CAP12 Proteção de Barras

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CAPÍTULO 12 
 
 
PROTEÇÃO DE BARRAMENTOS 
 
Prof. José Wilson Resende 
Ph.D em Sistemas de Energia Elétrica (University of Aberdeen-Escócia) 
Professor titular da Faculdade de Engenharia Elétrica 
Universidade Federal de Uberlândia 
 
12.1- Introdução 
 
Os equipamentos de manobras de uma Subestação são equipamentos usados 
para controlarem o fluxo de energia, bem como para isolarem os transformadores, 
geradores ou linhas. Estão incluídos nesta categoria os disjuntores, seccionadores, 
barras, conexões e respectivos isoladores de suporte. Para se isolar defeitos em uma 
barra, devem ser abertos todos disjuntores que alimentam os circuitos que chegam a 
esta barra. Considerando que esses desligamentos podem incluir geradores ou linhas 
de interconexão, afetando assim grandes partes do sistema, é de sua importância que 
a proteção de barras funcione corretamente, ou seja, atue apenas para defeitos na 
barra, sendo insensível a defeitos externos. 
Os defeitos em barra (assim como em geradores e transformadores) não são, 
em geral, de natureza transitória, mesmo que a causa de origem o tenha sido; os 
danos causados são permanentes. Assim, não é recomendável a possibilidade de 
reaplicação imediata de tensão, após a atuação da proteção. 
As barras são geralmente tão bem protegidas contra a ação de elementos da 
natureza (bem como de erros de operação), que as possibilidades de defeitos são 
muitíssimas menores do que em outros elementos do sistema, tais como linhas de 
transmissão. 
 
A proteção de barras contra curtos deve ser do tipo instantânea para prover 
proteção instantânea e seletiva para os barramentos. Agindo desta forma, tem-se: 
• Diminuição de possíveis danos nos equipamentos envolvidos. 
• Diminuição do tempo de restabelecimento do sistema, uma vez que os 
desligamentos se restringirão quase que totalmente à estação afetada. 
• Redução dos problemas de estabilidade no sistema, que poderiam aparecer 
caso as faltas em barramentos não fossem eliminadas instantaneamente. 
 
A seleção do esquema de proteção de barras deve ser feita considerando: 
• tipo de arranjo do barramento; 
• preço do equipamento, relativamente à performance exigida; 
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12.2) Proteção de barras de 13,8 kV 
 
12.2.1) PROTEÇÃO DIFERENCIAL 
 
a.1) Proteção diferencial monofásica: 
 
 
a.1.1) Situação normal de operação: 
 
 
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a.1.2) Falta Fase-Terra externa à zona de operação: 
 
Para este tipo de defeito, não há operação da proteção pois não há circulação de 
corrente no relé: 
 
 
a.1.3) Falta Fase-Terra dentro da zona de operação: 
 
Neste caso, a proteção atuará: 
 
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a.1.4) Falta Fase-Fase dentro da zona de operação: 
 
Neste caso, esta proteção não opera. Para este caso, deverá atuar, como retaguarda, a 
proteção de sobrecorrente do transformador. 
 
 
a.2) Proteção diferencial trifásica: 
 
 
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a.2.1) Situação normal de operação: 
 
 
a.2.2) Falta Fase-Terra externa à zona de operação: 
 
Não haverá atuação da proteção: 
 
 
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a.2.3) Falta Fase-Terra dentro da zona de operação: 
 
Neste caso, haverá atuação da proteção: 
 
 
a.2.4) Falta Fase-Fase dentro da zona de operação: 
 
Também neste caso, haverá atuação da proteção: 
 
 
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12.2) Proteção de barras de 138 kV e acima 
 
12.2.1) Principais tipos de barramentos em 138 kV e acima: 
 
a) Barramento simples: 
 
 
b) Barramento duplo: 
 
 
 
 
São dois os tipos de proteção adotadas para estas barras: 
 
Proteção de sobrecorrente e Proteção diferencial. 
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12.2.2) Proteção de sobrecorrente: 
 
