Proteção SEP Vol2 - Geraldo Kindermann - 2a ed

Proteção SEP Vol2 - Geraldo Kindermann - 2a ed

(Parte 1 de 7)

Volume

Zona de Proteção Proteção ·Diferencial

Teleproteção . Proteção de Transformador

Nomenclatura ANSI/IEC

ISBN 85-900853-6-8 9 788590 085362

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l \ l \ o AUTOR

Geraldo Kindermann, natural de Araranguá-SC, professor da Graduação e Pós-Graduação do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina (UFSC). Coordenador e Ministrante de cursos promovidos pela

Eletrobrás. Ministrou vários cursos palestras no País e no Exterior. E autor dos Livros:

• AteITamento Elétrico • Choque Elétrico

• Curto-Circuito • Proteção Contra Descargas

Abnosféricas em Estruturas Edificadas

• Proteção de Sistemas Elétricos de Potência -Volume 1 .

Para adquirir o livro:

geraldo@labplan.ufsc.br Fone: (48) 3331-9731 Fax: (48) 3331-7538

(J LabPlan

Volume 2

Edição do Autor

Florianópolis -se 2006

© by Geraldo Kindermann 1 ª edição: 2006

Capa: Marcos Fischbom Revisão: Rubipiara Cavalcante Fernandes Editoração: Geraldo Kindermann

Ficha Catalográfica

K51 P Kindem1ann, Geraldo, 1949-

Proteção de sistemas e1étricos de potência / Geraldo Kindermann. -Florianópolis -Se: Edição do autor, v.2: iI. Bibliografia. ISBN: 85-900853-6-8

1. Sistemas de energia elétrica -Proteção. 2. Energia elétrica -Transmissão. 3. Relés elétricos. 4. Relés de proteção. I. Título. CDU: 62l.316.9

É proibida a repl'odução total ou parcial deste livro sem a autorização do autor.

GERALDO KINDERMANN dedica este livro a sua familia:

" Maria das Dores (esposa) • Katiuze (filha)

" Krisley (filha) " Lucas (filho)

Agradecimentos o autor agradece em especial

.:. Ao Professor Rubipiara Cavalcante Fernandes, por ler cuidadosamente e dar importantíssimas contribuições ao texto.

.:. Aos engenheiros Everton Pizolatti Medeiros e Giovanni

Baptista Fabris da ELETROSUL, pelas discussões e contribuições técnicas .

• :. Marcos Fischborn, pela elaboração da capa e Mauricio Sperandio pelo assessoramento de informática .

• :. Aos inúmeros alunos, da Graduação e Pós-graduação, que contribuíram com desenhos.

Agradecimento em especial ao LABPLAN, principalmente aos professores, técnicos, analistas, mestrandos e doutorandos, que de um modo ou de outro sempre estiveram presentes na motivação, contribuição e assessoramento na elaboração do livro.

Apresentação o Laboratório de Planejamento de Sistemas de Energia Elétrica -

LabPlan, do Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Santa Catarina, tem por objetivos realizar e promover o desenvolvimento de atividades de pesquisa, ensino e extensão na área de Sistemas de Energia Elétrica (SEE) com ênfase nos aspectos de planejamento e análise, nos segmentos de geração, transmissão e distribuição.

A atuação dos professores do LabPlan, desde a sua constituição em 1992, têm envolvido uma diversidade de atividades e contribuições à sociedade que eXh'apolam em muito o escopo de atividades regulares nos cursos de graduação e pós-graduação em Engenharia Elétrica. Um aspecto de destaque nesta atuação tem sido a intensa interação com os diversos agentes do setor elétrico brasileiro, realizada por meio de projetos de pesquisa e desenvolvimento, de consultorias especializadas, cursos de aperfeiçoamento e de especialização, e publicação de livros e aI1igos técnicos. O presente livro representa mais uma contribuição do Professor

Geraldo Kindermann para a sua extensa obra que inclui livros técnicos envolvendo publicações específicas nas áreas engenharia de segurança, projetos elétricos e proteção de sistemas elétricos de potência. Especificamente, esta obra aborda dois temas de grande relevância, teleproteção e proteção de transformadores, devendo contribuir tanto para fins acadêmicos como para profissionais técnicos e engenheiros.

