Proteção Diferencial Transformadores de Potência

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PROTEÇÃO DIFERENCIAL
TÓPICOS ABORDADOS:
• RELÉ DIFERENCIAL PERCENTUAL
• CARACTERISTICA DE OPERAÇÃO DO RELÉ PERCENTUAL
• REQUIESITOS PARA A PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
• ESQUEMAS DE PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
• INFLUÊNCIA DE CORRENTES HARMÔNICAS NA PROTEÇÃO 
DE TRANSFORMADOR 
▪ Os transformadores de potência são equipamentos essenciais na 
operação de sistemas elétricos de potência (SEP). Tendo em vista 
sua importância e seu alto custo, faz-se necessário o 
desenvolvimento e a implementação de um sistema de proteção 
altamente confiável, que seja capaz de identificar a ocorrência de 
faltas internas e retirar de operação o equipamento o mais rápido 
possível.
▪ A proteção diferencial constitui-se na principal metodologia de 
proteção para transformadores de grande porte e é altamente 
recomendada para transformadores com potência superior a 5 MVA
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
INTRODUÇÃO
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
CONCEITO
Cerca de 6 % das interrupções que ocorrem no sistema elétrico de 
potência tem como origem o transformador, tudo isso devido a falhas 
em decorrência de transitórios que ocorrem no equipamento. A 
proteção diferencial tem por objetivo verificar esses distúrbios para 
que possa realizar a proteção adequada ao sistema e para que a 
continuidade do fornecimento de energia seja garantida. Haverá uma 
série de monitoramentos das variáveis.
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
RELÉ DIFERENCIAL PERCENTUAL
O funcionamento do relé diferencial baseia-se na comparação das 
correntes elétricas que circulam entre dois terminais de um 
equipamento ou sistema. Caso haja uma diferença específica entre 
essas correntes o relé irá atuar para desligar o sistema. Normalmente 
são usados transformadores de corrente para a coleta dessas 
correntes. A seção do sistema entre esses terminais é denominada 
zona protegida. Ou seja, qualquer defeito que ocorrer entre os 
terminais faz o relé operar e este deve eliminar as falhas no trecho. 
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
RELÉ DIFERENCIAL PERCENTUAL
Como dito, o relé não é sensibilizado pelo o que ocorre fora da zona 
protegida. A proteção diferencial percentual é a proteção utilizada em 
equipamentos que tem de ter as correntes que circulam pelos seus 
terminais iguais, porém existem erros de corrente de magnetização, 
saturação de Transformador de Corrente, entre outros, com isso, o 
relé necessita ter um sistema interno de compensação que corrige 
essa diferença de corrente, evitando desligamentos desnecessários.
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
CARACTERISTICA DE OPERAÇÃO DO RELÉ 
PERCENTUAL
A proteção diferencial só deverá atuar para faltas internas (dentro da 
zona delimitada pelos TCs).
A única condição para a sua atuação é se a corrente diferencial 
(i1-i2) for superior a um valor previamente estabelecido.
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
CARACTERISTICA DE OPERAÇÃO DO RELÉ 
PERCENTUAL
O elemento protegido geralmente é: transformador de força 
(geralmente, potência acima de 5 MVA), grandes motores e 
geradores, linhas de transmissão que emprega sistemas de 
teleproteção. 
Quando existe uma falta interna temos a seguinte relação:
Condições de atuação: Se o a% resultante for maior do que o a% 
ajustado, o relé ATUARÁ; caso contrário NÃO ATUARÁ. Além 
disso, é necessário que a corrente resultante, que circula no 
circuito de operação, seja superior a um valor de partida (IS), 
previamente ajustado. 
Os regulamentos vigentes estabelecem que as funções diferenciais de 
transformadores devem atender aos seguintes requisitos: 
- Função diferencial percentual com atuação individual por fase; 
- Número de circuitos de restrição igual ao número de transformadores 
de corrente da malha diferencial; e 
- Restrição da atuação para correntes de magnetização (inrush e 
sobreexcitação) e desempenhos transitórios desiguais de 
transformadores de corrente. 
Ao atender aos critérios estabelecidos, garante-se que a proteção 
diferencial seja capaz de detectar faltas de natureza elétrica, nos 
terminais e buchas do transformador, nos enrolamentos, no tanque e 
nos acessórios do equipamento, no comutador de TAPs sob carga e 
faltas relacionadas à ruptura do óleo isolante. 