 
 Este tipo de proteção somente é usado em linhas radiais. O arranjo é o seguinte: 
 
 
 
a1) Situação normal de operação (no caso, com 2 transformadores em carga): 
 
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a2) Curto Fase-Terra: 
 
a3) Curto Fase-Fase: 
 
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12.2.3) Proteção Diferencial de Barras 
 
Este é o tipo de proteção mais usado em barras. É baseada na lei dos nós de 
Kirchoff, na qual a soma vetorial das correntes que entram é igual à soma vetorial 
das correntes que saem da barra. 
 A proteção diferencial de barras é feita com relés de sobrecorrente ou com 
relés de sobretensão. 
 
 
12.2.3.1) Proteção diferencial com relés de sobrecorrente 
Neste tipo de proteção de barras, os TC’s devem ser conectados para que, em 
condição normal de operação, não haja circulação de corrente através dos relés, 
conforme mostram as figuras: 
 
 
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a1) Curto Fase-Terra: 
 
a2) Curto Fase-Fase: 
 
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O inconveniente de se usar relé de sobrecorrente para proteção de barra é 
que, normalmente, quando se tem muitas linhas conectadas à barra, um curto-
circuito na saída de uma das linhas poderá provocar a saturação do TC da linha em 
questão, pois, praticamente, toda a corrente de curto-circuito, para uma falta na 
barra, passará pelo TC como ilustra a figura: 
 
Para uma falta na saída da linha 7 e, caso o TC da linha 7 se sature 
complemente, o balanço de corrente no relé 50 não mais será nulo e ele atuará 
(indevidamente, pois a falta é externa à barra!). Uma análise idêntica a esta feita 
para a linha 7, deverá ser feita para as outras saídas de linha. 
A utilização de relé de sobrecorrente para proteção de barra, normalmente, é 
mais eficaz quando não se tem níveis de curto-circuito elevados, pois, nesse caso, 
não haverá risco de saturação de TC para faltas na saída das linhas. 
 
 
12.2.3.2 Proteção diferencial com relés de sobretensão 
 
A proteção diferencial de barra utilizando relés de sobretensão é empregada, 
dentre outros, nos sistemas de FURNAS, LIGHT, ELETROPAULO, ESCELSA, 
CEMIG, CERJ E CPFL. 
O relé mais tradicional é o relé PVD11C, que é um relé tipo tensão 
diferencial. Ele possui uma unidade de tensão (87L) e uma unidade de corrente 
(87H): 
Unidade de tensão 87L: instantânea, opera por tensão (entre 3 e 6 ciclos). 
Possui um circuito ressonante em 60 Hz (permitindo operações somente em 60 
Hz). 
Unidade de corrente 87H: instantânea, opera por sobrecorrente. Atua em menos 
de 2 ciclos. É ligada em série com um THYRITE, que é um limitador de tensão, 
não linear, com o qual o relé fica protegido de sobretensões. 
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Motivo do uso destas unidades, em paralelo: 
• No caso de uma pesada falta externa o TC da fase defeituosa pode saturar. Em 
consequência, a soma das correntes em um relé diferencial comum não será zero, 
podendo provocar sua atuação. 
• Por outro lado, caso este relé diferencial seja acionável por tensão, como na 
unidade de tensão 87L, essa saturação não causa erros: a tensão no TC da fase 
com defeito será apenas a queda RI dos seus condutores. Nessas condições, a 
tensão no relé será apenas V’R. 
• Caso o TC não sature, a tensão VR no relé é praticamente nula. 
• No caso de uma falta interna, a tensão no relé será VR (que é bem maior que 
V’R) e, em consequência, o relé atua. 
• Para sistemas aterrados solidamente: a regulagem do relé é feita para 2V’R. 
• Para sistemas aterrados por impedância: um ajuste mais baixo pode ser 
requerido. 
• Por outro lado, a unidade de sobrecorrente é necessária pela sua alta 
velocidade para faltas na barra, envolvendo altas correntes. 
 