Seguindo a tradição de suas publicações anteriores, o Professor

Kindermann apresenta o desenvolvimento dos temas com grande riqueza didática, sustentada por sua extensa experiência acadêmica e prática.

Indubitavelmente, contribuíram para esse resultado os inúmeros cursos ministrados em universidades e empresas no Brasil, e em diversos países da América Latina e África, bem como os diversos trabalhos de consultaria técnica prestados à Agência Nacional de Energia Elétrica.

Ildemar Cassana Decker Supervisor do LabPlan -UFSC

Prefácio

Tendo recebido nos cursos e palestras várias manifestações de apoio e receptividade de alunos, professores, técnicos e engenheiros, no que diz respeito à aceitação dos meus livros, e devido principalmente a carência de bibliografia, foi o que me motivou a escrever esse livro de PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA -Volume 2.

Creio ser este livro mais uma contribuição, principalmente para a graduação da Engenharia Elétrica e de técnicos que queiram se aprofundar e conhecer a arte e a filosofia de proteção.

O livro foi escrito numa seqüência lógica, em linguagem simples e técnica, de modo a ser uma fonte de consulta acessível aos técnicos da área da Engenharia Elétrica. Todos os capítulos têm abrangência que cobre e atende os requisitos para proporcionar um bom conhecimento na área de proteção. O conteúdo desse volume 2 está focado na Teleproteção e

Proteção de Transformadores.

Devido à complexidade da proteção de sistemas elétricos de potência, este livro cobre somente uma parte. Portanto, pretende-se dar continuidade do conteúdo no livro de Proteção de Sistemas Elétricos de Potência, 3º volume, nos assuntos referentes a Proteção de Barras, de Reatares, de Capacitores, e de Máquinas Síncronas.

o Autor

Índice Geral

1.1 Zona de Proteção1
1.2 Relé de Sobretensão7
1.3 Relé de Subtensão12
1.4 Proteção de Sobretensão para a Tena de Sistemas Isolados17

Capítulo l-ZONA DE PROTEÇÃO

2.1 Relé Diferencial19
2.2 Relé Diferencial Comum20
2.3 Relé Diferencial Percentual2

Capítulo I -RELÉ DIFERENCIAL

3.1 Teleproteção32

Capítulo I -TELEPROTEÇÃO l (

3.2 Fio Piloto3
3.3 Fibra Óptica37
3.4 Cabo OPGW40
3.5 Onda Portadora43
3.6 Microondas45
3.7 Tipos de Sistemas de Teleproteção46
3.8 Sistema de Bloqueio por Comparação Direciona147
3.9 Sistema de Desbloqueio por Comparação Direcional51
3.10 Sistema de Bloqueio por Comparação Direcional-Variante54
3.1 Transferência de Disparo Direto por Subalcance58
3.12 Transferência de Disparo Permissivo por Subalcance59
de Zona61
3.14 Transferência de Disparo Permissivo por Sobrealcance62
3.15 Lógica de Eco62
3.16 Proteção de Linha Morta6
3.17 Fraca Alimentação68
3.18 Proteção por Seqüência Negativa70
3.19 Falha de Disjuntor74
3.20 Fontes Intennediárias78
3.21 Relé de Freqüência82
3.2 Sistemas Especiais de Proteção85
3.23 Esquema Regional de Alívio de Carga (ERAC):-:" ..... 87
3.24 Esquema de Controle de Emergência91

3.13 Transferência de Disparo Permissivo por Subalcance com Aceleração

4.1 Introdução94
4.2 Transformador Monofásico95

Capítulo IV -PROTEÇÃO DE TRANSFORMADOR

4.3 Proteção Diferencial no Transfom1ador Monofásico97
4.4 Transformador Trifásico103
4.5 Proteção Diferencial do Transformador Ttifásico D. -y104
4.6 Regra de Ligação dos TCs nos Transfonnadores Trifásicos106
4.7 Transformador Trifásico sem Rotação de Fase107
4.8 Transformador D. -Y109

