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Direitos Reservados: Virtus Consultoria e Serviços S/C Ltda. Autor: Paulo Koiti Maezono Total de Páginas 108 j.X0 Circuito Equivalente de Sequência Zero 3i0 i0 i0 i0 i0 i0 i0 a b c N1.i0 = N1.i0 N1 N1 3i0 PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS PROTEÇÃO DE TRANFORMADOR DE POTÊNCIA EM DERIVAÇÃO E PROTEÇÃO EM CABINE PRIMÁRIA Edição 1 - 2003 PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS – TRANSFORMADORES E CABINES Introdução e índice 2 de 108 SOBRE O AUTOR Eng. Paulo Koiti Maezono Formação Graduado em engenharia elétrica pela Escola Politécnica da Universidade de São Paulo em 1969. Mestre em Engenharia em 1978, pela Escola Federal de Engenharia de Itajubá, com os créditos obtidos em 1974 através do Power Technology Course do P.T.I – em Schenectady, USA. Estágio em Sistemas Digitais de Supervisão, Controle e Proteção em 1997, na Toshiba Co. e EPDC – Electric Power Development Co. de Tokyo – Japão. Engenharia Elétrica Foi empregado da CESP – Companhia Energética de São Paulo no período de 1970 a 1997, com atividades de operação e manutenção nas áreas de Proteção de Sistemas Elétricos, Supervisão e Automação de Subestações, Supervisão e Controle de Centros de Operação e Medição de Controle e Faturamento. Participou de atividades de grupos de trabalho do ex GCOI, na área de proteção, com ênfase em análise de perturbações e metodologias estatísticas de avaliação de desempenho. Atualmente é consultor e sócio gerente da Virtus Consultoria e Serviços S/C Ltda. em São Paulo – SP. A Virtus tem como clientes empresas concessionárias no Brasil e na Colômbia, empresas projetistas na área de Transmissão de Energia, fabricantes e fornecedores de sistemas de proteção, controle e supervisão, Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, CEDIS – Instituto Presbiteriano Mackenzie. Área Acadêmica Foi professor na Escola de Engenharia e na Faculdade de Tecnologia da Universidade Presbiteriana Mackenzie no período de 1972 a 1987. É colaborador na área de educação continuada da mesma universidade, de 1972 até a presente data. É colaborador do Departamento de Engenharia de Energia e Automação Elétricas da EPUSP – Escola Politécnica da Universidade de São Paulo, desde 1999 até o presente, com participação no atendimento a projetos especiais da Aneel, Eletrobrás e Concessionárias de Serviços de Eletricidade. PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS – TRANSFORMADORES E CABINES Introdução e índice 3 de 108 INDICE 1. SISTEMAS INDUSTRIAIS.....................................................................................................................................6 1.1 INTRODUÇÃO.................................................................................................................................................6 1.2 ALTA TENSÃO................................................................................................................................................6 1.3 MÉDIA TENSÃO .............................................................................................................................................7 1.3.1 Painéis de Média Tensão ..............................................................................................................................8 1.3.2 Cabines de Entrada e Medição .....................................................................................................................9 1.4 CONTEXTO....................................................................................................................................................10 1.4.1 Proteção de Transformadores de Potência.................................................................................................10 1.4.2 Proteção de “Cabines Primárias”..............................................................................................................10 1.5 ATERRAMENTO DE SISTEMA ...................................................................................................................11 1.5.1 Sistema Isolado ...........................................................................................................................................11 1.5.2 Sistema Aterrado por Resistência ...............................................................................................................12 1.5.3 Sistema Aterrado por Reatância .................................................................................................................12 1.5.4 Sistema Solidamente Aterrado ....................................................................................................................13 1.5.5 Métodos de Aterramento de um Sistema Isolado ........................................................................................13 2. INTRODUÇÃO A TRANSFORMADORES .......................................................................................................15 2.1 IMPEDÂNCIA PERCENTUAL .....................................................................................................................15 2.2 POLARIDADE................................................................................................................................................19 2.3 CONEXÃO TRIÂNGULO – ESTRELA DE TRANSFORMADOR TRIFÁSICO OU DE BANCO DE TRANSFORMADORES..............................................................................................................................................20 3. FUNÇÕES DE PROTEÇÃO.................................................................................................................................23 3.1 FUNÇÃO DIFERENCIAL..............................................................................................................................24 3.1.1 Finalidade e Enfoque ..................................................................................................................................24 3.1.2 Princípios e Requisitos da Proteção Diferencial ........................................................................................24 3.1.3 Tipos Básicos de Função Diferencial .........................................................................................................25 3.1.4 Proteção de Transformador (87T) – Conexões e Polaridades....................................................................28 3.1.5 Corrente de Magnetização Transitória e a Proteção Diferencial de Transformador.................................33 3.1.6 Sobrefluxo no núcleo do transformador devido a sobretensão ...................................................................35 3.1.7 Configurações de Barras e Alternativas de uso de TC’s.............................................................................36 3.1.8 Diretrizes de Ajustes para Proteção Diferencial de Transformador ..........................................................39 3.2 FUNÇÃO TERRA RESTRITA .......................................................................................................................42 3.2.1 Finalidade e Enfoque ..................................................................................................................................42 3.2.2 Conexões e Polaridades ..............................................................................................................................42 3.2.3 Princípios Utilizados...................................................................................................................................45 3.2.4 Diretrizes de Ajustes para Proteção Terra Restrita....................................................................................463.3 FUNÇÃO DE CORRENTE DE FUGA PARA TANQUE ISOLADO ............................................................47 3.3.1 Finalidade e Enfoque ..................................................................................................................................47 3.3.2 Conexões .....................................................................................................................................................48 3.4 FUNÇÃO DE SOBRECORRENTE................................................................................................................48 3.4.1 Finalidade e Enfoque ..................................................................................................................................48 3.4.2 Relés de Sobrecorrente e Características ...................................................................................................48 3.4.3 Funções de Sobrecorrente em Relés Digitais..............................................................................................51 3.4.4 Conexão dos TC’s – Proteção Convencional..............................................................................................52 3.4.5 Conexão dos TC’s – Proteção Digital ........................................................................................................53 3.4.6 TC de Neutro – Corrente de Terra no Neutro.............................................................................................54 3.4.7 Condições de Atuação para a Função de Sobrecorrente............................................................................55 3.4.8 Sensibilidade das Funções de Sobrecorrente