ULISSES CHEMIN NETTO

Aplicaes de Controle e Superviso Distribudas em

Subestaes de Energia Eltrica Atravs do Uso de

Rels Digitais de Proteo

Dissertao apresentada Escola de Engenharia de So Carlosda Universidade de So Paulo, como parte dos requisitos paraobteno do ttulo de Mestre em Engenharia Eltrica

rea de Concentrao: Sistemas Eltricos de PotnciaOrientador: Prof. Tit. Denis Vinicius Coury

So Carlos2008

Dedicatria

Para o CONHECIMENTO, velho camarada, que

tanto bem me faz. Um tosto meu bom amigo!

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Agradecimentos

Para a minha famla, no pelo apoio, no por acreditarem, no por serem meu porto seguro,no por estarem sempre presentes, no por deix-los orgulhosos, mas, sim, por serem A MINHAFAMLIA!

Aos Engenheiros Mrio Fernando Krebs Baltar e Edgar Luiz Predabom, scios e diretores daMaintenance Service Engenharia de Manuteno Ltda., por terem me colocado no bom caminhoda Proteo de Sistemas Eltricos de Potncia, por terem sido meus primeiros mentores nestarea e exemplos excepcionais de conduta profissional e capacidade tcnica.

Aos Professores Celso Fabrcio de Melo Jr. e Wanderley Szlichta, da Universidade TecnolgicaFederal do Paran, UTFPR, por terem me apoiado no incio desta empreitada, que foi o mestrado,e por terem sido o meu primeiro exemplo de acadmicos slidos, respeitveis e dedicados.

Aos Amigos de longa data e Engenheiros Giancarlo Melchiori, Especialista em Proteo desistemas eltricos, da Maintenance Service Engenharia de Manuteno Ltda., por todo apoio,ensinamentos, pacincia e amizade dispensados ao longo do incio da minha carreira como En-genheiro, Luis Fernando Kerscher, Engenheiro de Sistemas de Telecomunicaes, da CompanhiaParanaense de Energia, COPEL, e Vlademir Bandeira, gerente do contrato da Caixa EconmicaFederal pela DELTA-SP Engenharia, por terem me ajudado nos preparativos para o ingresso noprograma de mestrado, alm de serem exemplos de profissionais competentes, capazes, criativose determinados.

Ao Professor Tit. Denis Vinicus Coury, da Universidade de So Paulo, por me acolher noprograma de Mestrado, por todas as oportunidades e facilidades oferecidas, pela liberdade detrabalho e opinio, pelos desafios propostos, pela orientao segura e fecunda.

Ao Professor Dr. Mrio Oleskovicz, da Universidade de So Paulo, por dispor do seu tempoouvindo idias, refinando textos, propondo desafios, criando oportunidades e orientando de formaslida e produtiva este aluno.

Ao meu amigo, e companheiro de mestrado, Juliano Coelho Miranda, por ser um exemplo degarra, dedicao, competncia, determinao, criatividade, bom humor e pacincia. Aos meusamigos de Mestrado Daniel Barbosa e Ricardo de Andrade Lira Rabelo, pelo apoio em ocasiesespecficas.

Aos Engenheiros Ricardo Abboud, da Schweitzer Engineering Laboratories, SEL, e LicinioRibeiro de Miranda, da General Electric, GE, pelo apoio e informaes partilhadas.

Coordenao de Aperfeioamento de Pessoal de Nvel Superior, CAPES, e ao ConselhoNacional de Desenvolvimento Cientfico e Tecnolgico, CNPq, pelo apoio financeiro concedidodurante o curso desta pesquisa.

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vii

"O que parecia distante, tornou-se prximo

O que parecia intransponvel, foi cruzado

E o conhecimento se tornou maior!"

Ulisses Chemin Netto

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Resumo

CHEMIN NETTO, U. Aplicaes de Controle e Superviso Distribudas em Subesta-

es de Energia Eltrica Atravs do Uso de Rels Digitais de Proteo. 2008. 142f .

Dissertao (Mestrado) - Escola de Engenharia de So Carlos, Universidade de So Paulo, So

Paulo, 2008.