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
REQUISITOS PARA A PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
REQUISITOS PARA A PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
Os principais tipos de falta que afetam transformadores e autotransformadores 
podem ser classificados, quanto a natureza elétrica, conforme os seguinte 
grupos: 
a) curtos-circuitos de fase (internos e nos terminais externos); 
b) curtos-circuitos entre espiras; 
c) defeitos à terra envolvendo os enrolamentos ou os terminais externos 
Através de dados coletados por diversas empresas de energia elétrica, a seguinte 
classificação de falhas e suas causas puderam ser registradas: 
a - defeitos em enrolamentos: curto-circuito entre espiras por deterioração do 
isolamento, descargas atmosféricas, surtos de manobra ou umidade; 
b - defeitos no comutador de tap: originados por falhas mecânicas, elétricas ou 
problemas nos contatos; 
c - defeitos nas buchas terminais: devido ao envelhecimento, contaminação ou 
quebra pela presença de umidade, centelhamento (flashover), animais ou baixo 
nível de óleo; 
d - defeitos na mesa terminal: devido a ligações frouxas, mau contato, soldas mau 
executadas, problemas de montagem ou vibração; 
e - defeitos envolvendo o núcleo: devido à ruptura de isolamento . 
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
REQUISITOS PARA A PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
As particularidades de cada falha determinam os requisitos 
necessários para o dimensionamento e definição do tipo de proteção 
e, portanto dos sensores responsáveis pela sua detecção. 
A intensidade das grandezas elétricas, tensão e corrente terminais, 
refletem condições anormais de operação, tais como: 
▪ Correntes elevadas (superiores à nominal): defeitos terminais ou 
externos ao transformador;
▪ Correntes de baixa intensidade (da ordem de 10% ou inferior à 
corrente nominal): defeitos entre espiras; 
▪ Presença de correntes de sequência zero: de defeitos envolvendo a 
terra. 
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
REQUISITOS PARA A PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
ESQUEMAS DE PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
Os fatos seguintes influenciam ou determinam o desempenho desta 
proteção aplicada a transformadores:
a - A localização dos TC's define a zona protegida. Podem ser 
utilizados TC's de bucha do próprio transformador ou de disjuntor 
associado. 
b - Conexão/tipo de ligação do transformador, estabelece o tipo de 
conexão dos TC's, objetivando o balanço das correntes passantes 
devido ao defasamento angular e a relação de transformação do 
transformador. 
c - Desequilíbrios provocados pelas relações de transformação de 
TCs e do transformador, acarretando a presença de corrente 
diferencial. 
d - A existência de correntes de "inrush" e de magnetização 
(correntes primárias sem compensação secundária) devido a 
energização do transformador. 
e - Fenômenos de saturação e erro de relação dos TC's, provocam 
correntes diferenciais elevadas para as condições de carga ou de 
defeitos externos. 
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ESQUEMAS DE PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
A sofisticação dos esquemas de proteção diferencial de transformador e, 
dependem dos relés utilizados, do tipo de transformador (autotransformador, 
transformador de dois ou três enrolamentos) e da importância do transformador 
na operação do sistema:
a) Esquema diferencial usando relés de sobrecorrente 
São raramente utilizados devido aos seguintes problemas:
- correntes de "inrush";- erros decorrentes da saturação ou de descasamento dos TCs;
- corrente de excitação excessiva quando o transformador é superexcitado; 
- efeito da mudança de tape do transformador; 
Alguns aspectos econômicos viabilizam a aplicação de relés de sobrecorrente 
temporizados, geralmente com unidade instantânea incorporada, tendo um alto 
ajuste de corrente. 
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
ESQUEMAS DE PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
b) Esquemas diferenciais com relés diferenciais percentuais para 
proteção de faltas envolvendo as fases 
Estes relés são particularmente aplicáveis a transformadores de 
médio porte e localizados afastados das fontes de geração. 
A incorporação de restrição para faltas externas permite um ajuste 
mais sensível e maior rapidez de operação para baixas correntes.
Para faltas internas, a força de restrição desaparece ou se reduz 
muito em relação à de operação. A restrição é estabelecida por uma 
percentagem da corrente requerida pela bobina de operação do relé 
(podendo variar de 15% a 50%). A Fig. 1, apresenta a curva 
característica de operação de um relé diferencial percentual: 
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
ESQUEMAS DE PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
ESQUEMAS DE PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
Fig. 1 – Característica de operação de um relé diferencial percentual 
A atuação do relé ocorrerá se a corrente de operação (Io) for superior a 
determinada percentagem da corrente de restrição média.