de Fase e de Terra...............................................................56 3.4.9 Diretrizes de Ajustes para Transformadores de Potência em Derivação ..................................................56 PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS – TRANSFORMADORES E CABINES Introdução e índice 4 de 108 3.5 FUNÇÃO DE SEQUÊNCIA NEGATIVA......................................................................................................62 3.5.1 Objetivo.......................................................................................................................................................62 3.5.2 Utilização para Transformador ..................................................................................................................63 3.5.3 Diretrizes de Ajustes para a Função...........................................................................................................63 3.6 FUNÇÃO DE SOBRECARGA TÉRMICA ....................................................................................................64 3.6.1 Relés Térmicos de Tecnologia Eletromecânica ..........................................................................................64 3.6.2 Modernas Proteções Digitais......................................................................................................................65 3.6.3 Exemplo: Proteções Siemens ......................................................................................................................65 3.7 FUNÇÃO “COLD LOAD PICKUP”...............................................................................................................69 4. FILOSOFIA DE PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA................................................71 4.1 ÁREA DE ABRANGÊNCIA DA PROTEÇÃO DIFERENCIAL ...................................................................71 4.1.1 Proteção Ampla...........................................................................................................................................71 4.1.2 Proteção Curta............................................................................................................................................71 4.2 ESQUEMAS COM RELÉS CONVENCIONAIS ELETROMECÂNICOS OU ESTÁTICOS .......................71 4.2.1 Para Transformadores em Geral ................................................................................................................71 4.2.2 Para Sistemas de Extra Alta Tensão ...........................................................................................................72 4.3 ESQUEMAS COM RELÉS DIGITAIS...........................................................................................................72 4.3.1 Para Transformadores em Geral ................................................................................................................72 4.3.2 Funções e Facilidades Adicionais em Relés Digitais..................................................................................74 5. PROTEÇÃO POR RELÉS E DISJUNTOR EM PAINÉL DE MT...................................................................75 5.1 FUNÇÃO DE SOBRECORRENTE................................................................................................................75 5.1.1 Finalidade e Enfoque ..................................................................................................................................75 5.1.2 Relés de Sobrecorrente e Características ...................................................................................................75 5.1.3 Funções de Sobrecorrente em Relés Digitais..............................................................................................75 5.1.4 Conexão dos TC’s – Proteção Convencional..............................................................................................75 5.1.5 Conexão dos TC’s – Proteção Digital ........................................................................................................75 5.1.6 Condições para a Função de Sobrecorrente de Fase .................................................................................76 5.1.7 Condições para a Função de Sobrecorrente de Terra em Sistema Solidamente Aterrado. ........................76 5.1.8 Condição para a Função de Sobrecorrente de Terra em Sistema Aterrado por Resistência .....................77 5.2 FUNÇÃO DE SEQUÊNCIA NEGATIVA......................................................................................................78 5.3 FUNÇÃO DE SOBRECARGA TÉRMICA ....................................................................................................78 5.4 FUNÇÃO 59N DE TENSÃO RESIDUAL PARA SISTEMAS ISOLADOS OU ATERRADOS ATRAVÉS DE ALTA IMPEDÂNCIA............................................................................................................................................79 5.5 ESQUEMAS PROTEÇÃO..............................................................................................................................80 5.5.1 Circuito com Transformadores de Força e Iluminação..............................................................................80 5.5.2 Motores e Geradores...................................................................................................................................80 6. EXEMPLO DE AJUSTES E SELELTIVIDADE PARA TRANSFORMADOR EM DERIVAÇÃO ............81 6.1 DADOS DO TRANSFORMADOR E DA SUBESTAÇÃO............................................................................81 6.2 DADOS DA PROTEÇÃO...............................................................................................................................82 6.3 CÁLCULO DE CURTO-CIRCUITO..............................................................................................................83 6.3.1 Valores de Impedâncias do Sistema que Alimenta a Subestação................................................................83 6.3.2 Cálculo da Impedância (Reatância) do Transformador .............................................................................83 6.3.3 Cálculo do Curto Circuito Fase-Terra no Lado 13,8 kV do Transformador ..............................................846.3.4 Cálculo do Curto Circuito Trifásico no Lado 13,8 kV do Transformador..................................................87 6.4 CONFIGURAÇÃO DAS FUNÇÕES - RELÉ 7UT612...................................................................................88 6.5 DADOS DO SISTEMA - RELÉ 7UT612 ........................................................................................................90 6.6 FUNÇÃO DIFERENCIAL – RELÉ 7UT612 ..................................................................................................91 6.6.1 Taps de Corrente.........................................................................................................................................91 6.6.2 Parametrização da Função Diferencial......................................................................................................91 6.6.3 Corrente Diferencial (Operação) Mínima – Pickup (I-DIFF>) .................................................................92 6.6.4 Slope 1.........................................................................................................................................................92 6.6.5 Slope 2.........................................................................................................................................................93 6.6.6 Add-on Stabilization....................................................................................................................................94 PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS – TRANSFORMADORES E CABINES Introdução e índice 5 de 108 6.6.7 Pickup de Corrente sem Restrição (I-DIFF>>) .........................................................................................94 6.6.8 Bloqueio por Harmônicas ...........................................................................................................................94 6.7 FUNÇÃO REF DO ENROLAMENTO ESTRELA DA BT (RELÉ 7UT612) ..................................................95 6.8 SOBRECORRENTE DE FASE E TERRA DO LADO BT (RELÉ 7UT612) ...................................................95 6.8.1 Sobrecorrente de Fase 50/51F....................................................................................................................95 6.8.2 Sobrecorrente de Terra 50/51N ..................................................................................................................98 6.9 SOBRECORRENTE DE TERRA DO LADO NEUTRO DA BT (RELÉ 7UT612)........................................100 6.10 SEQUENCIA NEGATIVA DO LADO BT (RELÉ 7UT612) .........................................................................102 6.11 CONFIGURAÇÃO DAS FUNÇÕES - RELÉ 7SJ61 ....................................................................................103 6.12 DADOS DO SISTEMA - RELÉ 7SJ612........................................................................................................104 6.13 SOBRECORRENTE DE FASE E DE TERRA DO LADO AT (RELÉ 7SJ61)...............................................105 6.13.1 Sobrecorrente de Fase 