Módulo 13 - Relés de Distância

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�Proteção de Sistemas Elétricos �
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1 – INTRODUÇÃO
O valor da corrente de curto-circuito, como se sabe, varia de acordo com a impedância medida desde a fonte até o ponto de defeito.
Sabe-se, também, que numa linha de transmissão a impedância Z é diretamente proporcional à distância entre o ponto de instalação do relé e o ponto de defeito. Por isso, esses relés são denominados relés de distância, que é um nome genérico dado aos aparelhos que de um modo ou de outro utilizam este princípio para proteger uma linha de transmissão. Existem, na realidade, vários relés baseados neste princípio, a saber:
relé de impedância (OHM);
relé de reatância;
relé de admitância (MHO).
A aplicação de um ou outro relé de distância está condicionada à característica do sistema no qual irá operar, ou seja:
o relé de impedância é indicado para a proteção de linhas de transmissão consideradas de comprimento médio para o seu nível de tensão. No caso de uma linha de transmissão de 230 kV, pode-se considerar como média aquela de comprimento igual a 200 km;
o relé de reatância é indicado para a proteção de linhas de transmissão consideradas de comprimento curto para o seu nível de tensão. Foi desenvolvido para reduzir o efeito do arco no ponto de balanço do relé, durante a ocorrência de um defeito;
o relé de admitância é indicado para a proteção de linhas de transmissão consideradas de comprimento longo para o seu nível de tensão;
o ajuste do relé de distância deverá ser realizado de forma a se obter torque positivo para valores de impedância abaixo do valor ajustado, normalmente tomado como percentagem do comprimento da linha de transmissão.
O entendimento do funcionamento do relé de distância será melhor entendido a partir do exame da Fig. 10.98.
Fig. 10.98 – Representação de um sistema de potência
Para um defeito no ponto P da linha L3 temos as seguintes considerações:
no momento do defeito a tensão no ponto P é nula;
as correntes 
 e 
 que circulam nas linhas L1 e L3 podem ser consideradas constantes ao longo das respectivas linhas;
a tensão cresce a partir do ponto de defeito na direção das fontes G1 e G2, considerando desprezível a resistência do arco;
a impedância cresce a partir do ponto de defeito na direção das fontes G1 e G2, tal como ocorre com a tensão.
Na presença do defeito no ponto P os relés indicados na Fig. 10.98 reagirão da seguinte forma, independentemente se são unidade eletromecânicas ou digitais:
início da contagem do tempo de acordo com o esquema de proteção utilizado;
atuação da unidade de seleção de fases, de acordo com a Fig. 10.99;
a unidade de seleção aciona as unidades direcionais e de medida;
a unidade direcional recebe da unidade de seleção os valores da corrente de defeito e da tensão de polarização, a partir de quais informações a unidade direcional abre ou fecha seus contatos liberando o relé para operação;
a unidade de medida recebe da unidade de seleção os valores da tensão e da corrente de defeito.
De forma geral, os relés de distância apresentam os aspectos funcionais mostrados na Fig. 10.99.
Fig. 10.99– Aspectos funcionais dos relés de distância
A partir dessas considerações a atuação dos relés ocorrerá de acordo com a seguinte lógica, previamente definida no projeto de proteção.
o relé 
 deverá operar primeiramente, pois a impedância vista por ele é menor do que a impedância vista pelos demais;
em seguida irá operar o relé 
, obedecendo o valor da impedância;
o relé 
 é considerado relé de segunda contingência, isto é, na falha de operação do conjunto disjuntor da barra B + relé 
 o relé 
 operaria;
os relés 
e 
 “vêem” a impedância de defeito com praticamente o mesmo valor; devem ser ajustados de forma a atuar somente o relé 
, já que a atuação do relé 
 implicará na desernegização das linhas L4 e L5.
para que os relés 
e 
 sejam coordenados nesse tipo de evento é necessário que sejam equipados com unidades direcionais.
2 - Relé de distância eletromecânico
Esses relés utilizam unidades de operação do tipo convencional, através de bobinas de tensão e corrente, uma armadura de ferro e um disco de indução. Cada relé possui duas ou mais unidades ôhmicas.
A unidade ôhmica utiliza a impedância 
, medida desde o início da linha, onde está instalado, até o ponto de defeito. Nesse caso, o valor da resistência de arco no ponto de defeito é desprezada. Esse tipo de unidade apresenta um torque expresso pela Equação.
	