Na primeira dcada deste sculo os equipamentos de proteo com tecnologia digital sinalizaramum novo paradigma para a composio dos sistemas de proteo. fato tambm que essa tec-nologia convive com suas antecessoras, que por fora de sua longa predominncia ainda exercemalguma influncia sobre o pensamento, concepo e operao dos sistemas de proteo. Essesnovos equipamentos multifunes, em geral, esto subutilizados, sendo o seu potencial ainda noempregado ou explorado em profundidade. Os rels digitais possuem grande capacidade pararesolver alguns dos problemas intrnsecos aos sistemas eltricos de potncia, seja do ponto devista das funes de medio, superviso, controle, anlise de eventos (registros seqenciais eoscilografias), proteo e comunicao. Como fato, tem-se que uma das vantagens associadas utilizao da capacidade de controle e automao dos rels digitais est em seu potencial desimplificar a concepo dos painis que compem as instalaes de potncia. Isso diminui ostempos de construo, comissionamento e manuteno, alm de agregar maior confiabilidadee flexibilidade ao controle. Como proposta fundamental deste trabalho, pretende-se investigarcomo utilizar adequadamente as capacidades de programao de usurio dos rels digitais deproteo para compor solues de controle, superviso e intertravamento para alguns elementosconstituintes dos sistemas eltricos de potncia. Um conjunto de situaes reais foi utilizadocomo base de estudo para concepo de solues baseadas nos dispositivos mencionados. Apso desenvolvimento, implementao e ensaio das solues desenvolvidas, pode-se dizer que taisequipamentos, como um todo, so adequados e convenientes para compor solues de controlee superviso em Bays de subestao, sejam eles de concessionrias de energia ou de indstriasem geral. Por fim, o protocolo IEC 61850 foi avaliado de forma qualitativa para confecodas solues em estudo, apresentando-se como uma alternativa atraente para sua composio,pois modifica significativamente o circuito funcional de uma subestao, tornando-o singelo ecom maior confiabilidade, uma vez que o nmero de conexes eltricas envolvidas diminudodrasticamente.

PalavrasChave: Controle, IEC 61850, Intertravamento, Rel Digital de Proteo, Sistemas

eltricos de potncia, Superviso.

x

xi

Abstract

CHEMIN NETTO, U. Control And Supervision Application Distributed In Electrical

Energy Susbstations With The Use Of Digital Protection Relays. 2008. 142f. Dis-

sertation (Masters Degree) - Sao Carlos Engineering School. Sao Paulo University, Sao Paulo,

2008.

In the first decade of this century, a new paradigm for protection systems has been indicatedconsidering the protection equipment with digital technology. A relation between the currentand the former technology was proved as well as its influence on the thought, conception andoperation of protection systems. In general, this new multifunction equipment is underused, andits potential needs to be more profoundly explored. The electrical power systems have some in-trinsic problems which are solved using the vast capacity of digital relays, such as: measurement,supervision and control capabilities, analysis of events (sequential registers and oscillography),protection and communication skills. The capacity to simplify panels, as part of the electricalsubstations, certainly is one of the advantages associated with digital relays in their capacity ofautomation. Thus, the time spent in construction, commissioning and maintenance is reduced,adding reliability and flexibility to the control of substations. The development of appropriateprogramming capabilities to final users of digital relays is the main proposal of this work, con-sidering requirements for control solutions, supervision and interlocking of some components ofthe electrical power system. A set of real situations, supported by the respective equipment,were used as a background to the conception of solutions. Considering the development and im-plementation based on practical solutions, this equipment is capable to indicate control solutionsand supervision in substation Bays, used at electrical utilities as well as at industries in general.At last, the IEC 61850 protocol was quantitatively analyzed, appearing as a very good alternativeto modify the functional substation circuit. As a result, the number of electrical connections hasbeen drastically reduced, improving the reliability of the proposed functional circuit.

Keywords: Control, IEC 61850, Interlocking, Digital Protection Relay, Electrical power sys-

tems, Supervision.

xii

xiii

Sumrio

Resumo ix

Abstract xi

Lista de Figuras xvii

Lista de Tabelas xxiii

Lista de Abreviaturas e Siglas xxv

1 Introduo 1

1.1 Contexto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1

1.2 Objetivo Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3

1.3 Objetivos Especficos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.4 Metodologia Utilizada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4

1.5 Contribuies Esperadas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

1.6 Organizao do texto . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

2 Sistemas de Proteo 9

2.1 Elementos Componentes do Sistema de Proteo . . . . . . . . . . . . . . . . . . 9

2.2 Alimentao Auxiliar . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3 Transformadores para Instrumentos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.3.1 Transformadores Eletromagnticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.3.2 Sensor ptico de Corrente . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25

2.3.3 Sensor ptico de Tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.4 Rels . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

2.4.1 Rels Eletromecnicos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.4.2 Rels Estticos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.4.3 Rels Digitais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

xiv

3 Equipamentos de Manobra 39

3.1 Disjuntor de Alta Tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.1.1 Unidade de Comando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39

3.1.2 Sistema de Acionamento . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.1.3 Unidade Interruptora . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.1.4 Circuitos de Comando . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.1.5 Sinalizao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.2 Chaves de Alta Tenso . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.2.1 Tipos Construtivos . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62

3.2.2 Mecanismo de Operao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.2.3 Sinalizao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

3.2.4 Condies de manobra . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 66

4 Aplicaes Desenvolvidas 67

4.1 Estrutura Bsica Implementada . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 67

4.2 Prioridade de Processamento entre Funes de Proteo e Lgicas de Usurio . . 72

4.3 Comutao Automtica entre Fontes de Alta Tenso . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.3.1 Contexto da Aplicao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 74