50/51F..............................................................................................................105 6.13.2 Sobrecorrente de Terra 50/51N ............................................................................................................107 6.14 SEQUÊNCIA NEGATIVA DO LADO AT (RELÉ 7SJ61) ............................................................................108 PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Sistemas Industriais 6 de 108 1. SISTEMAS INDUSTRIAIS 1.1 INTRODUÇÃO Níveis de Tensão podem ser classificados em: - Alta Tensão (AT) com valores entre 69 kV e 230 kV, inclusive. - Média Tensão (MT) com valores entre 1 kV e 36,3 kV, inclusive. - Baixa Tensão (BT) com valores até 1 kV exclusive. Sistemas elétricos industriais podem ser, para fins de estudo, ser classificados em grandes, médios ou pequenos. A tabela a seguir mostra um sumário das características: Tamanho Tensão de Fornecimento Tarifas Subgrupos Referência: Resolução ANEEL 456/2000 Níveis de Tensão Típicos de Operação Grande AT A1 – 230 kV A2 – 88 e 138 kV A3 – 69 kV 69 kV, 88 kV, 139 kV e 230 kV Médio AT e MT A2 – 88 e 138 kV A3 – 69 kV A3a – 30 kV a 44 kV A4 – 2,3 a 25 kV AS < 2,3 kV sistema subterrâneo 4,16 kV, 6,6 kV, 13,8 kV, 23 kV e 34,5 kV Pequeno MT e BT A3a – 30 kV a 44 kV A4 – 2,3 a 25 kV AS < 2,3 kV sistema subterrâneo 220 V, 380 V, 440 V 1.2 ALTA TENSÃO A alimentação em AT implica em menor custo da energia e melhor qualidade e confiabilidade de suprimento. É utilizada, em geral, pelas áreas de Alumínio, Siderurgia, Papel e celulose e Petroquímica. Vários tipos de subestações são utilizados em AT: convencionais, compactas, blindadas em SF6 e móveis: - A convencional é a mais utilizada no Brasil, pois é a de menor curso, dependendo do locar – mas exige maior área. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Sistemas Industriais 7 de 108 - As compactas são construídas na vertical, ocupando menos espaço horizontal. - As blindadas em SF6 (GIS) têm tamanho reduzido, com menor manutenção mas com alto custo de implantação. Os equipamentos e sistemas principais em AT são: transformadores de potência, disjuntores, seccionadoras, pára-raios de potência, transformadores de instrumentos, sistemas de supervisão e controle (incluindo medição) e sistemas proteção. Equipamentos de serviço auxiliar também podem ser classificados como um conjunto principal. 1.3 MÉDIA TENSÃO A alimentação em MT implica em menor custo de aquisição da energia com relação à baixa tensão. As tensões de operação típicas são aquelas mostradas na tabela anterior e são, tipicamente, associados às seguintes áreas: kV Áreas Típicas 4,16 Mineração, química, petroquímica, papel e celulose e saneamento básico. 6,6 Cimento. 13,8 Indústria e distribuição. 22 e 23 Ferrovia e distribuição 34,5 Alumínio, papel e celulose, grandes edifícios, distribuição. Os equipamentos principais em MT são: disjuntores, contatores, seccionadoras, cabos, bancos de capacitores, transformadores de força, transformadores de instrumentos, sistemas de proteção e controle, sistemas de proteção (inclusive fusível). Além, evidentemente, motores e geradores de MT. Os contatores de MT são muito usados para motores de MT. A tabela a seguir compara disjuntor com contator: Disjuntor Contator Observação Tamanho Maior Menor 10.000 interrupções a I Nominal Exemplos: 100.000 a 350 A, 300.000 a 250 A Durabilidade 10.000 a 25.000 operações 100.000 operações Proteção Por relés Fusíveis (para CC) Relés (para sobrecarga) Fusíveis são limitados para proteção Preço Maior Menor PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Sistemas Industriais 8 de 108 As instalações principais de comando, controle e proteção em MT são: - Painéis de MT - Cabines de entrada e medição. 1.3.1 Painéis de Média Tensão Os painéis de MT que eventualmente são chamados de “cabines de MT”, podem ser classificados em: Blindados (“metal clad”) As partes condutoras são totalmente envoltas em compartimento metálico. São caracterizados por: (1) O dispositivo principal de chaveamento e de interrupção é removível, da posição conectada para desconectada e vice versa, e equipado com dispositivos primários e secundários de auto alinhamento e auto acoplamento. (2) As partes principais dos circuitos primários, isto é, chaveamento, interrupção e transformador de força, são completamente envolvidas por barreiras metálicas aterradas, sem nenhuma abertura intencional entre os compartimentos. Em especial uma barreira metálica na frente ou como parte do equipamentode interrupção para assegurar que, na posição conectada, nenhuma parte primária é exposta ao se abrir uma porta. (3) Todas as partes energizadas são envolvidas totalmente em compartimentos metálicos aterrados. (4) Barramentos condutores primários são envolvidos, em toda sua extensão, por material isolante. (5) Intertravamentos mecânicos para manobras apropriadas e seguras. (6) Instrumentos, medidores, relés de proteção e dispositivos de controle e sua fiação são isolados por barreiras metálicas aterradas de todos os circuitos primários, com exceção de curtos trechos de conexão com transformadores de instrumentos. (7) A porta através do qual o equipamento de interrupção é inserido / conectado, pode servir como painel para instrumento ou relé e pode também permitir acesso ao compartimento com partes secundárias São classificados em: − Convencionais √ Disjuntores sempre extraíveis. Guilhotinas metálicas aterradas − Centros de Controle de Motores PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Sistemas Industriais 9 de 108 √ Contatores extraíveis. Guilhotinas metálicas aterradas − Resistentes a Arco Interno. √ Segurança na operação e da instalação. Dimensões reduzidas. Complexos − Isolados a gás SF6 (GIS). √ Segurança na operação e da instalação. Dimensões reduzidas. Complexos √ Exige sistema de controle e supervisão do SF6. Não Blindados (“metal enclosed”) Montagem em painel metálico, envolvida por todos os lados e parte superior por chapas metálicas (exceto em pontos de ventilação e de inspeção), constituído de dispositivos de chaveamento e de interrupção e conexões. Pode incluir sistemas secundários de controle e proteção. O acesso ao interior é feito por portas ou dispositivos removíveis. São classificados em: − Sem compartimentação (ex.: cubículo com seccionadora). − Compartimentados (ex.: cubículo com disjuntor extraível) Convencionais Compactos − RMU (“Ring Main Unit”) – para redes em anel com terminações desconectáveis. Painéis de Uso Externo √ Não são muito utilizados, atualmente. √ Se resumem a religadores ou cubículos típicos e cabines blindadas de algumas concessionárias. 1.3.2 Cabines de Entrada e Medição Há os seguintes tipos para cabines de entrada e medição: Em Alvenaria − Compartimentos para Transformador de Força, Transformadores de instrumentos, Seccionadora, Disjuntor, Proteção do Transformador. √ Baixo custo (relativo). Grande área ocupada. Baixo nível de segurança. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Sistemas Industriais 10 de 108 √ Geralmente utiliza relés primários (bobinas ou eletrônicos). O uso de relés secundários é eventual. Com Painéis Convencionais − Compartimentos para Transformador de Força, Transformadores de instrumentos, Seccionadora, Disjuntor, Proteção do Transformador. √ Maior oferta. Grande área ocupada. √ Menor custo com relação aos compactos. √ Melhor nível de segurança com relação à Alvenaria. Com Painéis Compactos − Compartimentos para Transformador de Força, Transformadores de instrumentos, Seccionadora, Disjuntor, Proteção do Transformador. √ Menor área ocupada (1/3 com relação à Alvenaria). √ Baixa manutenção. √ Segurança de operação. 1.4 CONTEXTO É dentro desse contexto que localizamos os assuntos desta publicação. 1.4.1 Proteção de Transformadores de Potência É a proteção por relés e disjuntores de Transformadores de Potência em derivação. Isto é, transformadores em subestações de AT que alimentam sistemas industriais. Neste caso, as proteções estão geralmente constituídas em Painéis de Proteção que podem ou não ser integradas a Controle e Medição. 1.4.2 Proteção de “Cabines Primárias” Apesar da terminologia simplificada como “cabine primária”, é a descrição genérica do sistema de proteção por relés e disjuntores incorporados em Painéis de MT (blindados ou não) alimentando motores ou transformadores MT/BT através de cabos. Também são considerados os Painéis de MT relacionados a geradores. Na presente apostila, será feita uma descrição da proteção genérica incorporada a Painel de MT suprindo energia para transformadores como cargas primárias. Para painéis de MT conectados diretamente a motores e geradores, há apostilas separadas para proteção de Motores e de Geradores. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Sistemas Industriais 11 de 108 1.5 ATERRAMENTO DE SISTEMA Mostra-se neste item os tipos mais usados de aterramento utilizados em sistemas industrias. Inclui-se também o caso de sistema isolado. 