- corrente do circuito;
- ângulo de defasagem entre V e I;
- ângulo de projeto do relé;
- constante da mola de restrição.
Observa-se que a parcela 
 é diretamente proporcional ao quadrado da corrente circulante, enquanto a parcela 
 é diretamente proporcional à tensão, à corrente circulante e ao co-seno do ângulo 
.
Analisando-se a posição de equilíbrio da unidade, isto é, a posição em que esta unidade está no limite de sua atuação, ponto de balanço, onde 
, obtém-se, em conseqüência, para 
:
	
Como 
 vale a impedância do circuito, logo se tem:
	
A Equação (10.29) representa uma reta num plano
, conforme mostrado na Fig. 10.100. Ela indica o lugar geométrico para o torque nulo do relé. O torque positivo ocupa o semiplano inferior limitado pela reta, e o negativo, o semiplano superior. Se os valores de 
forem mantidos constantes e se se variar o ângulo de projeto 
, obtêm-se diversas retas tangentes ao círculo, cujo raio é definido por 
, conforme mostra a Fig. 10.101. Se forem modificados os valores de 
 e mantido constante o ângulo 
, obtém-se uma família de curvas paralelas, de conformidade com a Fig. 10.102.
 
 Fig. 10.100 – Características de distância Fig. 10.101 – Características do 
 variável
2.1 - Relé de distância à impedância
São relés que apresentam o seguinte torque:
	
Para a posição de equilíbrio, obtém-se:
	
Fig. 10.102 – Características dos relés de distância para 
 e 
 constantes
O relé de impedância é constituído normalmente das seguintes unidades:
unidade de partida, em geral do tipo direcional;
unidade de medida de impedância;
unidade de temporização;
unidade de bandeirola e selagem.
A Equação (10.31) apresenta um círculo com centro na origem e cuja representação gráfica está mostrada na Fig. 10.103.
Fig. 10.103 - Característica do relé de distância
A Fig. 10.104 mostra o diagrama de comando simplificado de um relé de impedância. Já a Fig. 10.105 mostra o escalonamento da proteção, relacionando o comprimento da linha de transmissão com o tempo de atuação do relé.
Fig. 10.104 – Diagrama elétrico
Como o relé dispõe de uma unidade direcional, logo deve-se indicar o semi-plano que limita os torques positivo e negativo (restrição) do relé, conforme se pode observar na Fig. 10.103.
O ângulo de torque máximo é ajustado na fábrica, sendo, em geral, de 
, com corrente em atraso da tensão. Quando se trata de linha de transmissão, esses ajuste permanece, já que nesses casos o ângulo é geralmente superior a 
 (condição de curto-circuito). Para situações diferentes é necessário se proceder aos ajustes de acordo com o caso.
Fig. 10.105 – Diagrama de zonas de cobertura
O ajustes do relé de impedância podem ser feitos com base no resultado da Equação (10.32).
	
- impedância do sistema de potência referida ao circuito secundário dos transformadores de medida, em 
;
- impedância primária do sistema e potência, em 
;
- valor em 
 do comprimento da linha que se quer proteger.
Quando ao longo do sistema há um transformador de potência, o seu valor ôhmico pode ser calculado pela Equação (10.33).
	