Iii

Transformador121
4.10 Energização de Transformadorl32
4.10.1 Bloqueio da Proteção Diferenciall35
4.10.2 Proteção Diferencial com Atenuadores de Transitóriosl35
4.1 0.3 Relé Diferencial com Retenção por HarmônÍcasl37
4.10.4 Relé Diferencial com urna Unidade de Bloqueio de Harmónicasl39
4.10.5 Relé Diferencial Digital para Transfonnador141
4.1 Transformador com Impedância de Aterramento142
4.12 Proteção Diferencial de Terra Restrita142
4.13 Proteção do Transfonnador de Aterramento144
4.14 Proteção de Carcaça do Transfonnador148
4.15 Relé Buchholz150
4.15.1 Relé Buchholz do Comutador155
4.1 6 Termômetro156
4.17 Relé de Imagem Térmica160
4.18 Transformador Hermeticamente Fechado165
4.19 Relé de Súbita Pressão165
4.20 Válvula de Alívio de Pressão167
4.21 Nível do Óleo169
4.2 Relé de Sobre-Excitação170
4.23 Proteção Contra Falha de Disjuntor de Transfonnador173
4.25 Proteçào do Transformador176

iv

NOMENCLATURA DA PROTEÇÃO178
BIBLIOGRAF IA202

APÊNDICE A 1

1.1 Zona de Proteção

Confonne apresentado no item 3.3 da referência [46], a proteção de primeira defesa é feita pela proteção principal (primária) e em segunda instância pela proteção secundária, que pode ser local por meio da proteção em réplica ou remotamente por meio da proteção de retaguarda (back-up).

_ Dependendo da importância e do porte do sistema elétrico, pode-se constituir a proteção principal em réplica (redundância), ou seja, classificada em proteção primária e alternativa. Neste caso as proteções são idênticas, ou seja, existem duas proteções desempenhando funções idênticas com hierarquias iguais, trabalhando com teleproteção. Os equipamentos da proteção primária e da alternativa podem ser em réplica do mesmo fabricante ou de fabricantes diferentes.

No caso de haver duas proteções, em que não há redundância, ou seja, uma trabalha com teleproteção (proteção primária) e a outra com escalonamento por

2 Capítulo I zonas (proteção secundária), por exemplo. Neste caso. a proteção principal e aI" zona da proteção secundária podem ser inclusive concorrentes.

Os relés de proteção primária constituem a primeira linha de defesa, caso esta falhar, os relés da proteção alternativa, devem atuar, assim constituindo a segunda linha de defesa do sistema elétrico.

Cada proteção principal e alternativa é efetuada cobrindo linhas ou trechos de linhas ou equipamentos do sistema, cuja cobertura é denominada de zona de atuação ou zona de seletividade da proteção.

Em relação à proteção principal, deve-se efetuar a proteção considerando:

• que haja superposição nas zonas de atuação dos relés da proteção principal;

• cada disjuntor esteja coberto (contido) em pelo menos par duas zonas de atuação dos relés da proteção principal;

• sempre entre cada elemento ou conjunto de equipamentos deve existir pelo menos um disjuntor.

Para exemplificar a figura 1.1.1 mostra a zona de atuação das proteções principais de partes de um sistema elétrico.

Note que quando ocorre um defeito dentro de uma determinada zona, os relés que constituem a proteção principal, devem desligar todos os disjuntores dentro de sua receptiva zona de atuação. Deste modo, para um defeito localizado dentro da superposição de duas zonas, todos os disjuntares das duas zonas devem ser desligados. Este esquema funciona adequadamente, mas tem um inconveniente que ocorre quando existir um defeito dentro da superposição de duas zonas, e num local onde a abertura de alguns disjuntares é desnecessária. Por exemplo, se um defeito ocorrer no ponto k do esquema da figura 1.1.1, desligaria os disjuntores 1,2,3,4 e 5, enquanto que somente o desligamento do disjuntor 1 da barra A seria o suficiente.