4.3.2 Fenmenos de Interesse . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 75

4.3.3 Objetivo e Estratgia para Qualidade da Energia . . . . . . . . . . . . . . 76

4.3.4 Topologia e Operao da Subestao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 77

4.3.5 Arranjo Lgico . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.3.6 Programao de Controle e Superviso Desenvolvida . . . . . . . . . . . . 80

4.3.7 Arranjo de Ensaio . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.3.8 Conexes para Troca de Informaes . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.3.9 Resultados Encontrados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 87

4.3.10 Comentrios Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 91

4.4 Controle de Bay . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.4.1 Introduo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 92

4.4.2 Contexto de Aplicao - SEP . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.4.3 Caso em Estudo . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.4.4 Implementao da Lgica de Controle e Intertravamento . . . . . . . . . . 95

4.4.5 O Ensaio Realizado . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

4.4.6 Testes Realizados - Comando Local . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

4.4.7 Alterao para a Lgica Proposta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

4.4.8 Comentrios Finais . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

xv

5 O Padro IEC 61850 109

5.1 Motivaes e Histrico sobre o Padro IEC 61850 . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

5.2 Composio Geral . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 111

5.3 Breve Descrio da Documentao do padro IEC 61850 Utilizada . . . . . . . . 113

5.3.1 Parte 5 - Requisitos de Comunicao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

5.3.2 Parte 6 - Linguagem de Configurao . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 116

5.3.3 Parte 8 - Servios de Comunicao Especficos . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.4 Controle de Bay atravs do Padro IEC 61850 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

5.4.1 Topologia Utilizada para a Rede de Comunicao de Dados . . . . . . . . 122

5.5 Migrao da Lgica para o padro IEC 61850 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 123

5.5.1 Testes Realizados . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 126

5.6 Comparao entre o Controle de Bay com e sem o padro IEC 61850 . . . . . . . 126

6 Concluses 131

6.1 Sugestes para Continuidade da Pesquisa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 133

Referncias Bibliogrficas 135

A Divulgao do Trabalho em Eventos Cientficos 141

xvi

xvii

Lista de Figuras

1.1 Pontos notveis do Sistema Eltrico de Potncia. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2

1.2 Metodologia aplicada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6

2.1 Subsistemas de proteo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10

2.2 Requisitos para o sistema de proteo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.3 Esquema de ligao para a alimentao auxiliar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11

2.4 Conexo geral para a alimentao auxiliar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.5 Banco de baterias alimentando cargas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12

2.6 Detalhes do banco de baterias. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13

2.7 Classificao dos transformadores para instrumentos. . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.8 Transformador elementar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14

2.9 Circuito equivalente para o TC. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15

2.10 Conexo do TC ao SEP e dos equipamentos ao seu secundrio. . . . . . . . . . . 16

2.11 TC do tipo bucha. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.12 TC do tipo janela. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

2.13 TC do tipo barra. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

2.14 TC do tipo pedestal. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.15 Curva de Saturao de TCs. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19

2.16 Circuito equivalente para o TP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

2.17 Conexo do TP ao SEP e dos equipamentos ao secundrio. . . . . . . . . . . . . . 21

xviii

2.18 Ligao em estrela. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21

2.19 Ligaes em delta e delta aberto. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.20 Ligaes residual e monopolar. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2.21 Aspecto fsico para o TP. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.22 Circuito equivalente para o TP capacitivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 23

2.23 Aspecto fsico do TP capacitivo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24

2.24 Detalhes TC ptico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26

2.25 Efeito Pockels. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27

2.26 Rel de atrao tipo axial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

2.27 Rel de atrao tipo charneira. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.28 Rel do tipo disco de induo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

2.29 Rel do tipo tambor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

2.30 Rel do tipo Darsonval. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

2.31 Diagrama de blocos para um rel esttico genrico. . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

2.32 Exemplo de rel esttico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35

2.33 Arquitetura de um rel digital. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 36

2.34 Funcionalidades genricas de um rel de proteo digital. . . . . . . . . . . . . . . 37

2.35 Exemplo de rel digital comercial. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3.1 Armrio central. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40

3.2 Detalhe armrio plo A do disjuntor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41

3.3 Exemplo de acionamento por solenide. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.4 Funcionamento esquemtico de carga das molas de fechamento e abertura. . . . . 43

3.5 Exemplo de acionamento mola. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 44

3.6 Exemplo de acionamento a ar comprimido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 45

3.7 Exemplo de acionamento hidrulico. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46

3.8 Caminho de extino do arco por sopro magntico. . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

xix

3.9 Exemplo de cmara de extino a sopro magntico. . . . . . . . . . . . . . . . . . 47

3.10 Tipos de cmaras de extino a ar comprimido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

3.11 Aspecto fsico para o disjuntor a ar comprimido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49

3.12 Elementos constituintes de um disjuntor GVO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 50

3.13 Aspecto fisico de um disjuntor GVO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51

3.14 Tipos de cmaras de extino a ar comprimido. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.15 Exemplo de disjuntor do tipo PVO. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 52

