relé de frequência

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ANALISE DO RELÉ DE FREQUÊNCIA (81) NO SISTEMA ELÉTRICO NACIONAL
ENGENHARIA ELÉTRICA
PROF.ª ORIENTADORA: ANTÔNIA FERREIRA DOS SANTOS CRUZ
ALUNA: TAISE SOUZA SUZART 
Introdução
Relés de proteção;
Tecnologias ,evolução, funções e agrupamentos dos relés de proteção;
Relés de frequência (81): Aplicações e classificações ;
Eficácia do rele de frequência, em situações de ilhamento e na função ERAC;
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Sistema elétrico de proteção
Tem como função, assegurar a desconexão de todo sistema elétrico submetido a qualquer irregularidade que o faça trabalhar fora dos limites previstos. (MAMEDE,2013)
A proteção de um sistema de potência é projetada tomando como base os fusíveis e os relés incorporados necessariamente a um disjuntor. (MAMEDE,2013)
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Relés de proteção
É um dispositivo sensor que comanda a abertura do disjuntor quando surgem, no sistema elétrico protegido, condições anormais de funcionamento. (MARTINS,2012)
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Tecnologias dos Relés de Proteção
Relés eletromecânicos
Relés eletrônicos
Relés digitais 
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Relés de frequência (81) 
São empregados para realizar a medição da frequência e atuam para o valor desejado de tempo.
Os relés de frequência podem ser ajustados tanto para atuação em situações de sub/sobrefrequência, taxa de variação de frequência, deslocamento de fase.
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Princípio de funcionamento dos relés baseados em medidas de frequência
 
Figura 1 - Diagrama esquemático de um gerador síncrono equipado com um relé baseado em medida de frequência operando em paralelo com a concessionária
Fonte: Vieira,2006
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Relés de Sub/Sobrefrequência
Figura 2 - Esquema de um relé de sub/sobrefrequência.
Fonte: Vieira, 2006.
 