Por exemplo, seja: 
Portanto, um relé com característica percentual igual a 10% operará, 
enquanto um outro com característica 20%, não operará. 
Adicionalmente, nos relés diferenciais percentuais, uma unidade 
instantânea (sem restrição) é instala da objetivando reduzir o tempo de 
atuação nos casos de faltas elevadas. 
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
ESQUEMAS DE PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
A Fig. 2, apresenta o diagrama esquemático de ligação de um relé 
diferencial de proteção de um transformador delta-estrela. Os disjuntores 
não estão representados.
As conexões dos TCs são feitas levando-se em consideração o grupo de 
ligação do transformador de força protegido. Os princípios para a 
definição das conexões dos TCs, são: 
a - eliminar as correntes de sequência zero ou compensá-las 
adequadamente;
b - compensar corretamente o defasamento angular do transformador 
para correntes de sequência positiva e negativa; 
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
ESQUEMAS DE PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
ESQUEMAS DE PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
Fig. 2 – Esquema de ligação de um relé diferencial para proteção de um transformador 
∆-YT
Como procedimento geral para a conexão correta dos TCs, os seguinte passos devem 
ser seguidos: 
1°) arbitrar o sentido das correntes primária e secundária do transformador, 
considerando a corrente passante ou de carga, atentando para a polaridade dos 
enrolamentos; 
2°) considerar que as correntes estão equilibradas, não existindo circulação para a terra 
pelo neutro dos enrolamentos; 
3°) quando existir mais de dois enrolamentos, todas as combinações devem ser 
consideradas duas a duas por cada vez; 
4°) os TCs do lado dos enrolamentos estrela do transformador, devem ser ligados em 
delta; e os TCs do lado dos enrolamentos delta do transformador, devem ser 
conectados em estrela, objetivando compensar o defasamento angular de 30°, para 
transformadores do grupo de ligação estrela-delta, e filtrar as componentes de 
sequência zero. 
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
ESQUEMAS DE PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
c) Esquemas diferenciais par a proteção de faltas à terra 
Os relés diferenciais de proteção de faltas à terra têm, geralmente, uma 
sensibilidade melhor para faltas à terra nos enrolamentos ligados em delta. Já 
para as faltas à terra nos enrolamentos conectados em estrela são pouco 
sensíveis. Isto é particularmente provável quando o referido enrolamento não 
estiver solidamente aterrado. 
Os dois esquemas de proteção mostrados nas Figs. 3 e 4, podem ser usados 
para proporcionar maior sensibilidade para faltas à terra nos enrolamentos 
ligados em estrela. 
A Fig. 3, indica uma conexão diferencial que requer um TC auxiliar de ajuste da 
relação de transformação e usa um relé de sobrecorrente de tempo inverso 
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
ESQUEMAS DE PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
ESQUEMAS DE PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
Fig. 3 – Esquema de proteção diferencial de terra
A Fig. 4, sugere o uso de um relé direcional de terra com polarização 
por cor rente. É conectado para olhar para dentro dos enrolamentos 
do transformador, ligados em estrela.
Os circuitos de Operação (O) e Retenção (R) devem estar 
energizadas para o relé atuar. 
Portanto só sentirá faltas à terra no enrolamento estrela quando uma 
fonte externa de corrente à terra estiver disponível. 
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
ESQUEMAS DE PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
ESQUEMAS DE PROTEÇÃO DIFERENCIAL DE 
TRANSFORMADOR
Fig. 4 – Esquema de proteção diferencial de terra usando polarização por 
corrente
Vários fatores tem sido utilizados para a diferenciação entre as faltas 
internas / externa e a corrente de magnetização, que são compostas 
de muitas harmônicas, especialmente para transformadores de grande 
porte, localizados próximo às fontes de geração
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
INFLUÊNCIA DE CORRENTES HARMÔNICAS NA 
PROTEÇÃO DE TRANSFORMADOR 
Os harmônicos podem fazer com que a medição dos relés sejam feitas de forma 
equivocada, fazendo com que os mesmo operem de forma não desejada.
Como a forma de onda que chega no relé esta "distorcida" isso prejudica sua 
performance.
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
INFLUÊNCIA DE CORRENTES HARMÔNICAS NA 
PROTEÇÃO DE TRANSFORMADOR 
Para obter performance mais satisfatórios em relação a distorção, integra-se ao relé 
uma função RESTRIÇÃO HARMÔNICA:
Esta consiste em evita que o relé atue equivocadamente.