3.16 Cmara SF6 de dupla presso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.17 Cmara SF6 de presso nica. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54

3.18 Exemplo de disjuntor a SF6. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

3.19 Disjuntor a vcuo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 56

3.20 Circuito de fechamento. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 57

3.21 Circuitos de comando para K12 e K13. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 58

3.22 Circuito de abertura. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

3.23 Sinalizao para o disjuntor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 61

3.24 Tipos construtivos de chaves de alta tenso. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 63

3.25 Elementos constituintes das chaves de alta tenso. . . . . . . . . . . . . . . . . . 64

3.26 Exemplo de mecanismo de operao para uma chave de alta tenso. . . . . . . . . 65

3.27 Formas de sinalizao de posio para as chaves de alta tenso. . . . . . . . . . . 66

4.1 Estrutura laboratorial proposta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 68

4.2 Aspecto fsico para a estrutura laboratorial proposta. . . . . . . . . . . . . . . . . 69

4.3 Programao de usurio aplicada ao teste de prioridade. . . . . . . . . . . . . . . 72

4.4 Esquema de ensaio para o teste de prioridade de processamento. . . . . . . . . . . 73

4.5 Topologia para subestao de entrada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 78

4.6 Estrutura lgica proposta. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 79

4.7 1 ciclo de comutao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 80

xx

4.8 2 ciclo de comutao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

4.9 Sinalizaes para o vo 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 82

4.10 Descrio genrica para a funo 27. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 83

4.11 Curva de atuao para a funo 27. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 84

4.12 Montagem laboratorial . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 85

4.13 Simulador para disjuntor. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.14 Conexes eltricas realizadas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 86

4.15 Exemplo de Bay. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 93

4.16 Bay em estudo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 94

4.17 Comando, intertravamento e superviso para DJ-1. . . . . . . . . . . . . . . . . . 96

4.18 Comando, intertravamento e superviso para CS-1 e CS-2. . . . . . . . . . . . . . 97

4.19 Comando, intertravamento e superviso para CT. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 98

4.20 Situao de instalao em campo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

4.21 Montagem de ensaio implementada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

4.22 Fiao eltrica entre simulador e comando. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 100

4.23 Explicao da lgica referente a CS1 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 102

4.24 Seleo e controle de equipamentos com dois botes. . . . . . . . . . . . . . . . . 104

4.25 Blocos de controle. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 105

4.26 Lgica modificada para o disjuntor 1. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 106

5.1 Principais protocolos usados para automao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 110

5.2 Nveis para o sistema de automao de subestaes. . . . . . . . . . . . . . . . . . 113

5.3 Conexes entre ns lgicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 114

5.4 Relao entre n lgico, dispositivo lgico e IED. . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

5.5 Linguagem de configurao da subestao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5.6 Pilha de protocolos IEC 61850 simplificada. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 118