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Fórmulas Analíticas 
Equação de oscilação do gerador síncrono é dada por:
Onde:
PM = Potência do Gerador
PL = Potência Consumida pela carga
H = Constante de inércia do gerador
ω = Velocidade Síncrona 
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Fórmulas Analíticas 
A velocidade do rotor do gerador pode ser obtida solucionando-se a equação de oscilação do gerador síncrono como segue: 
O comportamento da velocidade angular no tempo pode ser representado por ω = + Δ ω . Substituindo tal representação na equação acima , tem-se:
sendo: ω = 2π ƒ, em que ‘ƒ ‘ é a frequência elétrica do sistema. Portanto, segue-se:
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Fórmulas Analíticas 
A expressão anterior também pode ser solucionada para o desbalanço de potência ativa ΔP já substituindo t por (td – Δt), segue:
Onde:
td=Tempo total de detecção do relé
t= Tempo de detecção do evento
Δ t= Tempo mínimo de operação do relé
Β = O ajuste do relé
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Fórmulas Analíticas 
Solucionado tal expressão para o tempo td, obtém-se:
Os relés de frequência podem ser ajustados com estágios temporizados. Neste caso, tem-se:
As equações apresentadas acima são empregadas para determinar diretamente o desempenho do relé de frequência e consequentemente auxiliar nos ajustes mais adequados 
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Relés de Taxa de Variação de Frequência
Figura 3 - Esquema de um relé de taxa de variação de frequência
Fonte: Vieira, 2006.
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Fórmulas Analíticas 
A taxa de variação da frequência é diretamente proporcional a taxa da variação da potência ativa:
O sinal utilizado pelo relé:
Aplicando a transformada inversa de Laplace, obtemos a solução da equação acima no domínio de tempo:
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Fórmulas Analíticas 
Imediatamente antes da atuação do relé é possível substituir K por β. E o tempo de detecção da expressão deve ser substituído por (t = td –∆t) ,resultando:
Logo:
Se houver temporizador:
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Relés de Deslocamento de Fase
Figura 4- Diagrama esquemático do relé deslocamento de fase.
Fonte: Viera, 2006.
Figura 5 - Deslocamento de fase da tensão terminal
Fonte : Viera,2006.
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Fórmulas Analíticas 
Solucionando a equação acima, o ângulo do rotor do gerador pode ser calculada por:
A variação de ângulo pode ser calculada pela equação abaixo: 
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Fórmulas Analíticas 
Considerando a variação do ângulo do rotor Δδ igual ao ajuste do relé β , a seguinte relação pode ser obtida:
Sendo K =  ΔP/2H. Reorganizando a equação acima obtém-se:
Para a velocidade do rotor e depois para o período do ciclo, obtendo-se:
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Fórmulas Analíticas 
Para os ajustes típicos de relés de deslocamento de fase somente as soluções positivas são de interesse, as quais podem ser calculadas por:
Sendo:
O desbalanço de potência ΔP pode ser calculado como segue:
Sendo:
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Ilhamento
Ocorre quando parte da rede elétrica torna-se eletricamente isolada da fonte de energia principal (subestação) 
O ilhamento ocasiona problemas para os consumidores, para a concessionária de energia e para os proprietários de geradores distribuídos
É necessário detectar uma situação de ilhamento em menos de 400 milissegundos (ms). 
Os relé baseados em medidas de frequência são reconhecidos pela indústria de energia elétrica como os mais eficazes para detecção de ilhamento.
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ERAC
É uma função empregada para cortes de cargas utilizando relés de frequência que atuam desligando automaticamente blocos de carga por estágios.
Tem como objetivo “aliviar” o sistema elétrico que no momento estará sobrecarregado pelo afundamento da frequência
Para que seja possível o religamento do sistema é necessário que os níveis de frequência estejam normalizados.
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Estudo de Caso :
PERTURBAÇÃO DO DIA 21/03/2018.
O presente estudo mostra a análise da atuação do relé de frequência na perturbação ocorrida no dia 21/03/2018, às 15h48;
O evento ocorreu quando o fluxo do bipolo de Belo Monte estava sendo elevado para 4.000 MW
 No disjuntor foi colocada indevidamente uma proteção de sobrecorrente regulada para 4.000 A, valor abaixo da corrente nominal do equipamento, o que fez com que ele abrisse quando o fluxo da linha chegou próximo a 4.000 MW
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Figura 6 – Mapa com interligação Norte/Nordeste e Sul/Sudeste/Centro-Oeste
Fonte: ONS, 2018.
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Consequências
A partir da atuação do disjuntor, houve o desligamento automático de diversas linhas de transmissão, separando o subsistema Norte do Nordeste e essas duas regiões dos subsistemas Sul e Sudeste/Centro-Oeste;
No total foram 122 unidades geradoras interrompida e as cargas foram reduzidas em 21.735 MW.
Figura 7 –Carga reduzida na Perturbação
Fonte: ONS, 2018
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Consequências – Sul e Sudeste/
Centro-Oeste
Houve atuação do ERAC –Esquema Regional de Alívio de Carga, com corte de 3.665 MW de carga, 5% do total no momento da ocorrência;
As regiões foram separadas do Norte e Nordeste.
Figura 8 –Medição da frequência na região Sudeste
Fonte: ONS, 2018.
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Consequências – Região Norte
Com a separação dos subsistemas, o Norte ficou com excesso de geração, o que provocou sobretensão nas linhas, levando à perda das linhas de transmissão;
A frequência chegou a 70 Hz;
A Região Norte veio a blecaute;
Não foram afetados os estados de Roraima (não é interligado) e Acre e Rondônia, que são alimentados pelas usinas do Rio Madeira e interligados ao sistema Sul/Sudeste/Centro-Oeste.
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Consequências – Região Nordeste
Houve perda da geração vinda do Norte. Com isso, a carga ficou maior que a geração;
Houve queda na frequência;
ERAC atuou em 5 estágios e a frequência se normalizou em 60Hz;
Duas unidades geradoras da hidrelétrica de Paulo Afonso saíram do sistema, devido a uma descoordenação da sua proteção;
A frequência caiu novamente para 57,3Hz;
Com a frequência abaixo de 58,5Hz por mais de 10 segundos, atuou a proteção das usinas térmicas, retirando-as do sistema;
A região Nordeste veio a blecaute.
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Sequência de desligamentos no Nordeste
Figura 9– Sequência de desligamento da região Nordeste
Fonte: ONS, 2018.
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Recomposição de cargas das 
Regiões Sul e Sudeste/Centro-Oeste
Devido ao fato dessas regiões terem geração suficiente para suprir a carga, às 15h51, já havia condições de iniciar a recomposição, e às 15h57, as cargas já estavam recompostas.
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Recomposição de cargas da
Região Norte
A ONS tomou ações para o controle de tensão e regulação da frequênciada região, de forma a obter as condições para o início da recomposição coordenada a partir da UHE Tucuruí. 
Às 15h58, iniciou-se a recomposição das cargas, no entanto foi demorado devido à magnitude do evento e em função da quantidade de equipamentos desligados. Só às 17h50, toda a carga das distribuidoras estava recomposta.
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Recomposição de cargas da
Região Nordeste
A recomposição fluente da região Nordeste é feita com a criação de seis ilhas, nas quais se restabelece o equilíbrio entre geração e carga, a partir do autor-restabelecimento das usinas hidráulicas da região
Figura 10 - Restabelecimento das Cargas por Corredores de Recomposição da região Nordeste
Fonte: ONS, 2018.
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Recomposição de cargas da
Região Nordeste
Figura 11- Restabelecimento das Cargas por Corredores de Recomposição da região Nordeste
Fonte: ONS, 2018.
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Conclusão
Os relés de frequência são de fundamental importância para a detecção das mais variadas faltas em sistemas elétricos
No estudo de caso realizado, foi analisando as proteções contra as variações excessivas de frequência, mais especificamente a realizada pela função de subfrequência.
A importância da instalação de um sistema de proteção eficienteal, para amenizar anomalias no sistema elétrico e evitar blackouts. 
 
