06_Proteção_2021_1 (Aula remota 14 05 e 28 05)

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Proteção de Sistemas Elétricos
PROFESSOR ROMERO MEDEIROS
romero.medeiros@professores.unifavip.edu.br
Proteção de Sistemas Elétricos
PROFESSOR ROMERO MEDEIROS
romero.medeiros@professores.unifavip.edu.br
PROTEÇÃO DE TRANSFORMADORES
ROTEIRO
• Proteção de Transformadores
Introdução
Proteção de Transformadores
Introdução
O transformador de potência é o elemento de maior responsabilidade dentre os demais
empregados numa subestação, podendo associar lhes a responsabilidade maior: a de manter
a disponibilidade, a continuidade e a segurança do atendimento à demanda e ao suprimento
energético necessário.
Dada a abrangência e importância associadas à operação desse equipamento, pode-se dizer
que somente sobre ele, há espaço suficiente para se montar todo um texto específico,
envolvendo fundamentos, materiais usados, teorias e metodologias operacionais,
manutenções, etc., que lhe são aplicáveis.
Proteção de Transformadores
Introdução
Passam necessariamente por uma análise de custo x benefício e dependem ainda de outros
aspectos como:
• Nível de confiabilidade desejada
• Características da carga a que irá atender
• Esquema de proteção desejado
• Número de transformadores desejado
• Potência de curto-circuito equivalente do sistema
As proteções que precisam ser aplicadas num transformador dependem da sua capacidade nominal e da
importância da carga que alimenta. Não existe uma forma padronizada de proteção de transformadores.
Sendo assim os transformadores de distribuição, indústrias e de subestações não seguem um mesmo
padrão, o esquema de proteção a ser empregado deve levar em consideração essas premissas,
procurando–se selecionar o melhor projeto associado aos fatores econômicos.
Proteção de Transformadores
Introdução
1 - Núcleo
2 - Enrolamento
3 - Isolação principal
4 - Ligação dos enrolamentos
6 - Tanque principal
7 - Tanque de expansão de óleo
9 - Bucha
11 - Radiador
12 - Ventilação
13 - Painel de controle
17 - Válvula de óleo
18 - Indicador do nível de óleo
19 - Relé de Buchholz
Proteção de Transformadores
Tipos de falhas nos transformadores
Os transformadores estão sujeitos a vários tipos de distúrbios ocorridos no sistema elétrico
ao qual estão conectados, a montante e a jusante do seu ponto de instalação, que podem
comprometer sua operação imediatamente ou reduzir seu tempo de vida útil, levando a uma
falha prematura.
• Internas
• Externas
Proteção de Transformadores
Faltas Internas aos transformadores
Entende-se por falta interna ao transformador todo defeito que está compreendido entre as
buchas de tensão superior e as buchas de tensão inferior, ou ainda todas as falhas que
ocorrem dentro da zona de proteção diferencial do transformador.
• Faltas associadas à temperatura e pressão
• Falhas ativas
Proteção de Transformadores
Faltas associadas à temperatura e pressão
São aquelas que se originam pela deficiência de uma ou mais partes do transformador.
• Sobreaquecimento
• Sobrepressão
• Sobrefluxo do líquido refrigerante
Proteção de Transformadores
Faltas associadas à temperatura e pressão
São aquelas que se originam pela deficiência de uma ou mais partes do transformador.
Sobreaquecimento
• Falha no sistema de ventilação forçada.
• Falha no sistema de bombas de circulação do líquido refrigerante (trafos especiais).
• Falha nas conexões internas: conexões frouxas que elevam a resistência de contato
provocando sobreaquecimento naqueles pontos.
• Perda do óleo refrigerante devido a vazamento pelos radiadores ou do próprio tanque do
transformador.
• Obstrução de circulação do fluxo do líquido refrigerante devido ao acúmulo de resíduos
sólidos nos canais dos radiadores.
Proteção de Transformadores
Faltas associadas à temperatura e pressão
São aquelas que se originam pela deficiência de uma ou mais partes do transformador.
Sobrepressão
Normalmente, é o resultado de um curto-circuito entre duas espiras com baixa corrente de
defeito, queimando vagarosamente a isolação e aumentando a área de defeito, tendo como
consequência a formação de gases que se acumulam no interior do tanque do transformador.
Proteção de Transformadores
Faltas associadas à temperatura e pressão
São aquelas que se originam pela deficiência de uma ou mais partes do transformador.
