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Definições básicas de um sistema de potência e sua respectiva proteção Prof. Tarcísio Oliveira de Moraes Júnior Aula_02 2/84 Roteiro 1. Matriz Energética 2. Sistema Elétrico de Potência 3. Proteção de SEP Matriz Energética 4/84 Matriz Energética O que é matriz energética? Trata-se do conjunto de fontes de energia que um país prioriza de acordo com a disponibilidade de recursos e viabilidade econômica. A matriz energética de um país pode ter sua base em fontes de energia renováveis ou não renováveis. 5/84 Matriz Energética Solar Eólica Hidráulica Fontes Renováveis Biomassa Etanol Não renováveis Petróleo Carvão Mineral Nuclear Gás Natural 6/84 Matriz Energética Matriz mundial 4,5 22 39,1 10,6 16,8 0,3 1,9 3,4 1,1 0,3 PETRÓLEO E DERIVADOS GÁS NATURAL CARVÃO MINERAL URÂNIO HIDRO OUTRAS NÃO RENOVÁVEIS BIOMASSA SÓLIDA EÓLICA SOLAR GEOTÉRMICA Oferta interna de energia elétrica, por fonte (%) - 2016 Fonte: Ministério de Minas e Energias 7/84 Matriz Energética Matriz brasileira Fonte: Ministério de Minas e Energias – Boletim janeiro 2017 8/84 Matriz Energética Comparação da matriz energética brasileira e mundial Fonte: Ministério de Minas e Energias O Brasil possui a matriz energética mais renovável do mundo!!! Sistema Elétrico de Potência (SEP) Estrutura organizacional e os agentes do setor elétrico brasileiro Função e requisito básicos Estrutura básica 10/84 Sistema Elétrico de Potência Estrutura organizacional e os agentes do setor elétrico brasileiro 11/84 Sistema Elétrico de Potência Sistema Interligado Nacional (SIN) Até 1999, o Brasil possuía vários sistemas elétricos desconectados, o que impossibilitava uma operação eficiente das bacias hidrográficas regionais e da transmissão de energia elétrica entre as principais usinas geradoras. O Sistema Interligado de eletrificação permite que as diferentes regiões permutem energia entre si, quando uma delas apresenta queda no nível dos reservatórios. Como o regime de chuvas é diferente nas regiões Sul, Sudeste, Norte e Nordeste, os grandes troncos (linhas de transmissão) possibilitam que os pontos com produção insuficiente de energia sejam abastecidos por centros de geração em situação favorável. 12/84 Sistema Elétrico de Potência Representação do Sistema Interligado Nacional http://www.ons.org.br/paginas/sobre-o-sin/mapas http://www.ons.org.br/paginas/sobre-o-sin/mapas 13/84 Sistema Elétrico de Potência Vantagens do Sistema Interligado: • Aumento da estabilidade – sistema torna-se mais robusto podendo absorver, sem perda de sincronismo, maiores impactos elétricos. • Aumento da confiabilidade – permite a continuidade do serviço em decorrência da falha ou manutenção de equipamento, ou ainda devido às alternativas de rotas para fluxo da energia. • Aumento da disponibilidade do sistema – a operação integrada acresce a disponibilidade de energia do parque gerador em relação ao que se teria se cada empresa operasse suas usinas isoladamente. 14/84 Sistema Elétrico de Potência Vantagens do Sistema Interligado: • Mais econômico – permite a troca de reservas que pode resultar em economia na capacidade de reservas dos sistemas. O intercâmbio de energia está baseado no pressuposto de que a demanda máxima dos sistemas envolvidos acontece em horários diferentes. O intercâmbio pode também ser motivado pela importação de energia de baixo custo de uma fonte geradora, como por exemplo, a energia hidroelétrica para outro sistema cuja fonte geradora apresenta custo mais elevado. Desvantagens do Sistema Interligado : • Distúrbio em um sistema afeta os demais sistemas interligados. • A operação e proteção tornam-se mais complexas. Sistema Elétrico de Potência (SEP) Estrutura organizacional e os agentes do setor elétrico brasileiro Função e requisito básicos Estrutura básica 16/84 Sistema Elétrico de Potência Função Básica dos Sistemas Elétricos de Potência: • Fornecer energia elétrica aos consumidores (grandes ou pequenos); • Com qualidade adequada; • No instante em que for solicitada. 