Relés diferenciais

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06/10/2015
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Prof : Msc. Marcelo Luiz Lourenço
Definição e função de proteção
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*Definição: relés que operam quando a diferença da corrente de entrada em
relação à corrente de saída ultrapassa um valor preestabelecido ou ajustado.
*Função ANSI: 87. 
87T (diferencial de transformador);
87B (diferencial de barra);
87G (diferencial de gerador);
87M (diferencial de motor).
Polaridade, direcionalidade e zona de proteção
* Polarização: a polarização do relé diferencial ocorre por corrente;
*Direcionalidade: operam em qualquer direção;
*Zona de proteção: a proteção diferencial só deverá atuar para faltas internas 
dentro da zona delimitada pelos TCs de entrada e saída.
Elemento protegido
*A operação deste relé depende exclusivamente da diferença vetorial entre as
correntes circulantes 𝐼1 e 𝐼2 . Ele atua se essa diferença for superior a um
valor previamente estabelecido;
*O elemento protegido geralmente é : transformador de força (geralmente
acima de 5 MVA), barramentos de S/E , grandes motores e geradores, etc.
Faltas internas Faltas externas (operação)
𝐼𝑅 = 𝐼𝐴 + 𝐼𝐵 ≠ 0 → RELÉ OPERA 𝐼𝑅 = 𝐼𝐴 + 𝐼𝐵 ≅ 0 → RELÉ NÃO OPERA
Relés diferenciais amperimétricos: básicos
Relés diferenciais percentuais
*Corrente efetiva na bobina de retenção (restrição): 𝐼1 + 𝐼2 /2
*Corrente na bobina de operação (atuação): 𝐼1 − 𝐼2
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*Para uma falta externa: 𝐼1 = 𝐼2
Retenção: 
𝐼1+𝐼1
2
= 𝐼1
Operação: 𝐼1 − 𝐼1 = 0
.: O RELÉ NÃO OPERA.
Para uma falta interna: 𝐼2 torna-se negativo
Retenção: 
𝐼1−𝐼2
2
→ a retenção será enfraquecida
Operação: 𝐼1 + 𝐼2 → operação fortalecida
.: O RELÉ OPERA.
Relés diferenciais percentuais
*Equação universal dos relés:
𝐶 = 𝐾1. 𝐼1 − 𝐼2 + 𝐾2.
𝐼1+𝐼2
2
+𝐾3
fazendo 𝐾3 = 0 e 𝐶=0 (limiar de operação) tem-se:
𝐼1 − 𝐼2 =
𝐼1+𝐼2
2
𝐾1
𝐾2
(equação de reta)
fazendo apenas 𝐶=0 (limiar de operação) tem-se:
𝐼1 − 𝐼2
2 =
𝐾2
𝐾1
𝐼1 + 𝐼2
2
2
+
𝐾3
𝐾1
quando 
𝐼1+𝐼2
2
tende a zero atinge-se o valor de pick up : 𝐼1 − 𝐼2 =
𝐾3
𝐾1
Relés diferenciais percentuais
*Ajustes: Valor inicial→
𝐾3
𝐾1
compensa o efeito da mola
Declividade (slope) → tan−1(
𝐾2
𝐾1
)
Relés diferenciais percentuais
Relés diferenciais com restrição percentual e por harmônicas
*Mais empregados nos esquemas de proteção diferencial;
*Além da restrição percentual, restringem as harmônicas presentes na
corrente de magnetização dos transformadores durante a sua energização;
*Tornam viável o ajuste de corrente de baixo valor e tempos de retardo
reduzidos, sem o inconveniente de se ter uma operação indesejada;
*Dotados de um determinado número de derivações para se ajustar o
balanceamento da corrente.
*Elimina a possibilidade de operação do disjuntor durante a energização do
transformador ou mesmo no funcionamento normal; e possui tempo de
operação cinco vezes maior do que os relés sem restrição.
*Percentagem “típicas” de harmônicos que consegue restringir : 2ª harmônica:
24%; 3ª harmônica: 23%; 5ª harmônica: 22%; e 7ª harmônica: 21%.
*A restrição da 2ª harmônica inibe a atuação do disjuntor durante a
energização do transformador, já a restrição das 3ª e 5ª harmônicas inibem o
disparo do disjuntor durante uma sobre-excitação do transformador.