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
INFLUÊNCIA DE CORRENTES HARMÔNICAS NA 
PROTEÇÃO DE TRANSFORMADOR 
Quando há uma energização do trafo, gera-se uma corrente muito alta, que é detectada com 
um alto conteúdo de 2ª Harmônica.
Para diferenciar uma falta real (onde o relé deve atuar) de uma energização (onde o relé não 
deve atuar) o relé verifica o % de Harmônico em relação a fundamental (60 Hz).
Se este % for maior que o ajustado, o relé inibe o TRIP, se não, o relé atua pois considera 
como uma falta.
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
INFLUÊNCIA DE CORRENTES HARMÔNICAS NA 
PROTEÇÃO DE TRANSFORMADOR 
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
QUESTIONÁRIO
1) O relé diferencial percentual só atuará quando as faltas forem:
a) Internas
b) Internas e Externas
c) Em altas temperaturas
d) Externas 
e) Desprezíveis 
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
QUESTIONÁRIO
1) O relé diferencial percentual só atuará quando as faltas forem:
a) Internas
b) Internas e Externas
c) Em altas temperaturas
d) Externas 
e) Desprezíveis 
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
QUESTIONÁRIO
2) Qual o princípio básico de funcionamento de um relé diferencial?
a) Comparação das correntes elétricas que circulam entre dois terminais de 
um equipamento ou sistema.
b) Somatório das Cargas instaladas
c) Atuação devido a pontos quentes 
d) Converter energia luminosa
e) Saturar o Transformador de Corrente
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
QUESTIONÁRIO
2) Qual o princípio básico de funcionamento de um relé diferencial?
a) Comparação das correntes elétricas que circulam entre dois terminais de 
um equipamento ou sistema.
b) Somatório das Cargas instaladas
c) Atuação devido a pontos quentes 
d) Converterenergia luminosa
e) Saturar o Transformador de Corrente
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
QUESTIONÁRIO
3) Qual o tipo de falta de natureza elétrica que afetam os transformadores?
a) Tensão de entrada
b) Corrente de entrada
c) Tensão de saída
d) Corrente de saída
e) Curto-circuito de fase
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
QUESTIONÁRIO
3) Qual o tipo de falta de natureza elétrica que afetam os transformadores?
a) Tensão de entrada
b) Corrente de entrada
c) Tensão de saída
d) Corrente de saída
e) Curto-circuito de fase
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
QUESTIONÁRIO
4) A incorporação de restrição para faltas externas permite um ajuste:
a) Um ajuste mais sensível e maior rapidez de operação para baixas correntes
b) Um ajuste mais sensível e menor rapidez de operação para baixas correntes
c) Um ajuste mais sensível e maior rapidez de operação para altas correntes
d) Um ajuste menos sensível e menor rapidez de operação para altas correntes
e) Um ajuste menos sensível e maior rapidez de operação para altas correntes
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
QUESTIONÁRIO
4) A incorporação de restrição para faltas externas permite um ajuste:
a) Um ajuste mais sensível e maior rapidez de operação para baixas correntes
b) Um ajuste mais sensível e menor rapidez de operação para baixas correntes
c) Um ajuste mais sensível e maior rapidez de operação para altas correntes
d) Um ajuste menos sensível e menor rapidez de operação para altas correntes
e) Um ajuste menos sensível e maior rapidez de operação para altas correntes
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
QUESTIONÁRIO
5) Como o relé detecta se houve uma energização do trafo ou uma falha no 
sistema?
a) Pelo aquecimento nos condutores
b) Pelo centelhamento nos terminais de alta do trafo
c) Pela comparação percentual da impedância
d) Pela comparação percentual da harmônica em relação a fundamental
e) Quando o led vermelho do disjuntor pisca, indica que houve falha
PROTEÇÃO DIFERENCIAL
QUESTIONÁRIO
5) Como o relé detecta se houve uma energização do trafo ou uma falha no 
sistema?
a) Pelo aquecimento nos condutores
b) Pelo centelhamento nos terminais de alta do trafo
c) Pela comparação percentual da impedância
d) Pela comparação percentual da harmônica em relação a fundamental
e) Quando o led vermelho do disjuntor pisca, indica que houve falha
Referências
▪ http://www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18154/tde-
16072006-
122259/publico/Dissertacao_Mestrado_AlexandrePacienciaB
ernardes.pdf
▪ https://www.passeidireto.com/arquivo/24636626/cap-7---
protecao-diferencial
▪ http://www.scielo.br/scielo.php?script=sci_arttext&pid=S0103
-17592003000300010
▪ https://prezi.com/lfhoj0hp3tif/rele-diferencial-de-corrente-87/