Sobrefluxo do líquido refrigerante
É o resultado de um curto-circuito franco de alta corrente que causa a queima da isolação,
provocando a formação de uma grande quantidade de gases e o aquecimento abrupto. Isso
leva à queima do líquido refrigerante em torno do ponto de defeito, cuja expansão desloca
uma massa considerável de óleo no sentido do tanque conservador de óleo.
Proteção de Transformadores
Falhas ativas
São aquelas que ocorrem subitamente e necessitam da intervenção do sistema de proteção
para retirar de operação o transformador a fim de reduzir os danos nesse equipamento.
• Curtos-circuitos entre espiras do enrolamento
• Curtos-circuitos entre fases e entre qualquer parte viva interna ao transformador e a carcaça.
• Curtos-circuitos nos enrolamentos conectados em delta.
• Curtos-circuitos nos enrolamentos conectados em estrela.
• Flashovers sobre as buchas de maior e de menor tensão.
• Avaria na isolação entre as chapas do núcleo.
• Avaria no tanque.
• Avarias nas buchas primarias e secundarias.
• Avarias resultantes dos esforços eletromecânicos provocados por curtos-circuitos externos.
• Avarias no sistema de comutação de carga com ou sem tensão.
• Deterioração das condições físico-quimicas do óleo isolante.
Proteção de Transformadores
Faltas externas aos transformadores
São todas as falhas originadas no sistema elétrico que envolvem o transformador e ocorrem
fora da sua zona de proteção diferencial. São defeitos cujo modulo da corrente normalmente
é muito elevado, e essa corrente passa através das bobinas primarias e secundarias,
podendo ocasionar danos nesses elementos, se o tempo não for limitado aos valores
máximos permitidos pelo projeto do transformador.
As faltas externas não sensibilizam a proteção diferencial do transformador, devendo ser
eliminadas pelos reles de sobrecorrente instalados no lado secundário. A proteção de
sobrecorrente instalada no lado primário pode não ser sensibilizada no tempo requerido,
deixando o fluxo de corrente atravessar o transformador perigosamente.
Proteção de Transformadores
Faltas externas aos transformadores
O valor da corrente de defeito para faltas externas ao transformador depende da impedância
do sistema de suprimento e do valor da impedância do próprio transformador, sendo esta a
de maior limitação.
• Curtos-circuitos no sistema elétrico
• Sobrecargas
• Sobretensão
• Subfrequência
Proteção de Transformadores
Faltas externas aos transformadores
Curtos-circuitos no sistema elétrico
As correntes de curto-circuito no sistema a jusante do transformador devem ser eliminadas parar evitar
danos internos aos transformadores, principalmente nos enrolamentos. Como os primeiros ciclos da
corrente de curto-circuito provocam forças mecânicas intensas e os relés muitas vezes atuam com
temporização permitida, dado o esquema de coordenação da proteção, os enrolamentos podem ficar
seriamente danificados quando correntes de defeito elevadas circulam por eles.
Sobrecargas
As sobrecargas são os principais eventos responsáveis pela perda de vida útil dos transformadores. É
sabido que os transformadores podem suportar sobrecargas pequenas e grandes, a depender do seu
carregamento anterior a sobrecarga.
Proteção de Transformadores
Faltas externas aos transformadores
Sobretensão
Os transformadores podem ser submetidos a níveis elevados de transientes de curta duração, como as
descargas atmosféricas, ou transientesde longa duração como surtos de manobra caracterizados pela
perda de um grande bloco de carga. Essas sobretensões afetam severamente os enrolamentos e
provocam perdas elevadas no ferro devido ao aumento da corrente de magnetização.
Subfrequência
Tal como correm as sobretensões, os fenômenos de subfrequência a que podem ficar submetidos os
transformadores resultam em aumento da corrente de magnetização, elevação das perdas no ferro e
consequentemente sobreaquecimento.
Proteção de Transformadores
Proteção dos Transformadores
• O grau de sofisticação da proteção de um transformador é uma questão de custo-
benefício.
• A proteção de um transformador pode envolver vários elementos com uma ou mais
funções que devem ser utilizadas para assegurar a integridade desse equipamento.
• O número de funções que deve ser empregado depende da potência nominal do
transformador e do nível de confiabilidade que se quer obter.
Proteção de Transformadores
Proteção dos Transformadores
Função 23: dispositivo de controle de temperatura.
Função 26: proteção térmica.
Função 27: proteção contra subtensão.
Função 30: dispositivo anunciador de eventos.
Função 49RMS: proteção de sobrecarga por imagem térmica.
Função 50: proteção de sobrecorrente instantânea de fase.
Função 50N: proteção de sobrecorrente instantânea de neutro.
Função 51: proteção de sobrecorrente temporizada de fase.