17/84 Sistema Elétrico de Potência Requisitos de um Sistemas Elétricos de Potência: • Continuidade - energia elétrica sempre disponível ao consumidor; • Conformidade - fornecimento de energia deve obedecer a padrões; • Flexibilidade - adaptação as mudanças contínuas de topologia; • Segurança - fornecimento de energia elétrica não deve causar riscos aos consumidores; • Manutenção - propriedade de ser devolvido à operação o mais rápido possível em caso de panes no sistema. 18/84 Sistema Elétrico de Potência Para que isso seja possível: • Operação, Controle, Investimentos, Planejamento, etc. • Ferramentas de Análise - fluxo de potência, cálculo de curto, otimização, etc. Sistema Elétrico de Potência (SEP) Estrutura organizacional e os agentes do setor elétrico brasileiro Função e requisito básicos Estrutura básica 20/84 Sistema Elétrico de Potência Estrutura básica do SEP 21/84 Sistema Elétrico de Potência Diagrama unifilar do SEP 22/84 Sistema Elétrico de Potência Constituição do SEP em miúdos... Padronização Brasileira • Geração: 13,8 kV; • Transmissão (EAT): 345 kV, 500 kV e 765 kV; • Subtransmissão (AT): 69 kV, 138 kV e 230 kV; • Distribuição (média tensão): 13,8 kV e 34,5 kV. 23/84 Sistema Elétrico de Potência Constituição do SEP - Geração Responsável pela produção da energia elétrica. Formado por Centrais Elétricas que convertem alguma forma de em energia elétrica. No Brasil, níveis de Tensão nos terminais dos geradores: • Usual: 13,8 kV Os produtores de energia podem ser classificados de acordo com as seguintes configurações: • SIN – fornecimento de 98% • Sistemas Isolados – fornecimento de 2% • Autoprodutor Cativo – auto fornecimento 24/84 Sistema Elétrico de Potência Constituição do SEP - Geração Fonte: ANEEL 2017 25/84 Sistema Elétrico de Potência Constituição do SEP - Transmissão Responsável pelo transporte da energia elétrica dos centros de geração aos de consumo. Formado por linhas de transmissão, Transformadores, etc. No Brasil: Transmissão • Padronizadas: 138; 230; 345; 500 e 750 kV Subtransmissão: • Padronizadas: 34,5; 69 e 138 kV 26/84 Sistema Elétrico de Potência Constituição do SEP - Transmissão 27/84 Sistema Elétrico de Potência Constituição do SEP - Subtransmissão O sistema de subtransmissão é o elo que tem a função de captar a energia em grosso das subestações de subtransmissão e transferi-las às SE de distribuição e aos consumidores. Os consumidores em tensões de subtransmissão são representados por grandes instalações industriais, estações de tratamento e bombeamento de água. 28/84 Sistema Elétrico de Potência Constituição do SEP - Subtransmissão Arranjos típicos de rede de subtransmissão 29/84 Sistema Elétrico de Potência Constituição do SEP - Distribuição Realiza a distribuição da energia elétrica recebida do sistema de transmissão aos consumidores finais. No Brasil: Distribuição Primária: • Padronizadas: 13,8 e 34,5 kV Distribuição Secundária: • Padronizadas: 127/220 V e 220/380 V 30/84 Sistema Elétrico de Potência Constituição do SEP - Distribuição 31/84 Sistema Elétrico de Potência Constituição do SEP - Distribuição Barra dupla com dois circuitos de Suprimento • Este arranjo é utilizado em regiões com maior densidade de carga; • Aumenta-se o número de transformadores o que torna a SE com maior confiabilidade e maior flexibilidade operacional. 32/84 Sistema Elétrico de Potência Constituição do SEP - Distribuição Barra Dupla com disjuntor de transferência • Este arranjo é uma evolução do arranjo anterior; • Distribuição dos circuitos de saída em vários barramentos; • Maior flexibilidade na transferência de blocos de carga entre os transformadores. Proteção de SEP Definições Básicas Estatísticas da Interrupção Custos da Interrupção Requisitos Básicos de Proteção de um SEP EstruturaBásica de um Sistema de Proteção 34/84 Proteção de SEP Definições Básicas Definições básicas Sistema Elétrico Falha Interrupção de fornecimento de energia Redução da qualidade do serviço prestado Curto-circuito Distúrbios de tensão Danos irreparáveis ao sistema Sobrecarga Sub e sobretensão por descargas atmosféricas e manobras Função da proteção Operação e Supervisão Informação 35/84 Proteção de SEP Definições Básicas Então, quais são os critérios observados para detecção de uma falta em um SEP? 36/84 Proteção de SEP Definições Básicas Critérios: • Elevação da corrente; • Elevação e redução da tensão; • Inversão do sentido da corrente; • Alteração da impedância do sistema; • Comparação de módulo e ângulo de fase na entrada e na saída do sistema. 