O inconveniente desse desligamento seria retirar um elemento não defeituoso do sistema elétrico. Entretanto a probabilidade da ocorrência desse defeito e muito pequena dado que a zona de supel-posição é muito pequena e está próxima do disjuntor.

Zona de Proteção 3

Proteção do Proteção do Gerador e

Gerador Transformador ~í-~I-/ ~:~~~:

Barra I I G I I I I G I I \. I I I I

'l\ I I 1 I :------i-j[-i-----i-k -~----I

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I I I 4 I : 5 I I

I I I I _~ _ -J_I --r--------1-

I I f I I I I I I I I I I I I I

I I I: I I Zonas de I I 'I- : Atuação I '1"'-

I I da I Proteção de I Proteção I I / ~ Linhas de I I Transmissão I

1--

I _I I I Figura 1.1.1 -Zona de Atuação da Proteção Principal

Um relé pode ter zona de atuação em que uma parte pertence à proteção principal e a outra parte pertence à proteção de retaguarda. Como exemplo, pode-se citar o caso da proteção convencional (escalonada por zona sem teleproteção) feita com a utilização de relés de distância (21), em que a 2zona tem 20% da LT na proteção principal e 50% da próxima LT coberta pela proteção de retaguarda da la zona do relé a jusante da próxima barra.

4 Capítulo I

Na prática a zona de atuação da proteção principal se inicia no local da instalação do TC ou dos TCs do circuito elétrico. Nos disjuntores pertencentes à superposição os TCs estão entrelaçados, isto é, os TCs estão posicionados de modo que o disjuntor fique no meio, conforme ilustrado na figura 1.1.2.

P roteção

Diferencial do

Gerador e Transformador

Proteção de

Proteção Diferencial do Gerador

7~ _ ~ _ T_ra_n_s_m_iS~ ______

t Linha de

Proteção Oiferencial de Barra

Figura 1.1.2 -Localização dos TCs

( n~a~d~5~ (

Cada conjunto de TCs alimenta relés de sistemas de proteçào diferentes.

Por exemplo, o disjuntor 1 está coberto pelos TCs x e y. O TC y pertence ao esquema diferencial (87) do conjunto (transfonuador e gerador síncrono), o TC x pertence a proteção diferencial (87) da Barra A.

Salienta-se que os posicionamentos dos TCs apresentados na figura 1.1.2 seria o ideal em termos de entrelaçamentos de zonas de proteçào, mas na prática é de alto custo e as empresas por motivos econômicos utilizam o esquema apresentado na figura 1.1.5.

Algumas vezes, como variante do esquema apresentado na figura 1.1.2, é também utilizados a instalação dos TCs como mostrado na figura

1.1.3.

t Zona A taf! · LT

Zona B I

Figura 1.1.3 -Cruzamento de TCs sem Abraçar o Disjuntor

Neste caso os TCs não cobrem o disjtmtor, isto é, o disjuntor está coberto só pela proteção da zona B. Note que no esquema da figura 1.1.3 está apresentado, também, 2 TCs separados, a que constitui em uma alternativa de alto custo. Na realidade, as empresas utilizam apenas um TC com vários enrolamentos independentes no secundário, assim nesse caso bastaria um enrolamento primário e 2 enrolamentos secundários. Para este propósito, convenciona-se que o símbolo apresentado na figura 1.lA corresponde a um TC com 1 enrolamento primário e 2 enrolamentos secundários.

I Zona A ~~----. ~lLf Zona B I

Figura 1.1A -TC com um Enrolamento Primário e 2 Enrolamentos Secundários

6 Capítulo J

A fim de reduzir os custos e a quantidade de TCs utilizados na conjugação dos entrelaçamentos das proteções de banas, as empresas adotam esquemas de proteções em que as ligações ficariam como as apresentadas na figura 1 .1.5.

