os relés de proteção digitais, também conhecidos como relés digitais, são extremamente confiáveis! Eles podem detectar, com segurança, as faltas que ocorrem em um SEP. Sendo de alta velocidade, em razão da combinação entre seus sistemas microprocessados e os dispositivos elétricos, este tipo de relé atua em questão de milissegundos. Esses microprocessadores permitem analisar, processar e registrar vários parâmetros da rede de energia, como a tensão e a intensidade da corrente elétrica, objetivando, com isso, detectar e monitorar em tempo real os transitórios decorrentes das possíveis faltas (curtos-circuitos). Caro estudante, vamos agora realizar uma atividade para fixar com os conceitos estudados? Então, vamos lá! Conhecimento Teste seus Conhecimentos(Atividade não pontuada) Os relés de proteção utilizados em sistemas elétricos de potência possuem várias configurações e sistemas distintos de funcionamento. Dependendo da aplicação e do tipo, um relé pode atender a uma determinada falta com maior eficácia em comparação com outro relé. Essa condição é determinada pelo manual do fabricante e pelas suas características técnicas, operacionais e construtivas. MAMEDE FILHO, J. Proteção de sistemas elétricos de potência. Rio de Janeiro: Grupo GEN, 2020. Disponível em: https://shre.ink/IZAO. Acesso em: 16 mai. 2023. De acordo com exposto, assinale a alternativa que apresenta tipo de relé e suas características construtivas e operacionais: a) relé de proteção mecânico ou estático tem como princípio básico de funcionamento campos elétricos e magnéticos, envolvendo assim atração e indução eletromagnética. Por outro lado, relé eletrônico possui uma eletrônica embarcada, constituída de circuitos transistorizados. Já relé digital integra sistemas microprocessados em conjunto com uma eletrônica embarcada.b) relé de proteção mecânico possui bobinas, resistores e capacitores para sua operação. Por outro lado, relé estático possui um indutor conectado a um disco magnético controlado por uma eletrônica embarcada. Já relé digital integra sistemas microprocessados em conjunto com uma eletrônica embarcada. c) relé de proteção eletromecânico opera por meio de atração e indução eletromagnética. Por outro lado, relé estático possui uma eletrônica embarcada, constituindo-se de circuitos transistorizados que desempenham com precisão as funções lógicas de proteção e temporização. Já relé digital integra sistemas microprocessados em conjunto com uma eletrônica embarcada. d) relé de proteção eletromecânico possui, em seu processo operacional, campos elétricos e magnéticos, caracterizados pela atração e indução eletromagnética. Por outro lado, relé estático possui uma eletrônica embarcada, constituída por circuitos transistorizados. Já relé digital integra os dois tipos de relés conhecidos anteriormente, ou seja, possui uma parte eletromagnética e um sistema microprocessado. e) relé de proteção eletromecânico tem como princípio básico de funcionamento a indução eletromagnética de Faraday. Por outro lado, relé estático possui uma eletrônica embarcada, constituída por circuitos transistorizados. Já relé eletrônico integra sistemas microprocessados em conjunto com uma eletrônica embarcada.Tipos de proteção de um relé digital Olá, estudante! Nesta seção, iremos conhecer um pouco sobre os tipos de proteção de um relé digital. Iremos restringir nossos estudos aos relés de sobrecorrente diferenciais digitais, tendo em vista sua ampla utilização em diversos tipos de proteção. Então, mãos à obra! Relés de proteção de sobrecorrente diferenciais digitais