1.5.1 Sistema Isolado É um sistema onde não há ponto de terra através de neutro. Neste caso, quando uma fase vai à terra (curto-circuito), a única corrente que aparece é decorrente de capacitâncias do sistema (geralmente de cabos) que pode variar de miliampères a poucos ampères. A carga é sempre ligada entre fases, fazendo uso da tensão de linha. A carga não é interrompida quando uma das fases de um sistema isolado vai a terra. A figura a seguir ilustra um sistema isolado com curto circuito fase-terra: Fonte Sistema Isolado Corrente de Terra devido Capacitâncias VB VA VC VB VA = 0 VC VB VC VA Operação Normal CC Fase-Terra Figura 1.01 – Sistema Isolado. Curto-circuito de uma fase à terra. Nestas condições, são mantidas inalteradas as tensões de linha (fase-fase), não havendo diferença para a carga ligada. Mas, há deslocamento do neutro, como mostrado. As tensões Fase – Neutro sofrem alterações. As fases não afetadas têm seu valor aumentado em 3 vezes. Portanto, para a especificação de isolação fase – neutro de sistema isolado adota-se a tensão de linha. A corrente que surge é decorrente dos campos elétricos existentes, expressos através das respectivas capacitâncias à terra. Geralmente, um relé de proteção não detecta essa corrente, quando é pequena demais. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Sistemas Industriais 12 de 108 1.5.2 Sistema Aterrado por Resistência É um sistema onde se provê ponto de terra através de neutro, para que haja corrente de terra quando de curto-circuito fase-terra, viabilizando o uso de proteção de sobrecorrente. Em sistemas industriais é comum o uso de resistências para aterramento, limitando a corrente numa faixa entre 5 e 20% da corrente de curto-circuito trifásico desse mesmo sistema. Usado em sistemas industriais de média tensão. Neste caso, quando uma fase vai à terra (curto-circuito), aparecem não apenas as decorrentes de capacitâncias do sistema, como também devido ao aterramento, como mostra a figura a seguir: Fonte Sistema Aterrado por Resistência VB VA VC VB VA = 0 VC VB VC VA Operação Normal CC Fase-Terra Figura 1.02 – Sistema Aterrado por Resistência. Curto-circuito de uma fase à terra. As tensões de linha (fase-fase) e de fase (fase-neutro) são alteradas. Há deslocamento do neutro, como mostrado, menor que o caso de sistema isolado. A corrente que tem condição de acionar uma função de sobrecorrente para fins de proteção. 1.5.3 Sistema Aterrado por Reatância Há também sistemas que são aterrados através de reatâncias moderadas, mas é mais usado em BT – Baixa Tensão. A reatância para aterramento em MT – Média Tensão para limitar a corrente de terra não é, geralmente, utilizada devido a problemas de transitórios de tensão que podem ser muito altos. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Sistemas Industriais 13 de 108 1.5.4 Sistema Solidamente Aterrado É um sistema onde se provê ponto de terra através de neutro solidamente aterrado, para que haja plena corrente de terra quando de curto-circuito fase-terra, viabilizando aindamais o uso de proteção de sobrecorrente. Utilizado, geralmente, em sistemas de distribuição de energia elétrica, com longas extensões onde a corrente de terra é essencial para detectar falta à terra. A figura a seguir mostra o caso: Fonte Sistema Solidadmente Aterrado VB VA VC VB VA = 0 VC VB VC Operação Normal CC Fase-Terra VA Figura 1.03 – Sistema Solidamente Aterrado. Curto-circuito de uma fase à terra. Neste caso, se o curto-circuito é rígido, não há deslocamento de neutro. A corrente de terra será a máxima possível para a configuração, limitada pelas impedâncias do sistema elétrico e dos equipamentos no caminho da corrente. 1.5.5 Métodos de Aterramento de um Sistema Isolado As vezes o transformador supridor tem conexão delta no lado da carga, configurando um sistema isolado, mas pode-se desejar que haja fonte de terra no sistema para viabilizar proteção para faltas a terra. Será visto, posteriormente, que num sistema isolado, pode-se detectar uma falta fase-terra com muita facilidade, mas não se pode detectar com facilidade o local da ocorrência dessa falta. Assim sendo o aterramento pode-se tornar necessário. Há, basicamente, dois modos de fornecer ponto de terra para um sistema: PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Sistemas Industriais 14 de 108 Através do uso de um transformador de aterramento, com enrolamento em estrela aterrada (por resistência) conectada na barra, com secundário em delta para permitir compensação de ampères-espiras para correntes de terra. Através do uso de um transformador ZigZag. As figuras a seguir ilustram esses métodos. Fonte Sistema aterrado por resistência VB VC VA Transformador de Aterramento Figura 1.04 – Método de Aterramento usando Transformador de Aterramento. Fonte Sistema aterrado por resistência VB VC VA Transformador ZigZag Figura 1.05 – Método de Aterramento usando Transformador ZigZag. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Introdução a Transformadores 15 de 108 2. INTRODUÇÃO A TRANSFORMADORES 2.1 IMPEDÂNCIA PERCENTUAL A impedância de um transformador de potência (> 5000 kVA) pode ser representada apenas por uma reatância indutiva, desprezando as perdas e desprezando o ramo de magnetização. Do modelo abaixo: R1 j X1 R2 j X2 R p j Xm N1:N2 Ideal V1 V2 e1 e2 iperda imag I1 I2 iexc+I1 Figura 2.01 – Modelo Matemático de Transformador São desprezadas: R1 = que representa as perdas por calor no enrolamento 1 R2 = que representa as perdas por calor no enrolamento 2 Rp = que representa as perdas por calor no núcleo E considerada Xm = ∞ (corrente de magnetização desprezível). São levadas em consideração as reatâncias: j.X1 = que representa o fluxo disperso no enrolamento primário j.X2 = que representa o fluxo disperso no enrolamento secundário Pode-se ter então uma representação Simplificada: j (X1+[N1/N2] 2.X2) N1:N2 Ideal Figura 2.02 – Circuito Equivalente Simplificado, visto do Lado Primário PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Introdução a Transformadores 16 de 108 Ou, visto do outro lado: j (X2+[N2/N1] 2.X1) N1:N2 Ideal Figura 2.03 – Circuito Equivalente Simplificado, visto do Lado Secundário Ensaio de curto-circuito As reatâncias indicadas anteriormente podem ser medidas através do ensaio de curto- circuito como o mostrado na figura a seguir. TRAFO TRIFÁSICO CURTO- CIRCUITO Icc2Icc1 FONTE TRIFÁSICA Figura 2.04 – Ensaio de curto-circuito em transformador trifásico Neste ensaio, aplica-se uma tensão Vcc1 para que se tenha corrente nominal do transformador, isto é: Icc1 = Inom 1 e Icc2 = Inom 2 PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Introdução a Transformadores 17 de 108 j (X1+[N1/N2]2.X2) N1:N2 Ideal Icc1 Icc2 Curto- circuitoVcc1 Figura 2.05 – Ensaio de curto-circuito pelo lado primário Xcc1 = [X1 + (N1/N2)2.X2] = 1 3 1 Inom Vcc ohms (visto do lado 1) Caso o ensaio de curto-circuito seja feito pelo outro lado do Transformador, teríamos: j (X2+[N2/N1] 2.X1 ) N1:N2 Ideal Icc1 Icc2Curto-circuito Vcc2 Figura 2.06 – Ensaio de curto-circuito pelo lado secundário Xcc2 = [X2 + (N2/N1)2.X1] = 2 3 2 Inom Vcc ohms (visto do lado 2) Valor Percentual da Reatância Nota-se que os valores Xcc1 e Xcc2 são valores em ohms, numericamente diferentes. Ambos representam a impedância de dispersão total do transformador, referidos a lados diferentes. Para se evitar dois valores, a impedância do transformador é indicada em valor PERCENTUAL (%). Este valor (%) é único para o transformador de dois enrolamentos, independente do lado. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Introdução a Transformadores 18 de 108 Todo valor percentual tem como referência uma BASE. Neste caso, esta base dever ter a dimensão de impedância (ohms). Para um transformador, toma-se como BASE seus valores nominais. Assim, Zbase = kVnominal 2 / MVAnominal (ohms) Zbase(lado1) = kV1 2/MVAnominal = [ (Vnom1 / 3 ) / Inom1] Zbase(lado2) = kV2 2/MVAnominal = [ (Vnom2 / 3 ) / Inom2] E os valores Xcc1 e Xcc2 podem ser calculados, agora, com relação às respectivas bases: Xcc1 (%) = [ Xcc1 (ohms) / Zbase1 ] x 100 % Xcc2 (%) = [ Xcc2 (ohms) / Zbase2 ] x 100 % Pode-se provar que: Xcc1 (%) = Xcc2 (%) valor percentual da impedância do transformador. ( ) 1 31)1/2( 10011/2 1 31 1001 1 100)(1(%)1 2 2 Inom VnomxNN xxXccNN Inom Vnom xXcc Zbase xohmsXccXcc === = (%)2 3.2/2 1002 1.3).2/1( 1).1/2( 1002 Xcc InomVnom xXcc InomNN VnomNN xXcc === Diagrama de Impedância do Transformador em p.u. Finalmente, como Xcc1 (%) = Xcc2 (%), pode-se representar um transformador de dois enrolamentos através da sua impedância percentual (ou p.u. = % / 100): j X (% ou pu) Figura 2.07 – Circuito Equivalente de Transformador de Potência de Dois Enrolamentos PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Introdução a Transformadores 19 de 108 O modelo vale para transformadores de potência. Para transformadores de menor potência (transformadores industriais e de distribuição), não se pode desprezar o valor da resistência. Então, o modelo será: R (pu ou %) j X (pu ou %) Figura 2.08 – Circuito Equivalente de Transformador de Distribuição de Dois Enrolamentos 2.2 POLARIDADE É a marcação (uma marca ou uma identificação padronizada) que mostra a referência (modo de enrolar) daquele enrolamento. Por exemplo: H1 H2 Y1 Y2 Figura 2.09 – Exemplos de identificação de polaridades Considerando uma condição de carga, se a corrente em um dado instante entra pela polaridade do enrolamento do lado da fonte, nesse mesmo instante a corrente do enrolamento do lado da carga estará saindo pela polaridade. É a tradução prática do conceito visto de compensação de ampères - espiras. Quando num transformador, não se conhece (ou se deseja confirmar) as polaridades dos enrolamentos, se faz o teste da polaridade: PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Introdução a Transformadores 20 de 108 V V1 V2 Transformador sob ensaio Figura 2.10 – Esquema básico de teste de polaridade Na figura acima, o voltímetro pode indicar o resultado de V1 + V2 ou o resultado de V1 – V2, e assim pode-se determinar as polaridades: Transformador sob ensaio Transformador sob ensaio V1 V2 Polaridade “aditiva” Polaridade “subtrativa” V1 V2 Figura 2.11– Resultados possíveis do teste de polaridade 2.3 CONEXÃO TRIÂNGULO – ESTRELA DE TRANSFORMADOR TRIFÁSICO OU DE BANCO DE TRANSFORMADORES Exemplo com defasamento de + 30 graus, com o lado estrela adiantado com relação ao lado delta (conexão Dy11 ou Yd1). Fisicamente as fases são conectadas conforme a figura a seguir. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Introdução a Transformadores 21 de 108 A B C a c b A B C b = (B - A) a = (A - C) c = (C - B) Esquematicamente: Figura 2.12 – Conexão estrela - triângulo Com base nas conexões físicas mostradas, pode-se compor o diagrama vetorial das tensões de linha de ambos os lados: A B C a b c +30o Figura 2.13 – Vetores de tensões de linha para conexão estrela - triângulo PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Introdução a Transformadores 22 de 108 O mesmo transformador, com outras indicações de fases no lado triângulo, mantendo as indicações no lado estrela, permitiria outras possibilidades de defasamento, conforme mostra a tabela e figura a seguir: Alternativa Defasamento (Lado Estrela com relação ao Lado Delta 1 (a-c) + 30 graus 2 + 150 graus 3 - 90 graus A B C a b c a b c a b c Alternativa 123 Figura 2.14 – Alternativas de identificação do lado delta Mudando a conexão para – 30 graus, ao invés dos + 30 graus mostrados, haveria três outras possibilidades de defasamento, como mostrado a seguir: Alternativa invertendo o Delta Defasamento (Lado Estrela com relação ao Lado Delta 1 - 30 graus 2 - 150 graus 3 + 90 graus PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 23 de 108 3. FUNÇÕES DE PROTEÇÃO Transformadores de potência possuem as chamadas proteções intrínsecas, que vêm configuradas de fábrica. A configuração pode variar com o fabricante e a potência, mas em geral incluem: • Relés Buchholz para cada tanque. • Imagem térmica para cada tanque. • Termômetros para cada enrolamento. • Termômetros de óleo para cada tanque. • Nível de óleo para cada tanque de expansão. • Sensor de ruptura da membrana / bolsa de cada tanque de expansão Comutadores de Transformadores • Termômetros de óleo. • Sensores de pressão. Não é objetivo deste curso a apresentação dessas proteções intrínsecas. Por outro lado, existem as chamadas proteções por relés que atuam sobre disjuntores. Utilizam-se proteções que podem ser configuradas conforme filosofia e esquema de proteção desejada. As funções de proteção relacionadas com a proteção de transformadores e reatores estão mostradas nos itens seguintes. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 24 de 108 3.1 FUNÇÃO DIFERENCIAL 3.1.1 Finalidade e Enfoque Uma proteção diferencial ou uma função diferencial tem a finalidade de detectar curto- circuito na sua área de supervisão, área essa que fica entre os TC’s que adquirem as correntes medidas pela proteção, e prover imediato desligamento do equipamento protegido quando da atuação. Essa proteção é inerentemente seletiva, isto é, a seletividade é obtida pela própria concepção e não através de temporizações ou graduações de corrente. Assim sendo, seu tempo de atuação pode e deve ser o menor possível, sem temporização intencional. A proteção diferencial não tem a finalidade de detectar faltas internas insipientes, do tipo “arcing faults”, que podem ocorrer no transformador. Essas faltas são detectadas por algumas das proteções intrínsecas do equipamento, mas em geral são detectadas por técnicas de manutenção preditiva (análise periódica de óleo mineral isolante). 3.1.2 Princípios e Requisitos da Proteção Diferencial Como o próprio nome indica, seu princípio de funcionamento baseia-se na comparação entre grandezas (ou composição de grandezas) que entram no circuito protegido e grandezas de mesma natureza que saem do circuito protegido. Equipamento, Máquina, Barra ou Circuito Protegido Grandezas ou composição de grandezas que ENTRAM Grandezas ou composição de grandezas que SAEM Função DIFERENCIAL Comparação das Grandezas segundo critério estabelecido pelo princípio de medição Dentro de uma mesma SE: - Cabos de cobre - Fibra óptica Entre Subestações: - OPLAT - Microondas (rádio) - Fibra óptica / dielétrico - Fio Piloto - OPGW Figura 3.01 – Princípio da Proteção Diferencial No caso de se apurar diferença entre grandezas comparadas, descontando-se os aspectos esperados das condições de contorno como erros de TC´s, defasamentos angulares e diferenças de potencial entre os lados comparados, pode-se concluir quanto à existência de anormalidade no componente protegido. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 25 de 108 A função DIFERENCIAL é utilizada na proteção de transformadores, equipamentos de compensação reativa, máquinas rotativas, sistemas de barramentos, cabos e linhas de transmissão. Requisitos de uma Proteção Diferencial Os seguintes são os requisitos básicos de qualquer proteção diferencial: • Deve considerar os efeitos de erros de precisão nos TC’s e TC’s auxiliares utilizados para conexão da proteção. • Deve manter a estabilidade (não atuar) para curto-circuito externo à área protegida, mesmo com saturação de TC. • Deve manter a estabilidade para correntes de magnetização transitória (energização) quanto aplica a transformadores de potência. • Deve ter rápida atuação para curto-circuito interno, mesmo para aquelas faltas de baixa corrente. 3.1.3 Tipos Básicos de Função Diferencial Dois tipos de proteção diferencial são, geralmente, utilizados para proteção de transformadores de potência e reatores em derivação, para sistemas elétricos de potência: Diferencial Percentual O chamado princípio “diferencial percentual” tem a finalidade de permitir uma proteção sensível para curtos-circuitos internos à área protegida, apresentando, ao mesmo tempo, uma boa estabilidade para curtos-circuitos externos, mesmo com erros de transformação nos TC’s (em condição de curto pode chegar a 10% cada TC para correntes elevadas) e até com certo grau de saturação de TC. O princípio está ilustrado na figura a seguir: Carga ou Curto Externo Equipamento ou Área Protegida IA IB ID BA IIstrição +=Re ( )∑ += BA IIOperação rr o 2 BA IIou += Figura 3.02 – Diferencial Percentual PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 26 de 108 Por exemplo num relé eletromecânico, as correntes |IA| + |IB| nas bobinas de restrição (r) tendem a RESTRINGIR a atuação do relé. A corrente diferencial (IA + IB) pela bobina de operação (o) tende a OPERAR o relé e é ajustado num valor percentual com relação à restrição. Para um curto externo, com grande corrente diferencial, a restrição também seria grande, com o valor percentual da corrente diferencial não atingindo o valor de atuação. Para um curto interno, a restrição continuaria grande, mas percentualmente a corrente diferencial seria grande, e a proteção atuaria. Esse princípio que era tradicionalmente implementado para as proteções eletromecânicas e estáticas, continua sendo implementado também para as proteções de tecnologia digital. IRESTR IOPER = IDIFER ID MÍNIMA Área de Restrição Área de Operação Tecnologia Convencional ID MÍNIMA Área de Restrição Área de Operação Tecnologia Digital BA II + |||| BA II + Figura 3.03 – Característica da Proteção Diferencial Percentual Num relé digital, compara-se através de algoritmos, a soma dos módulos da corrente como grandeza de restrição e o módulo dasoma das correntes como grandeza diferencial. Muitas implementações podem ser feitas através dos algoritmos e filtragens, buscando sempre a estabilidade para curtos externos e sensibilidade para curtos internos ao equipamento protegido. Numa proteção digital também é possível alterar a inclinação da característica percentual para correntes maiores, permitindo maior sensibilidade para correntes menores (menos erro nos TC’s). As proteções das séries 7UT51 e 7UT61 têm funções baseadas no princípio percentual. Diferencial de Alta Impedância A chamada proteção de “alta impedância” é indicada para barras e equipamentos com TC’s onde não há transformação de tensão. É aplicada onde há possibilidade de saturação completa de TC e se deseja, mesmo assim, estabilidade da proteção diferencial para curto- circuito externo à área protegida. Seu princípio de funcionamento se baseia nas seguintes premissas: • Quando um TC está totalmente saturado, o seu circuito secundário pode ser representado por um valor resistivo, sem imposição de corrente pelo seu lado primário. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 27 de 108 • A corrente diferencial resultante da situação percorre o circuito diferencial e também o circuito secundário desse TC saturado. Nessas condições, haveria uma divisão de corrente, em circuitos resistivos. A figura a seguir ilustra o mencionado: Secundário de TC totalmente Saturado R do secundário do TC ∆V R Ajustável ID EXEMPLO 1 EXEMPLO 2 ∆V ID Secundário de TC totalmente Saturado R do secundário do TC Divisor de corrente CURTO EXTERNO R Ajustável Figura 3.04 – Princípio da Proteção de Alta Impedância Instala-se uma resistência ajustável no circuito diferencial, de modo que a tensão através desse circuito diferencial (resistência + relé) tenha um determinado valor para um TC totalmente saturado como mostrado na figura. Se a proteção for ajustada para operar com valor > ∆V, então ela será estável para curto externo, mesmo com um TC totalmente saturado. Para ajuste dessa proteção há necessidade de se conhecer: • Valor das resistências dos cabos secundários dos TC’s até a proteção (adota-se a maior resistência). • Valor da resistência do secundário do TC (valor de fábrica). PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 28 de 108 Para curto interno à área protegida, a possibilidade de saturação de TC é pequena. Então haverá grande corrente diferencial e a tensão será sempre maior que o ∆V ajustado. O circuito diferencial é mostrado na figura a seguir: R RAJUSTÁVEL Relé RLIMITADORA Não Linear Figura 3.05 – Circuito Diferencial de Alta Impedância A finalidade da resistência não linear, em paralelo com o circuito diferencial, é proteger o circuito quando de elevadas tensões (∆V) para curtos internos ao circuito protegido, limitando a tensão através do circuito. Nem sempre é necessária. Esse tipo de proteção é muito utilizado para proteção de barras e também de reatores ou para proteção de enrolamentos (restrita a terra). A proteção 7UT612 permite a utilização desse princípio de alta impedância através de uma entrada de corrente (I8), função essa que pode ser utilizada concomitantemente com a função diferencial percentual. 3.1.4 Proteção de Transformador (87T) – Conexões e Polaridades Para a proteção de transformadores de potência utiliza-se, basicamente, a proteção diferencial percentual (para transformadores ≥ 5.000 kVA). É o caso específico onde se comparam correntes medidas em níveis de tensão diferentes e com defasamentos introduzidos pelo tipo de conexão do transformador protegido. Portanto as correntes devem ser devidamente condicionadas antes da medição da diferença entre as correntes de um lado e do outro. Os seguintes aspectos devem ser considerados: a) As correntes primárias em ambos os lados do transformador são inversamente proporcionais aos respectivos níveis de tensão. b) Uma conexão estrela - triângulo introduz defasamento (geralmente) de + 30º ou – 30º entre as tensões do lado primário e do lado secundário. Utiliza-se TC’s acrescidos ou não de TC’s auxiliares com relações de transformação diferentes e escolhidas de tal modo que compensem a relação de transformação do transformador. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 29 de 108 Utilizam-se conexões de TC’s ou de TC’s auxiliares que compensem o defasamento introduzido pelo tipo de conexão do transformador protegido. Área Protegida A área protegida é determinada pelos TC’s que alimentam a proteção diferencial: • Proteção Diferencial Ampla – alimentada por TC’s de pedestal externos ao transformador. A área de proteção engloba o transformador em si, chaves seccionadoras e conexões externas até os TC’s. • Proteção Diferencial Curta – alimentada por TC’s das buchas do transformador protegido. A área de proteção engloba apenas o transformador em si. Estabilidade para Carga e para Curto-circuito Trifásico Externo A figura a seguir mostra um exemplo de conexão de proteção diferencial para um transformador de potência Delta / Estrela Aterrada, que leva em consideração o mencionado, analisado para o caso de carga normal ou curto-circuito trifásico externo. a b c a b c A = (a-c) B = (b-a) C = (c-b) - 30o 0o Proteção Diferencial abc abc A = (a-c) B = (b-a) C = (c-b) A = (a-c) B = (b-a) C = (c-b) Carga Normal ou Curto-Circuito Trifásico Externo Proteção Estável Tranformador de Potência TC's Auxiliares Corrige Defasamento e acerta o módulo TC's Lado BTC's Lado A Figura 3.06 – Correção de Modulo e de Ângulo antes da medição pela Proteção Diferencial PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 30 de 108 Para condição de carga normal ou curto circuito trifásico externo, as correntes que entram e saem da proteção diferencial (em cada fase) necessitam ser iguais entre si, em módulo e ângulo. Os TC’s auxiliares corrigem o defasamento angular da corrente do lado B. Tanto os TC’s principais como os TC’s auxiliares têm relações de transformação escolhidas de tal modo que o relé compara correntes iguais em condição normal de operação. Nestas condições o relé é estável para carga e para curto-circuito trifásico externo à zona de proteção. Note que a zona de proteção da proteção diferencial é delimitada pelos TC’s principais. Qualquer curto-circuito dentro da zona de proteção implicará em atuação da proteção diferencial. Confirma-se que a proteção diferencial é inerentemente seletiva, uma vez que a seletividade depende apenas da localização da falta, se dentro ou fora da área de proteção diferencial. Caso de Relés Digitais Os relés de proteção de transformadores de tecnologia digital possuem função diferencial (87T), que realizam, para cada entrada de corrente, a emulação dos TC’s auxiliares, o que permite adequar as conexões (estrela – delta ou estrela – estrela) e corrigir as relações de transformação. Isto é feito digitalmente, não havendo mais necessidade de dispositivos físicos. A vantagem é a grande flexibilidade, precisão (evita erros que podiam chegar a 10%) e economia. A figura a seguir mostra um exemplo de conexão para o relé 7UT612 para transformador Delta / Estrela Aterrada: Figura 3.07 Exemplo de Conexão para relé 7UT612 para transformador delta / estrela aterrada PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 31 de 108 Observa-se que os TC’s estão conectados em estrela aterrada e não há TC’s auxiliares. A parametrização da proteção permite que sejam informados todosos dados da conexão para que a proteção efetue, digitalmente, todas as adequações conforme conceito já mostrado. As proteções das séries 7UT51 e 7UT61 têm, adicionalmente, circuito de estabilização para caso de saturação de TC’s para curtos-circuitos externos, denominados “Add-on Stabilization”. Através de detectores de saturação de TC’s, essas proteções alteram dinamicamente a característica percentual no período em que há saturação, permitindo estabilidade para curtos externos mesmo com TC saturado. Estabilidade para Curto-circuito Fase-Terra Externo A figura a seguir mostra o mesmo transformador, com as mesmas conexões, analisado para o caso de um curto circuito fase-terra externo. Sendo a falta externa à área protegida, a proteção deve permanecer estável. a b c a b c Proteção Diferencial abc abc Curto-Circuito Fase-Terra Externo Proteção Estável Tranformador de Potência TC's Lado BTC's Lado A Figura 3.08 – TC’s Auxiliares reproduzem no lado secundário o defasamento do transformador protegido Observa-se que os TC’s auxiliares estão com polaridades e conexões exatamente iguais aos do Transformador de Potência protegido. Isso permite que, quando de um curto circuito fase-terra externo, a proteção diferencial tenha correntes iguais, em módulo e ângulo, sendo comparadas. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 32 de 108 Bloqueio para Corrente de Seqüência Zero O uso de TC’s auxiliares no lado secundário com polaridades e conexões exatamente iguais ao do transformador de potência protegido permite a estabilidade para qualquer tipo de curto-circuito externo. Essa providência pode ter um outro tipo de compreensão, quando se analisa a situação de um curto circuito fase-terra, externo, em termos de componentes simétricas. O mesmo caso anterior pode ser representado através de componentes simétricas como mostra a figura seguinte: a b c a b c Proteção Diferencial ab abc 0 + - 0+ - 0 + - + - + - + - + - + - + - + - + - + - 0 + - 0 + - 0 + - 0 +- Tem Seq. Zero Não tem Seq. Zero Tem Seq. Zero Não tem Seq. Zero Não tem Seq. Zero Figura 3.09 – A Conexão Delta dos TC’s Auxiliares Bloqueia a Seqüência Zero Observa-se em termos de componentes simétricos que, da mesma maneira que ocorre para o transformador de potência, a conexão Delta nos TC’s auxiliares é um circuito aberto para a componente de corrente de seqüência zero. No transformador de potência não há corrente de seqüência Zero do lado externo ao delta. Assim, as correntes que chegam na proteção diferencial através dos TC’s do lado A não possuem componente de seqüência zero. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 33 de 108 Portanto, deve haver um Delta nos TC’s do lado B do transformador, seja nos TC’s principais ou nos TC’s auxiliares (como na figura), para que não chegue corrente de seqüência zero na proteção diferencial pelo lado B – caso contrário, não haveria estabilidade para a proteção diferencial para curtos à terra externos ao transformador. Regra Prática: • No lado Delta do Transformador de Potência, os TC’s devem ser conectados em estrela aterrada. • No lado Estrela Aterrada do Transformador de Potência: Tem que haver uma conexão Delta no circuito dos TC’s. Regra Prática: • Seja através dos TC’s principais ou através dos TC’s auxiliares, deve-se representar no circuito dos TC’s (lado secundário – cablagem) a mesma conexão com as mesmas polaridades do Transformador de Potência protegido (lado primário – potência). Proteções Digitais Para relés de tecnologia digital, todo esse bloqueio é feito digitalmente, de modo que grandezas equivalentes de ambos os lados sejam comparadas na função diferencial. Como já mencionado, basta que sejam informados todos os dados da instalação para que a proteção faça a necessária adequação. 