5.7 Arquitetura para automao contendo apenas barramento de estao. . . . . . . . 120

xxi

5.8 Arquitetura para automao contendo barramento de processo e estao. . . . . . 121

5.9 Exemplo de MU. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 122

5.10 Topologia para estabelecimento da rede de comunicao de dados. . . . . . . . . . 123

5.11 Lgica para o disjuntor DJ-1 sobre o pradro IEC 61850. . . . . . . . . . . . . . . 125

5.12 Passos para criao da lgica de Bay com IEC 61850 . . . . . . . . . . . . . . . . 125

5.13 Controle de Bay baseado com circuito funcional tradicional. . . . . . . . . . . . . 129

5.14 Controle de Bay com IEC 61850. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

xxii

xxiii

Lista de Tabelas

4.1 Resultados para o teste de prioridade de processamento. . . . . . . . . . . . . . . 73

4.2 Mnemnicos para entendimento da Tabela 4.3 e Tabela 4.4. . . . . . . . . . . . . 88

4.3 Primeiro ciclo de comutao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 89

4.4 Segundo ciclo de comutao. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 90

4.5 Manobras efetuadas - comando local. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 101

5.1 Documentao para o padro IEC 61850. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 112

5.2 Grupos de ns lgicos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 115

5.3 Arquivos SCL. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 117

5.4 Classificao de mensagens para o padro IEC 61850. . . . . . . . . . . . . . . . . 119

5.5 Informaes a serem enviadas/recebidas atravs do padro IEC 61850. . . . . . . 123

5.6 Testes efetuados para o controle de Bay sobre o padro IEC 61850. . . . . . . . . 126

5.7 Comparao entre o controle de Bay com e sem o uso do padro IEC 61850. . . . 127

xxiv

xxv

Lista de Abreviaturas e Siglas

ACSI Abstract Communication Service Interface

A/D Conversor Analgico/Digital

ANEEL Agncia Nacional de Energia Eltrica

BA Bobina de Abertura

BF Bobina de Fechamento

CID Configured IED Description

CS Chave Seccinadora

CT Chave de aterramento

DJ Disjuntor de alta tenso

DO Dropout

DSP Digital Signal Processor

EESC Escola de Engenharia de So Carlos

EPRI Eletric Power Research Institute

GOOSE Generic Object Oriented Substation Event

GSE Generic Substation Events

GSSE Generic Susbtation Status Event

GVO Disjuntor a Grande Volume de leo

xxvi

ICD IED Capability Description

IEC International Electrotechnical Commission

IED Intelligent Electronic Device

IHM Interface Homem Mquina

LAN Local Area Network

LSEE Laboratrio de Sistemas de Energia Eltrica

LT Linha de Transmisso

MMS Manufacturing Messaging Specification

MU Merging Unit

NA Contato auxiliar Normalmente Aberto

NF Contato auxiliar Normalmente Fechado

ONS Operador Nacional do Sistema

PB Push-Button

PLC Programmable Logic Controllers

pu por unidade

PU Pickup

PVO Disjuntor a Pequeno Volume de leo

RAM Random Access Memory

RTP Relao de Transformao de Potencial

SCL Substation Configuration Language

SCSM Specific Communication Service Mapping

SDRAM Synchronous Dynamic RAM

SEP Sistema Eltrico de Potncia

SIN Sistema Interligado Nacional

xxvii

SP Sistema de Proteo

SCD Substation Configuration Description

SSD System Specification Description

TC Transformador de Corrente

TCP/IP Transmission Control Protocol/Internet Protocol

TP Transformador de Potencial

TSA Transformador de Servio Auxiliar

UCA Utility Communications Architecture

USP Universidade de So Paulo

UTR Unidade Terminal Remota

VTCD Variaes de Tenso de Curta Durao

VTLD Variaes de Tenso de Longa Durao

WAN Wide Area Network

XML eXtender Markaup Language

xxviii

1

Captulo 1

Introduo

Neste captulo ser apresentado o contexto em que este trabalho se insere, seu objetivo

principal, os objetivos especficos, a metodologia aplicada, consideraes sobre as contribuies

a serem alcanadas, bem como a organizao deste texto.

1.1 Contexto

Uma rua iluminada por lmpadas eltricas consiste em montona paisagem urbana no brasil

do sculo XXI. Porm, no ano de 1881, na cidade do Rio de Janeiro, a iluminao do Jardim do

Campo da Aclamao, atual Praa da Repblica, por 16 lmpadas de arco voltaico constituiu fato

indito e pode ser considerada como marco da eletrificao neste pas. Aps esse episdio e j no

ano de 1883, entrou em operao a primeira usina hidreltrica brasileira, localizada no Ribeiro

do Inferno, afluente do Rio Jequitinhonha, em Porto de Ferro, na cidade de Diamantina e cuja

finalidade era movimentar duas bombas utilizadas na minerao de diamantes. Em uma aplicao

mais abrangente, no ano de 1887, entrou em operao a usina termeltrica da Companhia Fiat

Lux que tinha por finalidade prover a iluminao pblica da cidade de Porto Alegre, sendo,

portanto, a primeira capital brasileira a contar com esse servio. O ano de 1889, definitivamente

marcado na histria poltica deste pas, trouxe consigo agitaes tambm para a engenharia com

a inaugurao da maior usina hidreltrica brasileira poca, Marmelos-Zero, da Companhia

Mineira de Eletricidade CME, localizada na cachoeira Marmelos, no rio Paraibuna, municpio

de Juiz de Fora. A mesma era responsvel pelo suprimento de energia eltrica fbrica txtil de

Bernardo Mascarenhas e iluminao pblica da cidade de Juiz de Fora, possua dois geradores

monofsicos de 125 kW cada um. No ano de 1892 passou por uma ampliao, recebendo novo

2

grupo de geradores de igual potncia [1].

Em 2007, portanto um pouco mais de um sculo aps o marco da construo da primeira

usina hidreltrica, o Brasil conta com aproximadamente 1.631 empreendimentos de gerao em

operao, produzindo 99.407.161 kW de potncia [2]. Cabe dizer, que o caso brasileiro nico

em caractersticas e tamanho no mundo, sendo um sistema hidrotrmico, com predominncia de

usinas hidroeltricas e com diversos proprietrios [3]. Em funo dessas singularidades foi criado

o Sistema Interligado Nacional (SIN), formado pelas empresas das regies Sul, Sudeste, Centro-

Oeste, Nordeste e parte da regio Norte, que possui como objetivo garantir a intercambialidade

da energia gerada nas vrias usinas do sistema para as diversas regies consumidoras. O SIN

est sob o controle de um rgo gerencial chamado Operador Nacional do Sistema (ONS), o qual,

por sua vez est sob fiscalizao e regulao da Agncia Nacional de Energia Eltrica (ANEEL).