Função 51N: proteção de sobrecorrente temporizada de neutro.
Função 51 NS: proteção de neutro sensível.
Função 51G : proteção contra sobrecorrente de terra temporizada.
Função 59: proteção contra sobretensão.
Proteção de Transformadores
Proteção dos Transformadores
Função 63: proteção contra a presença de gás ( relé de Buchholz).
Função 63A: proteção contra sobrepressão de gás do transformador.
Função 63C: proteção contra a presença de gás no comutador de derivação.
Função 63A/C: proteção contra sobrepressão de gás no comutador de derivação.
Função 64: proteção de terra.
Função 71: detector de nível de óleo do transformador.
Função 71C: detector de nível de óleo do comutador de derivação.
Função 80: proteção para fluxo de óleo do comutador de derivação do regulador de tensão.
Função 81: proteção contra subfrequência e sobrefrequência (dispensada quando instalada
na geração).
Função 87T: proteção diferencial de sobrecorrente.
Função 90: regulação de tensão.
Proteção de Transformadores
Proteção dos Transformadores
• Além das funções anteriores, é necessário que os transformadores de potência sejam
protegidos contra descargas atmosféricas através de para-raios de sobretensão.
• No caso de transformadores de pequena potência nominal localizados em subestações
que alimentam cargas de baixo nível de confiabilidade, ainda são utilizados fusíveis.
• Dependendo da potência do transformador e do grau de importância da subestação,
podem ser empregadas uma ou mais das proteções.
Proteção de Transformadores
Proteção por Fusível
• Os fusíveis são as proteções mais elementares que podem ser empregadas na proteção
de um transformador. Normalmente são utilizados para proteger esses equipamentos
contra correntes de curto-circuito de natureza externa, não se prestando para proteção
contra faltas de natureza interna tampouco para proteção contra sobrecargas
prolongadas.
• Em geral, os fusíveis são utilizados em transformadores com potência não superior a 7,5
MVA na tensão nominal igual ou inferior a 138 kV.
Proteção de Transformadores
Proteção por Fusível
Redes aéreas de distribuição
• Elos Fusíveis
• 225 kVA/13,80 kV
Proteção de Transformadores
Proteção de Transformadores
Proteção por Fusível
Redes subterrâneas distribuição
• Tipos: Pedestal e Subterrâneo
• Proteção Primária
Fusível tipo baioneta imerso em óleo
• Proteção Secundária
Fusíveis do tipo NH/600 V
Disj. tripolares do tipo termomagnético
Proteção de Transformadores
Proteção por Fusível
Subestações de Consumidor
• Residencial, comercial e industrial
• 225 a 3000 kVA.
• Chaves fusíveis – não recomendável >300kVA
• Utilização de relés secundários 50/51 e 50/51N
Proteção de Transformadores
Proteção por Relés de Sobrecorrente (50/51/50N/51N)
• Econômica
• Pouco Confiáveis
• Proteção de baixo nível
• Mais utilizados como proteção de retaguarda
• Única proteção < 7,5 MVA/138 kV
• Pode ser utilizado também o 51G para proteção de carcaça
Proteção de Transformadores
Proteção por relé diferencial de sobrecorrente
A proteção diferencial pode ser aplicada também em motores, geradores, barramentos ou em
qualquer parte do sistema elétrico, necessitando apenas de que existam dois conjuntos de
transformadores de corrente limitando a zona de proteção desejada.
Para restringir os danos no transformador é usual a utilização da proteção diferencial de
sobrecorrente, que tem como principal característica a delimitação de uma zona de proteção
dada pelos transformadores de corrente instalados entre os terminais de maior tensão e o de
menor tensão.
A proteção diferencial pode ser aplicada tanto para transformadores com dois enrolamentos
como para transformadores com três enrolamentos.
Proteção de Transformadores
Proteção por Relés de Sobretensão
Os para-raios instalados do lado da fonte e do lado da carga são proteções adequadas contra
sobretensões resultantes das descargas atmosféricas do tipo indireto. Já para proteção
contra descargas atmosféricas diretas, normalmente são utilizadas haste do tipo Franklin ou
cabos para-raios instalados sobre o transformador.
Para a proteção contra as sobretensões sustentadas, internas ao sistema elétrico, devem ser
utilizados relés de sobretensão, função 59. Normalmente a proteção por sobretensão é
ajustada para 1,10 a 1,15 da tensão nominal do sistema no qual o transformador está
operando. Já o tempo de ajuste de disparo dessa proteção geralmente pode variar entre 1,5
e 2 s.