37/84 Proteção de SEP Definições Básicas Relembrando... Os curtos-circuitos de um SEP podem ser: • Monofásicos; • Bifásicos sem a terra; • Bifásicos com a terra; • Trifásicos; • Abertura de um condutor; • Abertura de dois condutores. São de curta duração com corrente extremamente elevadas e desbalanceamento na rede. 38/84 Proteção de SEP Definições Básicas As sobrecargas são.... ... procedimento incorreto de sua operação; ... são prolongadas; ... elevação moderada da corrente. 39/84 Proteção de SEP Definições Básicas As concessionárias de energia elétrica, geradores e distribuidores, acompanham e avaliam rigorosamente as interrupções de seus sistemas. Proteção de SEP Definições Básicas Estatísticas da Interrupção Custos da Interrupção Requisitos Básicos de Proteção de um SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção 41/84 Proteção de SEP Estatísticas da Interrupção Portanto, pode-se calcular os dados médios das interrupções, como: Causas das interrupções Origem das interrupções Duração das interrupções 42/84 Proteção de SEP Estatísticas da Interrupção Causas das interrupções • Fenômenos naturais 48%; • Falhas em materiais e equipamentos 12%; • Falhas humanas 9%; • Falhas diversas 9%; • Falhas operacionais 8%; • Condições ambientais; 6%; • Falhas na proteção e medição; 4%; • Objetos estranhos sobre a rede 4%. 43/84 Proteção de SEP Estatísticas da Interrupção Origem das interrupções • Linha de transmissão 68%; • Rede de distribuição 10%; • Barramento de subestação 7%; • Transformador de potência 6%; • Próprio sistema 4%; • Consumidor 4%; • Gerador 1%. 44/84 Proteção de SEP Estatísticas da Interrupção Duração das interrupções (T em minutos) • 1 < T ≤ 3 57%; • 3 < T ≤ 15 21%; • T > 120 9%; • 15 < T ≤ 30 6%; • 30 < T ≤ 60 4%; • 60 < T ≤ 120 3%. 45/84 Proteção de SEP Estatísticas da Interrupção Quanto ao tipo de curto: • Curto-circuito trifásico 8%; • Curto-circuito bifásico 14%; • Curto-circuito fase e terra: 78%. 46/84 Proteção de SEP Estatísticas da Interrupção Um fato curioso.... Existe um tipo de interrupção bastante característico dos sistemas de distribuição, urbano ou rural, denominado defeito fugitivo. Corresponde à falta monopolar à terra de curtíssimo tempo, como, por exemplo, a palha de uma palmeira tocando os condutores de uma rede aérea devido a uma rajada moderada de vento. As estatísticas mostram que cerca de 80% do total das interrupções são classificadas como fugitivas. Proteção de SEP Definições Básicas Estatísticas da Interrupção Custos da Interrupção Requisitos Básicos de Proteção de um SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção 48/84 Proteção de SEP Custos da Interrupção As interrupções geram custos de duas naturezas: • Custos financeiros - correspondem à perda de faturamento da concessionária devido à energia não vendida. • Custo social: (a) custos financeiros do cliente por perda de faturamento de sua unidade de negócio, no caso de atividades industriais e comerciais; (b) custos com a imagem da concessionária junto aos seus clientes. Proteção de SEP Definições Básicas Estatísticas da Interrupção Custos da Interrupção Requisitos Básicos de Proteção de um SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção 50/84 Proteção de SEP Requisitos Básicos de Proteção de um SEP Um projeto de proteção deve considerar algumas propriedades fundamentais para se obter um bom desempenho: • Seletividade • Zonas de atuação • Velocidade • Sensibilidade • Confiabilidade • Automação 51/84 Proteção de SEP Requisitos Básicos de Proteção de um SEP Seletividade Técnica utilizada no estudo de proteção e coordenação, por meio da qual somente o elemento de proteção mais próximo do defeito desconecta a parte defeituosa do sistema elétrico. 