3.1.5 Corrente de Magnetização Transitória e a Proteção Diferencial de Transformador É um fenômeno transitório para acomodação do campo magnético no núcleo do transformador, da condição estável “antes” para a condição estável “depois”. Surgem altas correntes de magnetização quando da energização, com intensidades diferentes nas três fases. Há elevada corrente de magnetização transitória (“inrush”) no lado da energização, sem respectiva corrente nos demais enrolamentos. Duas causas devem ser consideradas para o fenômeno do “inrush”: • O aparecimento da componente DC devido a chaveamento de circuito indutivo. • A existência de fluxo remanente no núcleo do transformador. Se a fase for fechada quando teoricamente a corrente está passando por zero, não há deslocamento DC para esta fase, sendo que a forma de onda da corrente de magnetização segue seu curso normal. Se, entretanto, o fechamento da fase é fora deste instante, ocorrerá deslocamento da corrente no eixo vertical para acomodar a situação. Isto é, aparece componente DC. E o deslocamento do eixo da corrente pode levar a saturação do núcleo Adicionalmente, o núcleo do transformador possui um Fluxo Residual que é o fluxo que permanece (“imantado”) quando a corrente de magnetização vai a zero, quando da PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 34 de 108 desenergização. Quando da nova energização, ocorre também acomodação da densidade de fluxo B, partindo do fluxo residual. Então, o aparecimento da componente DC associado à acomodação do fluxo devido ao fluxo residual faz com que haja intensa corrente de magnetização transitória, cuja forma de onda típica é mostrada na figura a seguir. Figura 3.10 – Característica da corrente de magnetização transitória Para a proteção diferencial de tecnologia digital, principalmente a componente de 2ª. harmônica pode ser detectada e medida, sendo utilizadas tanto para bloqueio da função diferencial (“bloqueio por harmônicas”) ou para reforço no circuito de restrição da proteção diferencial percentual (“restrição por harmônicas”), dependendo do modelo ou fabricante do relé. A corrente de segunda harmônica varia entre 50 e 70% da corrente fundamental nos primeiros 1 a 7 ciclos após a energização, com sua intensidade diminuindo ao longo do tempo juntamente com a intensidade da fundamental. Também a componente de 4ª. harmônica pode ser utilizada para tanto, o que depende de cada fabricante / modelo de relé digital. Numa Proteção Diferencial Uma proteção diferencial de transformador de potência deve, portanto: • Não atuar para a corrente de magnetização transitória, cujo valor de pico pode ultrapassar 8 x I nominal. • Manter a sensibilidade para detectar curto-circuito mesmo durante a energização do transformador. Para atendimento desses requisitos, a proteção ou a função deve possuir circuitos ou algoritmos adequados. Relés eletromecânicos ou estáticos Nesses relés, os circuitos são implementados para que houvesse filtragem da corrente medida, no sentido de separar, na medida do possível e no limite da tecnologia existente, a corrente fundamental (60 Hz) das correntes de frequência elevada. As correntes filtradas de frequência elevada eram aproveitadas para restringirem a atuação da proteção diferencial percentual, reforçando o circuito de restrição do principio percentual. A corrente fundamental era levada ao circuito de operação (diferencial). PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 35 de 108 Relés de tecnologia digital Nos modernos relés digitais, a tecnologia de filtragem, tanto das harmônicas como da componente DC, já é bastante desenvolvida. Geralmente as componentesde 2ª. e 4ª. harmônicas são utilizadas para restringir ou bloquear a atuação da função diferencial nos ciclos iniciais da magnetização transitória. Restrição por harmônica: a corrente harmônica, filtrada, pode ser parametrizada para contribuir para a restrição, reforçando a corrente mostrada no eixo horizontal da Figura 3.03 anterior (princípio percentual). Bloqueio por harmônica: a corrente harmônica, filtrada é detectada a partir de certo valor ajustado. Na detecção, a proteção pode ser parametrizada para bloquear a atuação da proteção diferencial percentual naquela fase. Há opção também para “bloqueio cruzado”, isto é, a detecção de harmônica em uma fase pode ser utilizada para bloquear todas as fases, durante a existência dessa harmônica acima do limite ajustado. As proteções 7UT51 e 7UT61 possuem filtros de harmônicas para detecção de 2ª. harmônica para o processo de bloqueio, havendo condição também de se efetuar “bloqueio cruzado” se assim desejado. 3.1.6 Sobrefluxo no núcleo do transformador devido a sobretensão Quando, por motivos operacionais, um transformador de potência é submetido a uma sobretensão, haverá saturação do seu núcleo e a corrente de magnetização (elevada) terá primordialmente correntes de 3ª. e 5ª. Harmônicas. Há relés digitais que possuem filtros de 5ª. Harmônica, com possibilidade de uso dessa corrente para alarme ou bloqueio. Os relés 7UT51 e 7UT61 permitem optar entre a 3ª. e a 5ª. Harmônica. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 36 de 108 3.1.7 Configurações de Barras e Alternativas de uso de TC’s As configurações mais freqüentes para proteção diferencial de transformadores são mostradas nas figuras a seguir: 87T Relé de 02 entradas de corrente 87T Relé de 02 entradas de corrente TC auxiliar externo ou TC auxiliar “digital” incorporado Figura 3.11 – Transformador de Dois Enrolamentos Observe a conexão estrela aterrada para os TC’s do lado de Delta e conexão delta do lado de estrela aterrada do Transformador de Potência. Para relés convencionais, a necessidade ou não de TC’s auxiliares dependerá das relações de transformação dos TC’s principais. Para relés eletromecânicos esses TC’s auxiliares externos são sempre necessários. Para relés digitais, essa função é feita digitalmente, com a vantagem de reduzir erro de relação de transformação do dispositivo físico. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 37 de 108 87T Relé de 03 entradas de corrente Figura 3.12 – Transformador de Três Enrolamentos Observa-se que neste caso a proteção diferencial deve possuir três entradas de corrente. A soma das três correntes é que permitirá a verificação de existência de corrente diferencial (curto-circuito dentro da área de proteção). TC’s auxiliares não são indicados para uma clareza conceitual maior para a figura. O exemplo a seguir mostra um transformador Estrela / Triângulo alimentando um sistema cujo aterramento é feito por transformador Zig-Zag. A proteção diferencial, neste caso, engloba o transformador de aterramento: 87T Relé de 02 entradas de corrente TR Aterramento Zig-Zag Bloqueia sequência Zero Bloqueia sequência Zero Corrige Defasamento (TC Aux externo ou digital embutido na proteção) 0o 30o 30o 0o 30o Figura 3.13 – Transformador Abaixador com TR de Aterramento do lado da BT. O exemplo a seguir mostra um caso de uso de TC’s em paralelo para uma configuração de barras do tipo “disjuntor e meio”: PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 38 de 108 87T Relé de 03 entradas de corrente Figura 3.14 – Transformador de Três Enrolamentos em configuração disjuntor e meio Verifica-se neste caso que há soma de correntes do lado do esquema “disjuntor e meio” através da conexão em paralelo dos lados secundários dos TC’s do vão. A conexão de TC’s em paralelo para barras “disjuntor e meio” ou em “anel” é uma prática muito comum. Por outro lado, quando a proteção diferencial possui mais entradas para corrente, pode-se fazer como na figura a seguir: 87T Relé de 04 entradas de corrente Figura 3.15 – Transformador de Três Enrolamentos com relé de 4 entradas de corrente. Relés de proteção de transformadores, com função diferencial associadas a 04 entradas de corrente começaram a surgir recentemente. Alguns usuários especificam entradas de corrente separadas para os dois TC’s do lado do disjuntor e meio, pois preferem não usar TC’s em paralelo. Deve-se mencionar, entretanto, que a prática de conectar TC’s em paralelo pelo lado secundário é uma prática difundida em todo o mundo. Não se tem registrado, na prática, dificuldades quanto a este aspecto. Recomenda-se que os TC’s em paralelo tenham características iguais ou semelhantes. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 39 de 108 3.1.8 Diretrizes de Ajustes para Proteção Diferencial de Transformador Ajustes Básicos Numa proteção diferencial percentual, os seguintes ajustes básicos devem ser implementados pelo usuário: • A corrente diferencial mínima de atuação. o Trata-se da sensibilidade da proteção, para corrente diferencial, em ampères ou múltiplo da corrente nominal da proteção. o Devem ser levadas em consideração: - Diferenças resultantes de relações de transformação de TC’s e TC’s auxiliares, caso não compensados exatamente. - Erros de precisão de TC’s em correntes normais de operação do transformador (excitação). - Diferença introduzida pelo comutador de taps do transformador, em sua posição extrema de operação com relação ao tap médio. o Geralmente se ajusta para um valor superior a 10% da corrente nominal do transformador protegido, para relés digitais com fatores de correção digitais. o Para proteções que utilizam TC’s auxiliares externos, este ajuste deve ser maior. • A inclinação da característica percentual (“slope”). o Trata-se do valor percentual da corrente diferencial em função da corrente de restrição, acima do qual há operação do relé ou da função. o Devem ser levadas em consideração: - Para proteções eletromecânicas ou estáticas, considerar os erros de relação de TC’s e TC’s auxiliares, equipamentos esses que nunca acomodam exatamente as correntes comparadas. - Erros de precisão de TC’s para altas correntes (que pode chegar a 10% , para cada conjunto de TC’s e TC’s auxiliares externos, dependendo da especificação dos TC’s aplicados. Ver classe de precisão dos TC’s). - Diferença introduzida pelo comutador de taps do transformador, na sua posição extrema com relação ao tap central. - Saturação de TC’s para condições extremas de corrente, o que depende das características dos TC’s empregados e o nível de curto-circuito no local. Assim sendo, nem sempre esse fator precisa ser levado em consideração, ou eventualmente, pode ser ajustado para uma condição com pequena PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 40 de 108 saturação. Para relés digitais, há fórmulas na documentação técnica da proteção que permitem estimar a possibilidade de saturação. NOTA: As proteções 7UT51 e 7UT61 possuem circuitos detectores de saturação que alteram dinamicamente a característica percentual, fazendo com que haja estabilidade da proteção mesmo com saturação de TC. o Para proteções eletromecânicas ou estáticas do passado, a inclinação (percentual) ajustada é, geralmente, única para toda faixa de correntes superior à corrente mínima diferencial. Em transformadores ou bancos de transformadores ou autotransformadores de transmissão, um ajuste na faixa de 40 a 50% tem sido satisfatório. o Para modernos relés digitais, há possibilidadede ajuste percentual menor para uma faixa inferior e um ajuste percentual maior para faixas de corrente superiores. Para o slope 1 (faixa inferior), um ajuste entre 20 e 30% tem sido executado. Para o slope 2 (faixa superior), um ajuste entre 30 e 50% tem sido executado. Aspectos a Considerar o Relações de TC’s Auxiliares ou Fatores de Compensação Proteções Eletromecânicas ou Estáticas Para essas proteções podem existir TC’s auxiliares para acomodar as correntes secundárias dos lados de AT e/ou BT (módulo e ângulo) no sentido de torná-las aproximadamente iguais para o relé, na relação de transformação nominal (tap central do comutador de taps). Mesmo assim podem subsistir erros percentuais relativos entre essas correntes. Relações: Escolher relações e conexões de TC’s auxiliares para que se tenha correção de módulos e ângulos das correntes secundárias provenientes dos TC’s principais, visando torná-los iguais (na medida do possível) para o relé. Nota: Atentar para as conexões (delta – estrela ou estrela – delta ou estrela – estrela) que dependem das conexões do transformador protegido. Proteções Numéricas Digitais Em algumas dessas proteções existem recursos que aplicam fatores de correção (“TC’s digitais”) para a acomodação das correntes secundárias dos lados de AT e/ou BT (módulo e ângulo) no sentido de torná-las iguais para o relé (mesma base), na relação de transformação nominal (tap central do comutador de taps). Geralmente, o erro percentual que subsiste é pequeno. Outras efetuam automaticamente a correção de módulos e ângulos, uma vez informados os dados da instalação (TC’s, conexões, relações, etc.). As proteções 7UT51 e 7UT61 se enquadram neste caso. Relações: Escolher relações e conexões “digitais” (recurso que depende do modelo da proteção) para que se tenha correção de módulos e ângulos das PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 41 de 108 correntes secundárias provenientes dos TC’s principais, visando torná-los iguais para o relé. o Erros introduzidos pelas relações escolhidas de TC’s + TC’s auxiliares (ou Fatores de Correção) e pelo Comutador de Taps do transformador Pode-se esperar um erro da ordem de 10% da corrente nominal do transformador. o Erros de Precisão de TC’s Considerar os seguintes critérios para estimativa de erro de precisão de TC’s de proteção: Para o Conjunto de TC’s de cada Lado do Transformador Faixa de Corrente Sem TC’s Auxiliares (físicos) Com TC’s Auxiliares (físicos) Condição de Curto-Circuito. Superior à 3 x I Nominal do TC 10% mesmo para 2 TC’s em paralelo no esquema disjuntor e meio 20% mesmo para 2 TC’s em paralelo no esquema disjuntor e meio Em torno da Nominal do TC 2% mesmo para 2 TC’s em paralelo no esquema disjuntor e meio 4% mesmo para 2 TC’s em paralelo no esquema disjuntor e meio Outros Ajustes • Bloqueio ou Restrição para Corrente de Magnetização Transitória. Trata-se do valor percentual de uma corrente harmônica (2ª. ou 4ª. ) que caracterize a existência da magnetização transitória para a proteção. Nos relés 7UT a segunda harmônica é utilizada no caso de transformadores. • Bloqueio para Corrente de Magnetização por Sobrefluxo. Trata-se do valor percentual de uma corrente harmônica (3ª. ou 5ª.) que caracterize a existência de sobrefluxo no núcleo, com chance de atuação errônea da proteção. • Alarme ou Trip para Condição de Sobre-Fluxo. Trata-se do valor percentual de uma corrente harmônica (5ª.) ou valor de V/Hz (função 24), que caracterize a existência de sobrefluxo devido a sobretensão. PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 42 de 108 3.2 FUNÇÃO TERRA RESTRITA 3.2.1 Finalidade e Enfoque Uma proteção diferencial para detecção de curtos-circuitos à terra na área protegida, que mede apenas as correntes residuais ou de neutro dos circuitos dos TC’s (correspondentes às correntes de terra), referentes a um enrolamento (estrela aterrada) de transformador, chama-se Proteção Diferencial Restrita de Terra (“REF – Restricted Earth Fault”). É utilizado, geralmente, quando se deseja maior sensibilidade para curtos à terra no enrolamento, como uma proteção adicional à proteção diferencial para todos os tipos de curto-circuito Modernas proteções diferenciais de tecnologia digital apresentam, quase sempre, elementos REF para proteção de enrolamentos do tipo estrela-aterrada de transformadores de potência, que podem ser utilizadas ou não a critério do usuário. Deve- ser observar que o uso dessa função exige TC’s no lado do neutro do enrolamento estrela aterrada, ou um TC no próprio neutro (aterramento). As proteções 7UT51 e 7UT61 apresentam entradas de corrente (I7) que permitem efetuar a função REF. 3.2.2 Conexões e Polaridades Geralmente é aplicada a um enrolamento de transformador, desde que seja enrolamento estrela – aterrada. A figura a seguir mostra um caso típico para um transformador triângulo / estrela: a b c a b c Tranformador de Potência TC's Lado B TC Neutro 87 REF Figura 3.16– Proteção Terra Restrita (REF) típica – Tecnologia convencional O esquema acima mostra um caso tradicional de relé eletromecânico ou estático. Para relés digitais, podem existir as seguintes alternativas: PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 43 de 108 a b c a b c Tranformador de Potência TC's Lado B TC Neutro REF Figura 3.17– Proteção Terra Restrita (REF) – Conexão para relé digital 1 Em alguns relés, a somatória das correntes dos TC’s para se obter a corrente residual se faz digitalmente, como na figura a seguir: a b c a b c Tranformador de Potência TC's Lado B TC Neutro REF Figura 3.18– Proteção Terra Restrita (REF) – Conexão para relé digital 2 Podem ser aplicadas a autotransformador, devendo-se tomar o cuidado de somar todas as correntes de terra referentes ao conjunto de enrolamentos supervisionado (considerado como um nó de Kirschoff). A figura a seguir ilustra o mencionado: a b c Auto-Tranformador REF Figura 3.19– Proteção Terra Restrita (REF) Convencional – Conexão para Autotransformador PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 44 de 108 Para um transformador com transformador de aterramento Zig-Zag, também pode-se configurar uma proteção REF, englobando o Zig-Zag, como mostrado na figura a seguir: a b c a b c i0 i0i0 3i0 3i0 i0 3i0 i0 i0 i0 87N TR Zig-Zag de Aterramento Secundário TR Abaixador - Triângulo Figura 3.20– Proteção Terra Restrita (REF) – Envolvendo transformador de aterramento Para as proteções Siemens 7UT51 e 7UT61, os seguintes esquemas de conexão para a função REF, entre outras, podem ser feitas: Figura 3.21– Proteção Terra Restrita (REF) para enrolamento estrela aterrada nos relés da série 7UT (entrada I7) PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES DE POTÊNCIA E CABINES Funções de Proteção 45 de 108 Figura 3.22 – Proteção Terra Restrita (REF) para Autotransformador nos relés da série 7UT (entrada I7) 3.2.3 Princípios Utilizados Dependendo do modelo e fabricante da proteção, diversos métodos existem para a determinação da localização da falta, se dentro ou fora da área protegida. Princípio de Alta Impedância Neste método, a corrente diferencial resultante do circuito de terra é medida através de uma proteção de alta impedância. As figuras 2.24 e 2.27 ilustram o mencionado, desde que “REF” seja circuito de alta impedância. Princípio Direcional associado a princípio percentual e supervisão de ângulo Este princípio é implementado nas
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