 
a. Esquema DC-Simplificado: 
 
 
b. Operação da Proteção 
 
O diagrama unifilar da figura a seguir mostra, simplificadamente, as ligações 
externas para a proteção diferencial de barras. Nessa figura está representada uma 
seção de barra que conecta 2 geradores e 3 alimentadores, sendo as informações de 
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corrente ligadas à malha diferencial, onde o relé diferencial é representado pela 
impedância infinita (ZR). 
Considerando-se um defeito externo, cada um dos dois TC’s dos circuitos dos 
dois geradores produzirá uma tensão secundária, necessáriapara propiciar sua 
contribuição de corrente secundária para defeito, de acordo com sua relação de 
transformação. Por outro lado, o TC do alimentador defeituoso produzirá uma 
tensão suficiente para forçar toda a corrente secundária de contribuição para o 
defeito, através de seus enrolamentos e terminais. 
 
Diagrama simplificado, mostrando ligações da malha diferencial. 
 
 Desprezando o efeito das correntes de carga, os TC’s dos outros 
alimentadores não produzirão tensão secundária e, considerando um desempenho 
ideal de todos os TC’s, não aparecerá tensão nos pontos de junção C e D. 
Em verdade, em situações reais, durante curto-circuitos, devido à saturação 
dos núcleos, os TC’s não respondem idealmente. 
Supondo-se agora a ocorrência de um defeito interno (na barra), os TC’s dos 
geradores terão que produzir tensão suficiente para impelir suas correntes 
secundárias de contribuição para o defeito, através dos secundários dos TC’s dos 
alimentadores, que não terão correntes primárias de contribuição para o defeito. 
Desse modo, por serem muito elevadas as impedâncias secundárias 
apresentadas pelos secundários dos TC’s dos alimentadores, aparecerá nos pontos de 
junção C e D uma tensão elevada (da ordem de 1000 volts que será limitada apenas 
pela saturação dos TC dos geradores. Esta tensão, mesmo para o mínimo curto-
circuito, será sempre maior que a tensão gerada para a pior condição de defeito 
externo. 
Portanto a bobina de alta impedância do relé diferencial conectada aos pontos 
de junção C e D estará habilitada para distinguir defeitos externos de internos. Logo, 
esta bobina pode ser calibrada para não operar para a máxima tensão devida a 
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defeitos externos e operar para a mínima tensão desenvolvida nos pontos de junção 
da malha, proveniente de um defeito interno. 
O relé PVD possui alguns refinamentos para melhorar sua característica de 
operação: 
• É desejável que o circuito diferencial seja insensível a componentes de DC e a 
freqüências outras que não a fundamental. Assim, a bobina de alta 
impedância do relé é alimentada através de um circuito-série ressonante, 
sintonizado para a freqüência fundamental. 
• Para que a unidade 87L esteja habilitada para distinguir defeitos externos de 
internos, esta unidade deve ser calibrada para não operar para a máxima 
tensão devida a defeitos externos. Por outro lado, se este ajuste fosse feito 
através da alteração da reatância indutiva, o circuito ressonante (isto é, o filtro 
sintonizado para 60 Hz) não mais seria sintonizado nesta freqüência. Por esse 
motivo, a unidade 87L é isolada por uma ponte retificadora de onda completa, 
de tal forma que os ajustes de tensão sejam realizados exclusivamente dentro 
da ponte retificadora (e não através de variações na reatância indutiva). 
• Durante a ocorrência de defeitos internos, a saturação dos TC dos geradores, 
limita a tensão secundária da malha. Entretanto, cristas de tensão 
suficientemente altas para danificarem o isolamento poderiam surgir, se um 
elemento adicional qualquer de limitação de tensão não fosse colocado. Essa 
limitação é desempenhada pelo resistor THYRITE, colocado em paralelo com 
a bobina de alta impedância. 
 