52/84 Proteção de SEP Requisitos Básicos de Proteção de um SEP Zonas de atuação Durante a ocorrência de um defeito, o elemento de proteção deve ser capaz de definir se aquela ocorrência é interna ou externa à zona protegida. Se a ocorrência está nos limites da zona protegida, o elemento de proteção deve atuar e acionar a abertura do disjuntor associado, num intervalo de tempo definido no estudo de proteção. Se a ocorrência está fora dos limites da zona protegida, o relé não deve ser sensibilizado pela grandeza elétrica do defeito ou, se for, deve ter bloqueado o seu sistema restritor de atuação. 53/84 Proteção de SEP Requisitos Básicos de Proteção de um SEP Velocidade Desde que seja definido um tempo mínimo de operação para um elemento de proteção, a velocidade de atuação deve ser a de menor valor possível, a fim de propiciar as seguintes condições favoráveis: • Reduzir ou mesmo eliminar as avarias no sistema protegido. • Reduzir o tempo de afundamento da tensão durante as ocorrências nos sistemas de potência. • Permitir a ressincronização dos motores. 54/84 Proteção de SEP Requisitos Básicos de Proteção de um SEP Sensibilidade Consiste na capacidade de o elemento de proteção reconhecer com precisão a faixa e os valores indicados para a sua operação e não operação. Confiabilidade É a propriedade do elemento de proteção cumprir com segurança e exatidão as funções que lhe foram confiadas. 55/84 Proteção de SEP Requisitos Básicos de Proteção de um SEP Automação Consiste na propriedade do elemento de proteção operar automaticamente quando for solicitado pelas grandezas elétricas que o sensibilizam e retornar, se for conveniente, sem auxílio humano à posição de operação depois de cessada a ocorrência. 56/84 Proteção de SEP Requisitos Básicos de Proteção de um SEP Existem ainda outras propriedades fundamentais para o bom desempenho dos dispositivos de proteção: • Os relés não devem ser sensibilizados pelas sobrecargas e sobretensões momentâneas. • Os relés não devem ser sensibilizados pelas oscilações de corrente, tensão e frequência ocorridas naturalmente no sistema, desde que consideradas normais pelo projeto. • Os relés devem ser dotados de bobinas e circuitos de pequeno consumo de energia. • Os relés devem ter suas características inalteradas para diferentes configurações do sistema elétrico. Proteção de SEP Definições Básicas Estatísticas da Interrupção Custos da Interrupção Requisitos Básicos de Proteção de um SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção 58/84 Proteção de SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção De modo geral, a proteção de um sistema de potência é projetada tomando como base os fusíveis e os relés incorporados necessariamente a um disjuntor, que é, na essência, a parte mecânica responsável pela desconexão do circuito afetado com a fonte supridora. 59/84 Proteção de SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção O fusível representa uma gama numerosa de dispositivos que são capazes de interromper o circuito ao qual estão ligados, sempre por meio da fusão de seu elemento metálico de proteção. São normalmente empregados nos sistemas de distribuição de média tensão e muito raramente nos sistemas de alta tensão, devido à sua baixa confiabilidade e à dificuldade de se obter sistemas seletivos. 60/84 Proteçãode SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção Já os relés representam outra gama de dispositivos, com as mais diferentes formas de construção e funções incorporadas, para aplicações diversas, dependendo da importância, do porte e da segurança da instalação considerada. Os relés sempre devem atuar sobre o equipamento responsável pela desconexão do circuito elétrico afetado, normalmente o disjuntor ou o religador. 