- tensão nominal primária do transformador, em kV;
- potência nominal do transformador, em kVA;
- impedância percentual do transformador, em %.
2.1.1 – Relé de distância à impedância modificada
Quando for necessário um relé de impedância de característica cujocentro não passe pelo centro do diagrama R-X de acordo com a Fig. 10.105, pode-se empregar o relé direcional de distância à impedância modificada cuja característica operacional é toda na Fig. 10.106.
Essa característica pode ser obtida a partir do relé de impedância polarizando o circuito de retenção por tensão. 
Fig. 10.106 – Característica do relé à impedância modificado
2.2 - Relé de distância à reatância
Esse relé, doravante chamado de relé de reatância, utiliza a reatância medida desde o início da linha, onde está instalado o relé, até o ponto de defeito.
os relés de reatância são empregados nos sistemas em que a variação da resistência de arco é considerada significativa, já que esses relés não levam em consideração a influência dessa resistência.
nesse caso particular, o emprego do relé de impedância seria inadequado porque ele contempla o valor da resistência de arco.
qualquer variação no valor dessa resistência, no momento do defeito, não prejudicará o desempenho do relé de reatância.
De acordo com a literatura corrente, a resistência do arco pode ser dada pela Equação (10.34).
	
- comprimento do arco, em cm;
- corrente de curto-circuito, em A.
O comprimento de arco 
 corresponde à distância entre os dois pontos de fases diferentes onde ocorre o defeito. No caso de uma falta entre duas fases de uma linha de transmissão de 69 kV, onde os condutores se aproximaram de uma distância de 240 cm e a corrente de curto-circuito foi de 500 A, a resistência de arco vale:
O relé de reatância está baseado na relação entre o componente indutivo da queda de tensão na linha de transmissão devido à ocorrência do curto-circuito e a corrente de defeito correspondente, ou seja:
	
A Fig. 10.107 mostra as partes funcionais típicas de um relé de reatância. Destacam-se a unidade direcional de sobrecorrente, caracterizada por uma bobina de tensão, e a unidade de sobrecorrente.
Fig. 10.107 – Relé de reatância eletromecânico
Seu funcionamento está baseado no fluxo produzido pelos enrolamentos de tensão e de corrente, cujo valor é proporcional às grandezas presentes. Com base na Equação (10.27) faz-se o ângulo 
 igual a 
, o que resulta na Equação (10.36), considerando a condição de balanço, isto é, T = 0.
	
Como 
, logo tem-se:
	
Finalmente, tem-se:
	
Esta equação representa uma reta paralela ao eixo da resistência num plano R - X, como visto na Fig. 10.108. Esta reta representa a condição para T = 0. No semiplano acima da reta, tem-se a condição de torque negativo e no semiplano abaixo, a condição de torque positivo. O torque máximo do relé, como se pode notar pela Equação (10.36), é obtido para 
, enquanto se verifica também que o torque de operação é tanto maior quanto menor for a tensão presente, conforme Equação (10.27). O ajuste do relé de reatância pode ser feito a partir da Equação (10.39).
	
- reatância do sistema de potência referida ao circuito secundário dos transformadores de medida, em 
;
- reatância primária do sistema de potência, em 
;
- valor, em 
, do comprimento da linha que ser quer proteger.
Fig. 10.108 – Característica do relé de distância
2.3 - Relé de distância à admitância (MHO)
esses relés são particularmente indicados na proteção de fase de linhas de transmissão longas.
os relés de distância à admitância são sensíveis à resistência de arco, devido à corrente de curto-circuito.
Os relés de distância à admitância são também conhecidos como relés MHO e aqui serão tratados apenas como relés à admitância.
os relés apresentam um conjugado que varia segundo a Equação (10.40).
 
a parcela 
 é diretamente proporcional ao quadrado da tensão, e a parcela 
 é diretamente proporcional à tensão, à corrente e ao co-seno do ângulo 
.
para a posição em que o relé está no limite de sua operação (ponto de balanço), onde T = 0, obtém-se, em conseqüência, para 
.
a equação representa uma expressão polar de uma circunferência, conforme mostrado na Fig. 10.109. Ela representa o lugar geométrico para o torque nulo do relé;
 o torque positivo está caracterizado para os pontos situados no interior da circunferência;
o torque negativo está caracterizado pelos pontos situados fora da referida circunferência.
 