A introdução do circuito ressonante, em série com a bobina de alta 
impedância, aumente o tempo de operação dessa unidade de cerca de 3 ciclos, o 
que não constitui problemas, no caso de pequenos valores de curto-circuito. 
Entretanto, para defeitos de grandes proporções, é desejável uma operação 
da proteção no menor tempo possível. Para esse fim, existe a unidade 87H de 
baixa impedância, em série com o THYRITE. Esta é uma unidade de 
sobrecorrente instantânea, que é ajustada para operar com a corrente que flui pelo 
THYRITE em casos de grandes correntes de defeito interno. 
 
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c. Detalhes de uma Malha 
: 
 
Na figura acima:: 
Rc : resistência dos cabos 
Rs: resistência dos TC’ 
 
OBS.: O fechamento da malha deve ser feito em um ponto equidistante dos TC’s, 
tornando a resistência dos cabos, entre o ponto de fechamento da malha e cada TC, 
praticamente iguais. 
 
 
d) Ajustes das Unidades: 
 
Unidade 87 L 
É ajustada para não operar no caso de falhas externas, mesmo que: 
• A corrente de curto seja a maior possível (φ-T ou 3φ), 
• O(s) TC(s) correspondente(s) sature(m) completamente. 
 
Estudo prático: 
Seja F uma falta trifásica externa, conforme indicado na figura acima. Seu 
ajuste de tensão deve ser dado por: 
( )
RTC
IRR2V FLsR += 
Onde: 
Rs: resistêrncia do TC, a 95º 
RL: resistência do cabo mais longo, a 75oC 
IF: máxima corrente de falha externa. 
O fator “2” é adotado para garantir que o relé NÃO OPERE indevidamente para faltas 
externas. 
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Caso o curto fosse φ-T, o cálculo de VR, seria calculado por: 
RTC
I)R2R(2V FLsR += , pois neste caso o retorno de corrente será pelo neutro da 
malha. 
O ajuste do relé deve ser feito para a maior das duas tensões VR (para curtos 
3φ e φT). 
 
 
Unidade 87H 
Conhecida a tensão VR, determina-se o valor do ajuste de corrente, pela curva de 
característica volt-ampére do thyrite do relé PVD (a ser mostrado adiante). 
 
 
e) Exemplo de cálculo de ajustes do relé PVD: 
 Fazer os ajustes em um relé diferencial 87 para que o mesmo proteja a barra 
abaixo contra curtos. 
 
Dados: 
Unidade 87L = possui ajustes de tensão entre 75 e 300 V. 
Unidade 87H = possui ajustes de corrente entre 2 e 50 A. 
Thyrite = possui curvas características. 
TC’s da linha = RTC = 1000/2,5 A = 400 
Curvas de excitação: conhecida. São iguais para todos os TC’s. 
Rs = 2,149Ω (25oC) – cobre (α = 0,00385oC-1 a 25oC) 
Rc = 1,223Ω(25oC) – cobre (α = 0,00385oC-1 a 25oC) 
Correntes de curto: no diagrama unifilar 
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Ajuste da Unidade 87L 
 
• Cálculo de VR para Curtos Trifásicos: 
• Toma-se a parte externa da menor corrente de curto trifásico. Este valor é 
1048A. 
• Determina-se a diferença entre a corrente total de curto, na barra e a 
corrente acima: IF = 9481 – 1048 = 8433 A 
 
Nos cálculos, será ainda suposto que o TC instalado na linha onde a falha externa 
for considerada, se sature completamente com a corrente de 8433 A (neste caso). 
Assim, a tensão gerada nos terminais do relé será a maior possível (para falhas 
externas). 
 