Convencionou-se chamar Sistema Eltrico de Potncia (SEP) ao conjunto de infraestruturas

responsveis pela gerao, transmisso e distribuio da energia eltrica [4]. A Figura 1.1 ilustra,

de forma genrica, um SEP, para o qual: 1 - Gerao, 2 - Subestao Elevadora, 3 - Transmisso,

4 - Subestao Abaixadora, 5 Distribuio e 6 Uso Final.

Figura 1.1: Pontos notveis do Sistema Eltrico de Potncia.Fonte: [5]

Independentemente ao porte do SEP, o mesmo est sujeito a uma srie de fenmenos, alguns

intrnsecos, como curto-circuito, outros no, descargas atmosfricas, por exemplo, que podem

implicar em afastamento das condies tidas como normais e seguras para sua operao.

Suas vulnerabilidades e conseqentemente as implicaes tcnicas e econmicas que acarretam

motivaram a criao do Sistema de Proteo (SP). Pode-se dizer que o SP um conjunto de

3

filosofias e conseqentemente equipamentos para deteco de situaes anormais operao do

SEP, com o intuito de prevenir danos permanentes aos equipamentos que o compe, salvaguardar

a integridade fsica das pessoas que o operam, buscar tempos de interrupo no fornecimento de

energia eltrica to pequenos quanto possvel e minimizar a influncia de um defeito local sobre

o restante do SEP [6, 7].

Entre os equipamentos que podem compor um SP, o rel de proteo ocupa posio de

destaque, pois representa o mais apurado conjunto de elementos de monitoramento, deteco,

classificao e deciso para discernir se uma determinada condio do SEP ou de um de seus

elementos constituintes representa um defeito ou no [8]. Existem, basicamente, trs tecnologias

de fabricao de rels de proteo, a saber: Eletromecnica, Esttica e Digital, sendo a primeira a

precursora das demais. Diversos fatores motivaram o desenvolvimento de novas bases tecnolgicas

para a criao de rels de proteo, pode-se citar, por exemplo, a crescente complexidade e o

estabelecimento de rgidos requisitos de desempenho para o SEP [9].

Na primeira dcada deste sculo os equipamentos de proteo com tecnologia digital sinali-

zaram um novo paradigma para a composio dos SPs [10]. fato tambm que essa tecnologia

convive com suas antecessoras, que por fora de sua longa predominncia ainda exercem alguma

influncia sobre o pensamento, concepo e operao dos sistemas de proteo. Esses novos equi-

pamentos multifunes, em geral, esto subutilizados, sendo o seu potencial ainda no empregado

ou explorado em profundidade.

Os rels digitais possuem grande capacidade para resolver alguns dos problemas intrnsecos

ao SEP seja do ponto de vista das funes de medio, superviso, controle, anlise de eventos

(registros seqenciais e oscilografias), proteo e comunicao. Como fato, tem-se que uma das

vantagens associadas utilizao da capacidade de controle e automao dos rels digitais est

em seu potencial de simplificar a concepo dos painis que compem as instalaes de potncia.

Isso diminui os tempos de construo, comissionamento e manuteno, alm de agregar maior

confiabilidade e flexibilidade ao controle [11].

1.2 Objetivo Geral

Como proposta fundamental deste trabalho, pretende-se investigar como utilizar adequa-

damente as capacidades de programao de usurio dos rels digitais de proteo para sanar

problemas relativos ao SEP. Um conjunto de situaes reais ser utilizado como base de estudo

4

para concepo de solues baseadas nos dispositivos mencionados. Uma premissa a ser adotada

na conduo deste trabalho a de que as solues desenvolvidas sejam portveis, ou seja, deve

ser possvel aplic-las a qualquer rel digital de proteo, desde que o mesmo satisfaa a certos

pr-requisitos.

De posse desse conjunto de resultados ser possvel enunciar a possibilidade de uso dos rels

digitais comerciais como alternativa ao uso dos Programmable Logic Controllers (PLC)s para es-

tabelecimento de funes de controle, automao e superviso em subestaes de energia eltrica,

configurando uma arquitetura distribuda, em oposio queles equipamentos, que fornecem uma

concepo concentrada para os mesmos propsitos.

1.3 Objetivos Especficos

Para atingir o objetivo geral proposto sero trabalhados os seguintes itens:

Desenvolver uma lgica para controle, intertravamento e superviso de estado

para equipamentos de manobra de um Bay de sada de linha;

Desenvolver uma lgica para comutao automtica entre fontes de alta tenso

em uma subestao industrial;

1.4 Metodologia Utilizada

A metodologia aplicada a este trabalho pode ser observada na Figura 1.2 e ser explanada a

seguir.