Fig. 10.109 – Relé de distância: expressão de Z Fig. 10.110 – Relé de distância: 
 variável
se os valores de 
 forem mantidos constantes e se variar o ângulo de projeto 
 , obtém-se diversas circunferências passando pelo ponto 0 no plano R - X, conforme se vê na Fig. 10.110;
se forem modificados os valores de 
 e mantido constante o ângulo 
, obtém-se uma família de circunferências passando pelo ponto comum no plano R - X, conforme mostra a Fig. 10.111.
Fig. 10.111 – Característica do relé de distância
O relé de distância à admitância é constituído normalmente das seguintes unidades:
 unidade de partida, em geral do tipo direcional;
 unidade de medida de admitância 
, compostos por três unidades: 
.
Como os relés de distância à impedância, os relés de distância à admitância são caracterizados pelas zonas de proteção que podem atingir em função dos ajustes empregados nas unidades MHO. O diagrama de comando simplificado é visto na Fig. 10.112. 
Fig. 10.112 – Diagrama de comando do relé de admitância
EXEMPLO DE APLICAÇÃO
Considerar o sistema mostrado na Fig. 10.113. Calcular os ajustes dos relés de distância a impedância instalados na subestação A. A carga máxima das linhas 
 está limitada a 75% da capacidade de condução de corrente dos condutores.
Fig. 10.113 – Diagrama do sistema elétrico
a) Impedância das linhas e transformadores
(Tab. 4.33 do Capítulo 4)
(Tab. 4.33 do Capítulo 4)
Considerando que a temperatura do cabo da linha de transmissão em operação seja de 
�C, tem-se:
A impedância do transformador de 20 MVA vale:
 (Capítulo 12)
A impedância média ôhmica vale aproximadamente:
fase
b) Cálculo da RTP 
- tensão no primário do TP;
- tensão no secundária do TP.
c) Cálculo do RTC
 (capacidade de corrente do condutor: Tab. 4.33 do Capítulo 4)
Logo, a RTC1 = 500 - 5: 100
d) Relação RTP/RTC
e) Determinação das distâncias de proteção
 Primeira zona: 
A distância protegida vale:
Ou ainda, neste caso simples:
Segunda zona: 
Deve cobrir 50% do comprimento da linha 
.
A distância protegida vale:
Ou ainda: 
Terceira zona: 
Deve cobrir o sistema além do transformador de 20 MVA.
A distância protegida vale:
A Fig. 10.113 mostra o gráfico de escalonamento das distâncias de proteção do sistema.
f) Ângulo de linha
A resistência do transformador vale:
Logo, a resistência e reatância totais do sistema valem:
g) Ajuste das impedâncias
Impedâncias secundárias
Pode-se aplicar também a Equação (10.32).
h) Ajuste dos tempos de disparo
Os tempos de disparo devem também contemplar a seletividade com outros aparelhos e serão assim ajustados;
Primeira zona: 
Segunda zona: 
Terceira zona: 
Nota: Se fosse escolhido um relé de reatância, deveriam ser computados somente os valores de reatância dos cabos e transformadores.
3 - Relé de distância DIGITAL
3.1 - Unidade de medida de distância
Os relés digitais dispõem, geralmente, de quatro zonas de proteção independentes. As características básicas dessas unidades são:
a) Características de impedância
Essa característica é utilizada pelos relés para realizar a medição de distância das faltas. 
b) Característica de reatância
Neste caso, o ajuste a considerar leva em conta somente a reatância do sistema.
c) Característica MHO
Em geral, os relés digitais do tipo MHO são polarizados pela corrente de seqüência positiva correspondente à fase considerada.3.2 - Unidade de supervisão para frente e para trás
Os relés digitais possuem uma unidade de sobrecorrente que tem a função de supervisionar a operação das unidades de medida de distância, estabelecendo um valor mínimo de corrente de atuação. Essas unidades de supervisão são compostas por uma sub-unidade de supervisão para a frente e uma sub-unidade de supervisão para trás. 
A unidade de supervisão referida é essencialmente uma unidade de sobrecorrente, sendo sensibilizada pela corrente de fase ou a corrente entre fases cujo valor supere o valor de ajuste. Não tem a função de detectar a direção da falta. Se caracteriza pela função de operação das unidades de medida de cada zona, coordenando o ajuste de direção relacionado no relé.