Vamos portanto calcular as tensões VR(3φ) e VR(φ-T): 
Rs (resistência do TC) a 95oC: 
Rs = Ω=−+=−α+ 728,2)]2595(00385,01[149,2)]tt(1[R oo1225s oo25 
 
RL (resistência do cabo mais longo) a 75oC: 
RL = 1,223 [1 + 0,00385 (75o – 25)] = 1,458Ω (um só condutor) 
 
176,5V1,458)8433(2,728 x 2)RR(
RTC
I2
V cs
)3(F
)3(R =+=+= φφ 
 
 
• Cálculo de VR para o curto FASE-TERRA: 
A menor corrente está nas linhas 6 e 7: 
IF = 9980 – 394 = 9586 A 
V6,270)916,2728,2(
400
9586 x 2)R2R(
RTC
I2
V cs
)T(F
)T(R =+=+= −φ−φ 
Comparando as duas tensões, conclui-se que o ajuste usado será para VR = 270V 
 
• Cálculo da mínima corrente de falha, Imin, para operação da unidade 87L 
 
Obtido VR, deve ser determinada a mínima corrente que esta unidade 
necessita para operar: 
Imin = (nIe + IR + IT) RTC 
Onde: 
n = número de TC’s, por fase, na barra 
Ie = corrente de excitação do secundário do TC uma tensão VR, de ajuste. 
IR = corrente na unidade 87L do relé, para a tensão de ajuste VR. 
IT = corrente no THYRITE, para a tensão VR, de ajuste. 
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No presente caso: 
n = 8 
Para VR = 270 V, da curva de excitação do TC (figura a seguir), 
tem-se Ie = 0,056 A 
 
Figura 11.8 – 
 
Por outro lado, segundo o fabricante, a impedância da unidade 87L é de 
2600Ω. Logo, a corrente IR na unidade 87L do relé, para a tensão de ajuste VR.= 
270 V será ==
2600
270IR 0,10385 A 
 
• Com VR.= 270 V, tira-se da curva característica Volt-Ampere do thyrite do relé 
PVD: : IT = 0,2 [A] 
 20Figura 11.9 – 
 
Assim, a mínima corrente que a unidade 87L necessita para operar será 
Imin = (8 x 0,056 + 0,10385 + 0,2) x 400 = 300 A 
 
Esta é a corrente mínima que o relé necessita para operar com 270 V. Assim, 
havendo uma falha na barra, o sistema deve fornecer, no mínimo este valor de 
corrente. 
 
OBS.: Esta corrente mínima, Imin, que a unidade 87L requer para operar deve ser 
comparada com a mínima corrente de falha, na barra, que o sistema fornece. Caso 
esta última seja MENOR que Imin, o relé não poderá ser usado. 
Como o cálculo de curto só forneceu valores máximos de correntes, no 
presente exemplo, não teremos condições de fazermos esta comparação. 
A unidade 87L, assim ajustada, deverá operar para falhas internas. Neste caso, 
a tensão gerada nos seus terminais, é superior a 270 V. 
 
 
Ajuste da Unidade 87H 
 
Para falhas externas, o THYRITE fica submetido a uma tensão provocada por 
uma corrente “deslocada” (devido à componente DC), que circula pela resistência 
dos enrolamentos secundários e condutores do TC saturado. 
Devido a essa componente DC, a corrente “deslocada” decairá em poucos ciclos, 
mas como a atuação da “87H” é muito rápida, o efeito do 1o ciclo deverá ser 
considerado para o cálculo do ajuste. Para este cálculo, usa-se a curva a seguir: 
 
Para VR = 270 V → o ajuste da unidade será 4,7 A 
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Figura 11.10 – 
 
RESUMO DOS AJUSTES: 
RTC AJUSTES 
1000/25 Unidade 87L Unidade 87H
 270 V 4, 7 A 
 
 
Tipos de Relés Usados na Proteção Diferencial de Barras em Uso, no Sistema 
Interligado 
 
 
• Relé PVD (GE) – FURNAS, LIGHT-RR, ELETROPAULO, ESCELSA, CEMIG CERJ E 
CPFL. 
• Relé CA-16 (WECO) – ESCELSA e CEB. 
• Relés CO-2 (WECO) – LIGHT-Rio. 
• Relés IFD (GE) – CEMIG 
• Relés eletro-mecânicos Brown Boveri – CESP e FURNAS 
• Relés Eletrônicos Brown Boveri – CEMIG 
• Relés RN 23a (Siemens) – CESP e CEMIG 
• Relés CAG34 (English Eletric) – CESP e LIGHT-Rio