Sero escolhidos como problemas a serem abordados, dentro da tica estabelecida, o desenvol-

vimento de uma lgica de controle de Bay e um esquema de comutao automtica entre fontes

de alta tenso, ambos sero detalhados minuciosamente no Captulo 4. Em seguida passa-se ao

modelamento desses problemas, sob o ponto de vista dos fenmenos eltricos relacionados, das

aes de controle a serem aplicadas, das informaes de monitoramento, sejam elas de estado ou

valor de grandeza eltrica, das permisses de execuo para cada ao de mudana de estado e

por fim, do resultado final esperado.

Delimitados e suficientemente modelados os problemas em estudo, passa-se, ento, a con-

feco de uma soluo de controle, automao ou superviso para os mesmos. Tal soluo ser

5

baseada nos elementos dos sistemas digitais, como portas AND, OR, NOT e Flip-Flops, por

exemplo, em funo dos mesmos estarem presentes em rels de proteo digitais que possuam

ambientes de programao de usurio [12]. Tais ambientes so espaos reservados no escopo do

software do rel digital de proteo para que o usurio crie alguma funo, como por exemplo de

controle de fechamento e/ou abertura de um disjuntor, conveniente ao adequado funcionamento

da subestao com a qual est trabalhando. Os referidos elementos, por serem universais em seu

funcionamento, se tomados como prioritrios para a criao das solues, em relao a elemen-

tos de programao proprietrios de um fabricante qualquer, iro auxiliar a atingir o objetivo

proposto na seo 1.2.

Concluda a etapa anterior se faz necessrio escolher rels de proteo digitais para imple-

mentar as solues desenvolvidas previamente. A populao de equipamentos utilizados neste

estudo atende s caractersticas mencionadas na seo 1.1 e seo 1.2. Cabe dizer, que os mesmos

fazem parte da infraestrutura do Laboratrio de Sistemas de Energia Eltrica (LSEE) da Escola

de Engenharia de So Carlos (EESC) da Universidade de So Paulo (USP). O passo seguinte

conhecer tais produtos, ou seja, suas interfaces com o usurio, suas especificaes de hardware

e software, seus modos de operaes e configuraes, para ento, de forma adequada e segura

implementar as solues desenvolvidas anteriormente, tais solues sero, ento, traduzidas

para as convenes do equipamento com o qual se est trabalhando.

O prximo estgio o de concepo dos arranjos de ensaio para avaliar o funcionamento

das aplicaes desenvolvidas. Tais arranjos sero compostos por um simulador de sistemas de

potncia (caixa de teste), o(s) rel(s) utilizados em cada aplicao, meios de comunicao de

dados, condutores eltricos, microcomputadores e painis para montagem de equipamentos. Uma

vez planejados, passa-se, ento, para a montagem dos mesmos, atentando para as adequaes

que se fizerem necessrias para realizar sua conduo.

Por fim, coletar todos os resultados pertinentes a cada conjunto de teste executado e analis-

los. Havendo discrepncias entre o que era esperado e o que foi encontrado, em um primeiro

momento, implementar medidas de correo na lgica desenvolvida para se obter resultado,

seno semelhante, suficientemente prximo ao desejado. Implementadas as correes deve-se

repetir o ensaio, para o mesmo arranjo, registrar os resultados encontrados e avali-los. Se forem

satisfatrios, document-los de forma conveniente e emitir concluses sobre cada aplicao.

6

Figura 1.2: Metodologia aplicada.

1.5 Contribuies Esperadas

Findo este trabalho espera-se que os resultados obtidos sejam suficientemente slidos para

auxiliar engenheiros, tcnicos e estudantes do SEP a compor solues de controle, automao

ou superviso pertinentes, confiveis e economicamente viveis para concepo e operao de

subestaes de energia eltrica, culminando em um melhor uso dos rels digitais de proteo.

7

1.6 Organizao do texto

O texto referente a este trabalho encontra-se dividido da seguinte forma: No Captulo 1

apresentado o contexto no qual esta atividade se insere, seu objetivo geral, os objetivos especfi-

cos, a metodologia aplicada, as consideraes sobre os resultados esperados e a organizao deste

texto. No Captulo 2 feita a apresentao dos SP e descrio dos seus elementos constituintes,

fornecendo ao leitor uma viso sucinta do mesmo. No Captulo 3 so abordados os disjuntores e

chaves de alta tenso comumente utilizados em subestaes de energia, com um enfoque breve so-

bre sua construo e operao. No Captulo 4 apresentada a estrutura laboratorial estabelecida

bem como os problemas selecionados, seu modelamento, as solues desenvolvidas, os resultados

encontrados e as concluses sobre cada aplicao. No Captulo 5 apreciado de forma qualitativa

o uso do padro IEC 61850 para composio de solues de controle, superviso e intertrava-

mento em Bays de subestaes de energia eltrica, alm de ser realizada uma comparao entre

a soluo apresentada no Captulo 4 e sua similar desenvolvida sobre aquele padro. Por fim, no

Captulo 6 so apresentadas as concluses sobre o trabalho, alm de sugestes de continuidade

propostas para esta pesquisa. No Apndice A so apresentados os resultados obtidos em relao

a divulgao cientfica do mesmo.