61/84 Proteção de SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção Esquema básico de funcionamento de um relé Unidade de entrada: Corresponde aos equipamentos que recebem as informações de distúrbios do sistema elétrico, tais como transformadores de corrente e de potencial, e enviam esses sinais à unidade de conversão do relé de proteção. As unidades de entrada também oferecem uma isolação elétrica entre o sistema e os dispositivos de proteção, evitando que tensões e correntes elevadas sejam conduzidas a esses dispositivos. Unidade de entrada Unidade de conversão Unidade de medida Unidade de saída Unidade de acionamento do circuito Fonte de tensão auxiliar Relé Sinal S is te m a 62/84 Proteção de SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção Esquema básico de funcionamento de um relé Unidade de conversão de sinal: É o elemento interno aos relés que recebe os sinais dos transformadores de corrente e de potencial e os transforma em sinais com modulação adequada ao nível de funcionamento dos relés. Unidade de entrada Unidade de conversão Unidade de medida Unidade de saída Unidade de acionamento do circuito Fonte de tensão auxiliar Relé Sinal S is te m a 63/84 Proteção de SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção Esquema básico de funcionamento de um relé Unidade de medida: Ao receber os sinais da unidade de conversão, a unidade de medida compara as suas características (módulos da corrente e tensão, ângulo de fase, frequência etc.) com os valores que foram previamente armazenados nela e tidos como referência de operação. Caso os sinais de entrada apresentem valores superiores aos valores previamente ajustados, a unidade de medida envia um sinal à unidade de saída. Unidade de entrada Unidade de conversão Unidade de medida Unidade de saída Unidade de acionamento do circuito Fonte de tensão auxiliar Relé Sinal S is te m a 64/84 Proteção de SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção Esquema básico de funcionamento de um relé Fonte de tensão auxiliar: É a unidade que fornece energia às unidades de medida para processar as informações e à unidade de saída. Também fornece energia à unidade de acionamento, às vezes constituída por uma pequena bobina que aciona um contato auxiliar. Em geral, a fonte auxiliar é constituída por uma bateria. Em alguns dispositivos de proteção, a fonte auxiliar pode ser constituída por um circuito interno que converte a corrente que chega da unidade de entrada numa pequena tensão por meio da queda de tensão propiciada por um resistor instalado internamente ao dispositivo de proteção. Unidade de entrada Unidade de conversão Unidade de medida Unidade de saída Unidade de acionamento do circuito Fonte de tensão auxiliar Relé Sinal S is te m a 65/84 Proteção de SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção Esquema básico de funcionamento de um relé Unidade de saída: Pode ser constituída por uma pequena bobina, acionando um contato auxiliar ou por uma chave semicondutora. Unidade de entrada Unidade de conversão Unidade de medida Unidade de saída Unidade de acionamento do circuito Fonte de tensão auxiliar Relé Sinal S is te m a 66/84 Proteção de SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção Esquema básico de funcionamento de um relé Unidade de acionamento: Normalmente é constituída por uma bobina de grossas espiras montada no corpo do elemento de desconexão do sistema, que pode ser um disjuntor ou um interruptor. Unidade de entrada Unidade de conversão Unidade de medida Unidade de saída Unidade de acionamento do circuito Fonte de tensão auxiliar Relé Sinal S is te m a 67/84 Proteção de SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção Visão geral de uma estrutura de proteção TC – transformador de corrente: equipamento responsável pelo suprimento da corrente ao elemento de avaliação da corrente (A) que se quer controlar. TP – transformador de potencial: equipamento responsável pelo fornecimento da tensão ao elemento de avaliação da tensão (A) que se quer controlar. D A B C SF K 68/84 Proteção de SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção Visão geral de uma estrutura de proteção D – interruptor ou disjuntor responsável pela desconexão do sistema. F – fonte auxiliar de corrente que supre os diversos elementos envolvidos na proteção. Em geral, trata-se de uma fonte de corrente contínua. D A B C SF K 69/84 Proteção de SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção Visão geral de uma estrutura de proteção A – elemento de avaliação das medições de corrente e tensão