Relés diferenciais com restrição percentual e por harmônicas Proteção de transformadores: fatores de desempenho
*A localização dos TC's define a zona protegida;
*Tipo de ligação do trafo, estabelece o tipo de conexão dos TC's;
*Desequilíbrios provocados pelas relações de transformação dos TCs;
*Existência de correntes de magnetização devido a energização;
*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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Proteção diferencial de transformadores: importância
*Melhor forma de proteção de transformadores de potência; submetidos a
diferentes fatores que propiciam uma operação indesejada do disjuntor:
correntes de magnetização transitória do transformador;
defasamentos angulares;
diferenças de corrente em função dos erros dos TCs;
diferenças de correntes no circuito de conexão do relé em função dos
tapes do transformador de potência.
Proteção diferencial de transformadores
Não operação
Operação
*É importante notar que as correntes de uma mesma fase que circulam no
relé diferencial não devem possuir diferenças angulares;
*Os transformadores de corrente não devem apresentar erro superior a 20%,
a fim de evitar uma atuação intempestiva do disjuntor;
*A ligação do TC deve ser executada de forma que, para o regime de
operação normal, não circule nenhuma corrente na bobina de operação.
Proteção diferencial de transformadores: requisitos
*Arbitrar sentido das correntes primária e secundária do transformador
considerando corrente de carga e atentando-se para a polaridade;
*Considerar que as correntes estão equilibradas, não existindo circulação
para a terra pelo neutro dos enrolamentos;
*Os TCs do lado estrela do transformador, devem ser ligados em delta ; os
TCs do lado delta do transformador, devem ser conectados em estrela;
(compensar defasamento angular de 30° para transformadores do grupo
delta, e filtrar as componentes de seqüência zero.
Proteção diferencial de transformadores: conexão correta
Obs: sempre que há uma diferença de corrente maior que 10 a 15% entre as
saídas dos TCs de ambos os lados do transformador, é prudente usar TCs
auxiliares, para melhorar a compensação.
Proteção diferencial de transformadores: ligação
*Em geral, são disponíveis três tapes de inclinação percentual (slope) da
corrente de restrição, ou seja: 20, 30 e 40%.
Proteção diferencial de transformadores: declividade
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*Para que o relé diferencial não opere indevidamente, o valor do ajuste do
slope ou declividade deve fiar acima dos possíveis erros que podem ocorrer.
𝑆𝑙𝑜𝑝𝑒 > 𝜀𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙 (%)
𝜀𝑡𝑜𝑡𝑎𝑙=𝜀𝑇𝐶 + 𝜀𝐶 + 𝜀𝑀
𝜀𝑇𝐶 - erro devido a classe de exatidão dos TCs;
𝜀𝐶 - erro devido a comutação dos tapes; e
𝜀𝑀 - erro de casamento dos TCs com a relação do transformador de força.
Proteção diferencial de transformadores: ajuste do slope Ajuste do slope: erro devido a exatidão do TC (𝜀𝑇𝐶) 
*A exatidão dos TCs para proteção diferencial são normalmente 2,5%, 5% ou
10%, o que significa que o erro pode ser de + 2,5%, + 5% ou + 10% ate o
valor do de 20 x In (se o fator de sobrecorrente for 20);
*Se um dos TCs de uma mesma fase (primário e secundário) for positivo e o
outro negativo os erros que poderão ocorrer serão de 5%, 10% ou 20%;
*Quando houver TCs auxiliares, os erros desses TCs auxiliares devem ser
computados.
*Os tapes dos transformadores podem estar em um valor diferente do
nominal, podem ocorrer diferenças por conta dessa corrente, localizada entre
o primário e o secundário, mesmo em condição de carga.
𝜀𝑐 % =
𝐼𝑚á𝑥 − 𝐼𝑚𝑒𝑑
𝐼𝑚𝑒𝑑
𝑥100
𝐼𝑚á𝑥 =
𝑘𝑉𝐴𝑡𝑟𝑎𝑓𝑜
3. 𝑘𝑉𝑡𝑎𝑝𝑒−𝑚𝑖𝑛
; 𝐼𝑚𝑖𝑛 =
𝑘𝑉𝐴𝑡𝑟𝑎𝑓𝑜
3. 𝑘𝑉𝑡𝑎𝑝𝑒−𝑚𝑎𝑥
; 𝐼𝑚𝑒𝑑 = 𝐼𝑚á𝑥 . 𝐼𝑚𝑖𝑛
Obs: 𝑘𝑉𝑡𝑎𝑝𝑒−𝑚𝑖𝑛 e 𝑘𝑉𝑡𝑎𝑝𝑒−𝑚𝑎𝑥 são variações da faixa de ajuste de pick-up.