Proteção de Transformadores
Proteção por Imagem Térmica
É necessário manter o controle da temperatura a fim de evitar reduzir o tempo de vida útil do
transformador e danos precoces das isolações. Para isso, são utilizados dois tipos de relés
de proteção relacionados à temperatura do transformador, função 49: proteção através de
relés secundários, e, proteção intrínseca do tipo térmica.
O relé funciona pelo princípio da imagem térmica, função 49RMS, utilizando a corrente de
carga suprida pelo transformador. Deve ser conectado ao secundário do transformador de
corrente de medição. O relé possui incorporado um software que simula as características
térmicas do transformador, tanto a quente quanto a frio, podendo ser arranjado no diagrama
funcional para ativar o relé anunciador ou fazer atuar o disjuntor do lado da carga do
transformador. O relé de imagem térmica protege o transformador contra o
sobreaquecimento excessivo dos condutores que formam as bobinas do transformador de
potência.
Proteção de Transformadores
Proteções intrínsecas
São as proteções inseridas no corpo do transformador durante a sua fabricação. Muitas delas
dependem da solicitação do comprador e/ou do projeto do fabricante.
O número de proteções intrínsecas utilizadas num transformador também é função da
potência e da importância da carga que alimenta. Assim, não é economicamente viável, por
exemplo, utilizar relé de Buchholz num transformador de 150 kVA.
Normalmente, os transformadores de distribuição não são dotados de proteções intrínsecas
devido ao custo da proteção e os outros custos associados a ela.
Proteção de Transformadores
Proteções intrínsecas do tipo térmico
Os transformadores de potência encontram nos elementos térmicos a sua proteção contra
sobrecarga. Assim, os termômetros de temperatura do óleo são empregados para enviar um
sinal de alerta e posteriormente um sinal de atuação quando a sobrecarga alcança valores
que ultrapassam os limites térmicos desse equipamento. Da mesma forma que os
termômetros de temperatura do óleo, os termômetros de temperatura dos enrolamentos são
elementosinseridos no interior dos enrolamentos capazes de enviar um sinal de alerta e/ou
de atuação quando as bobinas atingirem valores inaceitáveis de temperatura, de acordo com
a classe de temperatura do transformador.
• Indicador de temperatura no topo do óleo
• Indicador de temperatura do enrolamento
• Relés de imagem térmica
• Relé de temperatura do tanque
Proteção de Transformadores
Proteções intrínsecas do tipo térmico
Indicador de temperatura no topo do óleo
Proteção de Transformadores
Proteções intrínsecas do tipo térmico
Indicador de temperatura do enrolamento
Proteção de Transformadores
Proteções intrínsecas do tipo térmico
Relés de imagem térmica
Proteção de Transformadores
Proteções intrínsecas do tipo térmico
Relé de temperatura do tanque
É um dispositivo de medição de temperatura montado em contato direto com o tanque do
transformador de forma a medir sua temperatura quando atingir valores iguais ou superiores
a 105° C, para transformadores de 95° C, e a 125° C, para transformadores de 105° C.
Essas temperaturas de atuação do relé permitem não haver desligamento intempestivo em
condição de operação normal. São dotados de contatos elétricos que fazem atuar o disjuntor
de proteção.
Proteção de Transformadores
Proteções intrínsecas do tipo mecânico
São dispositivos de ação mecânica que permitem abrir e fechar contatos elétricos
energizando ou desenergizando a bobina de abertura do elemento do disjuntor de proteção.
As funções fundamentais das proteções intrínsecas são contra sobre pressões, temperaturas
elevadas, sejam elas do óleo ou dos enrolamentos e contra a presença de gás no interior do
transformador.
• Proteção por relé acumulador de gás ou relé de Buchholz
• Proteção por relé detector de gás
• Proteção por relé de súbita pressão de gás (63A)
• Proteção por relé de súbita pressão de óleo
• Válvula de explosão
• Válvula de alívio de pressão
• Indicador de pressão do óleo
• Indicador magnético de nível de óleo
Proteção de Transformadores
Proteções intrínsecas do tipo mecânico
Proteção por relé acumulador de gás ou relé de Buchholz
• Conhecido como relé de Buchholz, função 63
• Protege o transformador contra defeito entre espiras, entre
partes vivas, entre partes vivas e terra, queima do núcleo,
vazamento de óleo no tanque ou no seu sistema de
resfriamento
• É capaz de detectar a presença de pequenos volumes de
gás no interior do óleo (detecta descargas parciais)
• Corrente de fuga e fortes correntes de Foucault também
podem provocar decomposição nos materiais sólidos e
líquidos - Formação de gases
Proteção de Transformadores
Proteções intrínsecas do tipo mecânico
Proteção por relé acumulador de gás ou relé de Buchholz
A observação da quantidade e a análise do aspecto dos
gases desprendidos do óleo do transformador permitem que
se determine a localização dos defeitos, como a seguir:
• Gases brancos: se caracterizam pela combustão de papel,
podendo-se concluir que o defeito é entre espiras.