Proteção Diferencial do Gerador e Transformador

3 Proteção de 4 -'/ Unhade ~

Proteção Diferencial de Barra

--r Transmissão --1 : ! 1

Figura 1.1.5 -TCs com 2 Enrolamentos no Secwldários no Entrelaçamento das Zonas de Proteção com a Proteção de Barras.

Zona de Proteção 7 Note que com esta configuração econorrllzou-se 7 TCs.

1.2 Relé de Sobretensão

Os relés de sobretensão operam quando a tensão elétrica ultrapassa um valor pré-ajustado. Recebe a denominação de função 59 pela nomenclatura ANSI. Ver apêndice A.

OS relés de sobretensão podem ser classificados em: a) Aspectos construtivos

• Eletromecânico; • Eletrônico;

• Digital. b) Tempo de atuação

• Instantâneo;

• Temporizado. o Definido; o Tempo inverso.

O relé de sobretensão eletromecânico, em relação ao aspecto construtivo, é idêntico ao relé de sobrecorrente tanto para a unidade instantânea quanto para a unidade temporizada. A unidade instantânea e a temporizada de tempo inverso estão apresentadas respectivamente nas figuras 1.2.1 e 1.2.2.

O conjugado (torque) do relé de sobretensão é dado pela expressão 1.2.1.

1:Torque = kV2 -kMo1a (1.2.1)

Em que:

V -+ é a tensão elétrica na bobina magnetizante do relé de sobretensão.

---,:.....--------r'

I Vs I oe ==:

Taps ~~--~=------~ espiras ', Bobina '-----4-4-. ", Magnetizante do Relé 591

Figura 1.2.1 -Relé de Sobretensão Instantâneo (591) v? I Vs I I espiras

Bobina

Magnetizante do Relé 59T

Figura 1.2.2 -Relé de Sobretensão Temporizado (59T)

Capítulo I ,

I Eixo I

Disco

As unidades têm taps para possibilitar a escolha do ajuste mais indicado para a respectiva proteção instantânea e temporizada a ser adotada para o sistema elétrico em estudo. No relé de sobretensão temporizado de tempo inverso escolhe-se uma curva Tempo x Tensão, conforme família de curvas disponibilizadas pelo fabricante apresentadas, na figura 1.2.3, por exemplo.

Dependendo do porte e da importância do sistema elétrico a proteção de elevação de tensão pode ser efetuada utilizando-se um ou mais relés de sobretensão. Por exemplo, num sistema de grande porte, pode-se utilizar 3 relés de sobretensão, conectados enh-e fases ou entre fase e terra. A figura 1.2.4 mostra uma ligação com relés de sobretensão (59) entre fase e terra.

Zona de Proteção

I I I I I ! I r

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I'\. "LI r"! -~1~~~~ ~ 1-.l.1F 1'0!! ~
n. .:•. IO .jli ~ .. 1M aoo

• Porcento do valor do Tap ajustado no 59

Figura 1.2.3 -Curva Tempo x Tensão do relé de Sobretensão

Figura 1.2.4 -Ligação dos Relés de Sobretensão Instantâneos e Temporizados

10 Capítulo I o diagrama nmcional de proteção de sobretensão está apresentado na figma 1.2.5.

+ 591:f A 159T ];O 59T lO 591

59lIB 591 C

Figura 1.2.5 -Diagrama Funcional da Proteção de Sobretensão

Pelo esquema apresentado na figura 1.2.5, a proteção de sobretensão só provoca o disparo no disjuntor quando:

tf> Ocorre uma sobretensão nas 3 fases com a conseqüente operação das 3 unidades instantâneas. Os contatos das unidades instantâneas estão em série, portanto, somente com os fechamentos dos 3 contatos dos relés o disparo do disjuntor é

efetuado. Se ocorrer, por exemplo, uma sobretensão em uma só fase, a unidade' instantânea da fase correspondente fecha o seu contato, porém não ocorre a operação do disjuntor.

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