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Referências 
Almeida, P.C. Esquemas de Proteção de Sistemas de Energia Elétrica.
Dissertação (Mestrado em Engenharia Elétrica). Pontifícia Universidade Católica do Rio de Janeiro, 2002.
 
ARAÚJO, Michael Vital. Retrofit em Proteção de Geradores: aspectos qualitativos da função de sobrefluxo e subfrequência. Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica) - Instituto Federal de Educação Ciência e Tecnologia da Bahia, 2017. 
 
 BARRETO, Daniele Andrade. Estudo de caso: ERAC (esquema regional de alívio de carga) no sistema Coelba. Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica) - Faculdade Área1, 2009.
 
BATISTA, J. C - Metodologia para ensaios de modelo de sistemas de Proteção de Geradores Síncronos Utilizando Simulador Digital em Tempo Real. Tese (Mestrado em Engenharia Elétrica). Universidade Federal de Minas Gerais-Belo Horizonte, 2015.
 
GENERAL ELECTRIC, G60 Generator Protection System – UR Series Instruction
Manual, 2013.
 
 
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Referências 
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KINDERMANN, G. Proteção de Sistemas Elétricos de Potência. 1. ed. Florianópolis,
SC: UFSC, 2005.
 
MAMEDE FILHO, João. Proteção de Sistemas Elétricos de Potência. 1 ed. Rio de Janeiro, LTC, 2013.
 
MARTINS, Diego Luz. Estudo de caso na Automação, Proteção e Supervisão de uma subestação de Classe 69kV. Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica com ênfase em Sistemas de Energia e Automação) - Universidade de São Paulo, 2012.
 
OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA - ONS. Entrevista Coletiva sobre a Perturbação de 21/03/2018. Rio de Janeiro, 2018.
 
PIRES, Henrique Coqueiro. Modelagem computacional de um Relé de Sub/Sobrefrequência Utilizando o ATP . Monografia (Graduação em Engenharia Elétrica com ênfase em Sistemas de Energia e Automação ). Universidade de São Paulo, 2013.
RUFATO, Eloi; NICOLOTTI, Rafaele Dalazuana ; SILVA, Ricardo Michael Coutinho; JORGE, Thyago de Moura. Avaliação do Desempenho dos Relés de proteção anti-ilhamento em um sistema com geração distribuída. Artigo (Engenharia de Controle e Automação). Universidade Tecnológica Federal do Paraná, 2011
 
 
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Referências 
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VIEIRA JÚNIOR, José Carlos. Metodologias para Ajuste e Avaliação do Desempenho de Relés de Proteção Anti-Ilhamento de Geradores Síncronos Distribuídos. Dissertação (Doutorado em Engenharia Elétrica). Universidade Estadual de Campinas, 2006. 
 
VIEIRA JUNIOR, José Carlos M.; FREITAS, Walmir; FRANÇA: André L. Morelato. Análise comparativa sobre a eficácia de relés baseados em medidas de frequência para detecção de ilhamento de geradores distribuídos. Artigo (Graduação em Engenharia Elétrica). Universidade Estadual de Campinas, 2004
 
WEG. Automação Relés Eletrônicos Linha Modular. Disponível em: <https://static.weg.net/medias/downloadcenter/h11/he9/WEG-reles-eletronicos-linha modular-50066570-pt.pdf>. Acesso em: 22 de novembro de 2018.
 
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