que tem as seguintes funções: • Gerenciar as condições operacionais do componente elétrico protegido, tais como a linha de transmissão, o transformador de potência etc.; • Decidir, a partir dos valores recebidos de corrente e tensão, as condições em que se dará a operação de desconexão. D A B C SF K 70/84 Proteção de SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção Visão geral de uma estrutura de proteção B – elemento lógico da estrutura de proteção; recebe as informações do elemento de avaliação, procede à comparação com os valores ajustados e, se for o caso, libera o sinal de atuação para o interruptor ou disjuntor. C – elemento que modula o sinal de disparo do interruptor ou disjuntor. D A B C SF K 71/84 Proteção de SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção Visão geral de uma estrutura de proteção S – elemento de sinalização ótica ou visual de todas as operações realizadas na estrutura básica de proteção. K – elemento responsável pela recepção de sinais de comando originados ou não de outros pontos distantes da parte do sistema sob proteção; pode ser a própria régua de borne dos condutores dos circuitos de proteção. D A B C SF K Proteção de SEP Definições Básicas Estatísticas da Interrupção Custos da Interrupção Requisitos Básicos de Proteção de um SEP Estrutura Básica de um Sistema de Proteção Dispositivos de proteção 73/84 Proteção de SEP Dispositivos de proteção Existem dois dispositivos básicos empregados na proteção de sistemas elétricos de qualquer natureza: os fusíveis e os relés. Os fusíveis são dispositivos que operam pela fusão do seu elemento metálico construído com características específicas de tempo × corrente. Já os relés constituem uma ampla gama de dispositivos que oferecem proteção aos sistemas elétricos nas mais diversas formas: sobrecarga, curto-circuito, sobretensão, subtensão etc. 74/84 Proteção de SEP Dispositivos de proteção Evolução dos relés Obs.: * Os relés eletrônicos ou estáticos não alcançaram aceitação imediata no mercado, devido à forte presença dos relés eletromecânicos e em função das elevadas temperaturas ambiente. ** O mercado nacional não absorveu prontamente a tecnologia de proteção digital devido ao fracasso tecnológico das proteções eletrônicas, com as sucessivas falhas desses dispositivos. Algumas concessionárias, receosas com o uso dos relés digitais, chegaram a utilizá-los juntamente com os relés eletromecânicos como proteção de retaguarda. Relé de sobrecorrente tipo indução (eletromecânico) Relé de diferencial de corrente (eletromecânico) Ano 1901 Ano 1908 Relé direcionais (eletromecânico) Ano 1910 Relé de distância (eletrônicos ou estáticos*) Ano 1930 Relé digital** Ano 1980 75/84 Proteção de SEP Dispositivos de proteção Um fato curioso... ... o tempo de treinamento de um técnico de nível médio para ajustar e realizaras manutenções necessárias no relé eletromecânico se restringia a cerca de 10 horas, com mais 2 ou 3 horas adicionais, para em um relé de outro fabricante. Agora, o tempo de treinamento de um técnico para um relé digital de um fabricante pode durar semanas. Se esse mesmo técnico for chamado para realizar os mesmos serviços num relé de outro fabricante, mas com funções equivalentes, o tempo de treinamento é praticamente o mesmo. 76/84 Proteção de SEP Dispositivos de proteção Relés Eletromecânico de indução Estático ou eletrônico Digital 77/84 Proteção de SEP Dispositivos de proteção Funções de Proteção As funções de proteção e manobra são caracterizadas por um código numérico que indica o tipo de proteção a que se destina um relé. Para padronizar e universalizar os vários tipos de funções foi elaborada uma tabela pela American National Standards Institute (ANSI) com a descrição da função de proteção e do código numérico correspondente. 78/84 Proteção de SEP Dispositivos de proteção 79/84 Proteção de SEP Dispositivos de proteção 80/84 Proteção de SEP Dispositivos de proteção 81/84 Proteção de SEP Dispositivos de proteção 82/84 Proteção de SEP Dispositivos de proteção 83/84 Proteção de SEP Dispositivos de proteção 84/84 Proteção de SEP Dispositivos de proteção