Ajuste do slope: erro devido a comutação de taps (𝜀𝐶) Ajuste do slope: erro de “mismatch” ou casamento (𝜀𝑀 )
*A relação de transformação do transformador de força pode não coincidir
com a relação entre as ligações dos TCs do primário e do secundário, pode
haver uma diferença de corrente; conhecido como erro de “mismatch”:
𝜀𝑀 % =
𝐼1−𝐼2
𝐼1+𝐼2
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𝑥100=
𝐼𝑜𝑝𝑒𝑟𝑎çã𝑜
𝐼𝑟𝑒𝑠𝑡𝑟𝑖çã𝑜
𝑥100
Proteção de geradores: proteção diferencial
*Proteção dos relés diferenciais:
defeitos internosnos geradores;
defeitos nos condutores primários dentro da zona de proteção;
defeitos monopolares em praticamente qualquer ponto do estator.
*Não garantem a proteção do gerador para :
defeitos entre as espiras dos enrolamentos;
rompimento dos enrolamentos do estator originando circuitos abertos;
defeitos externos à zona de proteção;
defeitos monopolares entre os enrolamentos e a carcaça.
Proteção diferencial de geradores: esquema de ligação
*O relé diferencial deve efetuar o disparo do disjuntor principal e do
disjuntor de campo do gerador; O relé diferencial pode atuar sobre o
regulador de velocidade da turbina e ainda efetuar a operação de alarme.
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Proteção diferencial de geradores: aplicações
*Mais eficiente no caso de geradores com neutro solidamente aterrado, pois 
fica garantida a abertura do disjuntor principal para defeitos monopolares. 
*Se o gerador opera isolado, o relé diferencial somente será eficiente para 
defeitos tripolares ou bipolares com terra.
*Recomendações:
a) geradores igual ou superior a 1.000 kVA;
b) geradores com tensão igual ou superior a 5.000 V; e
c) geradores com tensão igual ou superior a 2.200 V e capacidade
nominal superior a 500 kVA.
Proteção de barramentos
*O barramento principal de uma subestação concentra uma grande
quantidade potência e, portanto, pode provocar sérias perturbações no
sistema elétrico quando está submetido a uma falta;
*A proteção de barramento deverá garantir para cada barra protegida uma
rápida intervenção da proteção, porém de forma seletiva;
*A proteção de barramento pode ser realizada utilizando os seguintes
métodos:
proteção diferencial;
proteção de distância, utilizando a segunda zona de proteção.
Proteção de barramentos: arranjos
Barra simples Barra seccionada Barra dupla com disjuntor
Proteção de barramentos: balanço de correntes
*Esquema pouco utilizado: os secundários dos TCs são conectados em
paralelo a um relé de sobrecorrente. A soma vetorial das correntes nos
alimentadores é nula, logo não há corrente fluindo no relé diferencial 87.
*Se houver saturação dos TCs poderá fluir uma corrente no relé de
sobrecorrente que realizará uma operação indesejada.
Proteção de barramentos: diferencial percentual
*Defeito externo à zona de proteção → corrente na bobina de restrição do relé
diferencial; a corrente na bobina de operação, devido à saturação do TC será
pequena; ajustar o relé para não atuar para uma dada relação percentual.
*Requisitos básicos: dimensionar os TCs de forma a impedir sua saturação;
utilizar relés de seção elevada (6𝑚𝑚2); e evitar utilizar relés instantâneos.
Referências principais
A. C. Caminha, “Introdução a proteção de sistemas elétricos”, São Paulo:
p.40-49, 1977.
C. Mardegan, “Dispositivos de proteção – Parte 1 e 2”, São Paulo: Revista O
Setor Elétrico, Fascículos 50/51/56/57, 2010.
W.D. Steveson Jr., “Elementos de Análise de Sistemas de Potência,” São
Paulo: MacGraw-Hill, 2.ed, p. 373-375, 1986.