Fig. 10.114 – Frontal de um relé de distância de fabricação Inepar
3.3 – Sistemas de teleproteção
Alguns relés de distância são complementados com um sistema de teleproteção para atuação quando da ocorrência de faltas na linha não cobertas pela proteção de primeira zona.
No sistema de teleproteção os sinais são transferidos de um ponto ao outro extremo de uma linha de transmissão através de diferentes meios de comunicação, ou seja:
a) Onda portadora
Também conhecida como sistema de comunicação carrier. Seu funcionamento se baseia na transferência de uma corrente de baixa tensão, baixa intensidade e alta frequência, variando de 20 a 400 kHz, entre um terminal A e um terminal B de uma linha de transmissão. A corrente referida é conduzida pelo próprio condutor da linha de transmissão.
O sistema de onda portadora normalmente é composto pelos seguintes elementos:
transmissor- receptor
Tem a função de enviar um sinal de alta frequência ao capacitor de acoplamento conectado à linha, sempre que receber uma informação do sistema de proteção.
capacitor de acoplamento
Tem a função de injetar o sinal recebido pelo transmissor-receptor na linha de transmissão. Neste caso, o capacitor funciona como um filtro, deixando passar os sinais de corrente de alta frequência e bloqueando as correntes de baixa frequência, no caso, as correntes de carga.
filtro de onda
Tem como função separar as correntes de alta frequência, no caso o sinal carrier, e as de baixa frequência que são as correntes de carga, no extremo oposto da linha. 
b) Fibra óptica
A teleproteção poderá ser viabilizada através de um cabo de fibra ótica instalado no interior do cabo de potência da linha de transmissão. 
Tanto o sistema de onda portadora, como o uso do cabo de fibra ótica apresentam deficiências operacionais, pois dependem da integridade da linha de transmissão para que funcionem.
c) Sistema de telefonia
A teleproteção através do sistema de telefonia a longa distância, ou através da própria internet tem sido muito empregado atualmente. Esse sistema independe da integridade da linha de transmissão.
Alguns modelos de relés digitais apresentam os seguintes esquemas de teleproteção.
a) Atuação por distância escalonada
Esse esquema não está propriamente integrado ao sistema de teleproteção. Funciona ajustando-se uma temporização para cada zona a fim de gerar os sinais de atuação. Se for utilizado um dos esquemas adiante mencionados os sinais gerados aqui complementarão o funcionamento das outras funções.
3.4 – Oscilografia
Os relés de distância, normalmente são dotados de uma unidade de detecção de oscilação de energia. Seu princípio de operação é baseado na velocidade que a impedância vista pelo relé passa de uma zona fora da zona de proteção, ajustada na unidade MHO do relé, até o valor da referida impedância ajustada, de forma que esse tempo seja superior a um determinado valor ajustado, normalmente, em 30 ms, podendo-se considerar que não existe um defeito na linha mas apenas uma oscilação de energia.
3.5 – Características técnicas
A seguir são mencionadas as principais características técnicas dos relés de distância de fabricação ZiV, ou seja:
corrente nominal: 1 A e 5 A;
tensão de alimentação auxiliar: 24 a 48 Vcc – 110 a 125 Vcc e 220 a 250 Vcc;
carga em repouso: 8 W;
carga máxima: 20 W;
capacidade térmica permanente: 
;
capacidade térmica durante 3 segundos: 
;
limite dinâmico: 
;
módulo de seqüência positiva: 0,01 a 50 (;
ângulo de seqüência positiva: 25 a 900 (em passos de 10);
ângulo de seqüência zero: 25 a 900 (em passos de 10);
fator de compensação de seqüência zero: 1 a 8 (em passos de 0,01);
comprimento da linha 0,0 a 400 (em passos de 0,01);
unidade de comprimento da linha: km/milhas;
unidade do localizador: comprimento / % comprimento da linha.
As curvas tempo e corrente do relé em apreço podem ser encontradas nas Fig. 10.115 e 10.116.
 
 Fig. 10.115 – Curva inversa Fig. 10.116 – Curva muito inversa
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