• Gases amarelos: se caracterizam pela combustão de
madeira; neste caso, o defeito pode ter atingido as peças
de apoio do núcleo, quando de madeira.
• Gases negros: se caracterizam pela combustão de óleo.
Proteção de Transformadores
Proteções intrínsecas do tipo mecânico
Proteção por relé detector de gás
• Detecta a presença de gás desenvolvido por arcos elétricos de baixa energia resultantes,
por exemplo, de defeitos entre espiras.
• Normalmente instalado na tampa do transformador de potência, sendo dotado de um tubo
metálico que conecta a parte mais elevada da tampa à câmara do flutuador. A partir da
câmara do flutuador é instalado um pequeno tubo metálico até um visor fixado na parede do
tanque do transformador a uma altura aproximada de 1,60 m, cuja função é permitir a
retirada do gás para amostra.
• O relé detector de gás se caracteriza como medidor de nível de líquido do tipo magnético,
provido de uma câmara contendo óleo do próprio transformador.
Proteção de Transformadores
Proteções intrínsecas do tipo mecânico
Proteção por relé detector de gás
Proteção de Transformadores
Proteções intrínsecas do tipo mecânico
Proteção por relé de súbita pressão de gás (63A)
• Função: detectar a variação da pressão do
gás desenvolvido por arcos elétricos de alta
energia resultantes, por exemplo, de curto-
circuito franco entre fases.
• O relé é projetado para não atuar pela
variação normal da pressão causada por
mudanças de temperatura, vibrações ou
choques mecânicos. Se a pressão sobe
lentamente, o fole não se alonga devido à
pressão da câmara se igualar à pressão
interna do transformador, através do pequeno
orifício mencionado.
Proteção de Transformadores
Proteções intrínsecas do tipo mecânico
Proteção por relé de súbita pressão de óleo
• Tem como função detectar as variações muito rápidas da pressão do óleo tendo como
origem os arcos elétricos de alta energia, quando a taxa de crescimento da pressão no
interior do tanque do transformador é superior a um determinado valor definido.
• O relé opera instantaneamente para gradientes de pressão superiores a 0,2 atms/s e não
opera para mudanças lentas de pressão características do funcionamento operacional do
transformador. O relé apresenta uma curva de característica inversa tempo × taxa de
crescimento da pressão.
Proteção de Transformadores
Proteções intrínsecas do tipo mecânico
Válvula de explosão
Os transformadores de potência normalmente são dotados de uma válvula de explosão cuja
finalidade é aliviar a pressão interna do tanque sempre que a formação de gases atingir um
valor que ameace a integridade do equipamento.
É um dispositivo instalado na parte superior do tanque do transformador, constituído de um
tubo metálico no interior do qual é instalada uma membrana do diafragma, normalmente
fabricada em vidro. Quando ocorre um curto-circuito de energia elevada no interior do
transformador, um fluxo intenso de óleo se desloca para cima. Ao penetrar no tubo com
diafragma, para alívio da pressão, a membrana é rompida pelo excesso de pressão permitindo
que o óleo seja atirado para fora do tanque do transformador.
Proteção de Transformadores
Proteções intrínsecas do tipo mecânico
Válvula de alívio de pressão
É um dispositivo também instalado na parte
superior do transformador e é constituído por uma
mola espiral que pressiona um diafragma metálico
para fechar a abertura de saída dos gases. O
dispositivo abre quando a pressão exercida pelos
gases supera a força da mola. Se a pressão dos
gases é inferior à força da mola, o dispositivo fica
fechado sinalizando que não há gases em volume
suficiente para danificar o transformador.
Proteção de Transformadores
Proteções intrínsecas do tipo mecânico
Indicador de pressão do óleo Indicador de nível de óleo
Proteção de Transformadores
Barreira Corta-Fogo
Chamada de parede corta-fogo, tem a finalidade
de evitar que na ocorrência de explosão de um
transformador, ou mesmo um incêndio qualquer, o
transformador instalado ao lado seja atingido. Para
isso é necessária a construção de uma barreira
feita de placa dupla de concreto armado, formando
um espaço interno de cerca de 40 cm.
As dimensões da barreira corta-fogo devem cobrir
toda a área que compreende radiadores e tanque
de expansão do maior transformador da
subestação.