8

9

Captulo 2

Sistemas de Proteo

Neste captulo sero abordados, de forma concisa, os elementos que constituem os SP com o

intuito de familiarizar o leitor em relao ao arcabouo deste trabalho.

2.1 Elementos Componentes do Sistema de Proteo

O diagrama unifilar exposto na Figura 2.1 contm um SP composto por Transformador de

Corrente (TC), Transformador de Potencial (TP), alimentao auxiliar, rel de proteo e dis-

juntor de alta tenso.

conveniente, ainda, dizer que no existe simultaneidade na presena de ambos os tipos de

transformadores para instrumento em um SP, seu uso estar condicionado ao tipo de funes de

proteo desejadas para a instalao em foco.

Na seo 1.1 mencionou-se a finalidade dos SP, a qual ser repetida aqui por convenincia e

fluncia do texto, como sendo um conjunto de filosofias e, conseqentemente, equipamentos para

deteco de situaes anormais operao do SEP, com o intuito de prevenir danos permanentes

aos equipamentos que o compe, salvaguardar a integridade fsica das pessoas que o operam e

buscar tempos de interrupo no fornecimento de energia eltrica to pequenos quanto possvel

[6, 7].

Para que os objetivos do SP sejam atingidos necessrio que todos os subsistemas envolvidos

funcionem de forma coesa e com elevada confiabilidade [14].

10

Rel deProteo

Disjuntor

TC

TP

Circuito Protegido

Alimentao Auxiliar(corrente contnua)

Circ

uito

de

Abe

rtur

a(T

RIP

)

Barramento

Subsistemas deProteo

52

Figura 2.1: Subsistemas de proteo.Fonte: [13]

A Figura 2.2 ilustra o conjunto desejvel de qualidades para um SP. Sobre esses atributos

pode-se dizer [8, 13]:

Seletividade: maximizar a continuidade do servio de fornecimento de energia, desconec-

tando o mnimo do sistema em situao de falta;

Confiabilidade: assegurar que a proteo atuar corretamente quando for necessria, dis-

tinguindo entre situaes de falta e condies normais de operao;

Velocidade: caracterstica que garante o mnimo tempo de falha, para um mnimo de danos

ou instabilidade no comportamento do sistema protegido;

Economia: No sentido de se ter mxima proteo ao menor custo, considerando sempre o

aspecto custo x benefcio.

Simplicidade: Caracterstica que leva em conta o menor uso de equipamentos e circuitos

na execuo da filosofia de proteo desejada;

Mantenabilidade: a capacidade da proteo permitir manuteno rpida e precisa,

reduzindo-se ao mnimo o tempo fora de servio e os custos de manuteno.

11

Figura 2.2: Requisitos para o sistema de proteo.

2.2 Alimentao Auxiliar

Em subestaes e usinas geradoras de energia eltrica usual que cargas entendidas como

prioritrias, esquemas de controle e proteo sejam supridas em corrente contnua.

Em geral, um arranjo construtivo redundante composto por um retificador/carregador e por

um banco de baterias utilizado para esse fim. A Figura 2.3 exibe o exposto.

Retificador/Carregador

Figura 2.3: Esquema de ligao para a alimentao auxiliar.Fonte: [15]

As cargas da subestao, como por exemplo tomadas de uso geral, iluminao, ar condici-

onado, equipamentos de comunicao, proteo, controle, etc., so alimentadas por um trans-

formador de distribuio geralmente denominado Transformador de Servio Auxiliar (TSA). O

retificador/carregador do banco de baterias conectado ao TSA, conforme Figura 2.4.

12

Retificador/Carregador

Banco deBaterias

Fusveis

(-)(+)

(+)

(-)

Conectado aoSecundrio do TSA

Para alimentao de circuitosde controle, comando, alarme,

proteo, etc.

Figura 2.4: Conexo geral para a alimentao auxiliar.Fonte: [15]

O qual, em condio normal de fornecimento de tenso ir suprir s cargas prioritrias da

subestao com corrente contnua e manter em flutuao1 ou em carga o banco de baterias.

Havendo um problema qualquer com a alimentao em corrente alternada, um esquema

automtico de transferncia retira de operao o retificador/carregador e o banco de baterias

passa a suprir em corrente contnua as cargas prioritrias da subestao, conforme a Figura 2.5.

(-)

Figura 2.5: Banco de baterias alimentando cargas.Fonte: [15]

1A flutuao um regime de carga em que a bateria mantida a plena carga. Neste regime mantido um nvelde tenso que garante uma circulao de corrente suficiente para compensar as perdas por autodescarga [16].

13

Nesta composio, o banco de baterias o elemento que garante a confiabilidade do sistema

de alimentao auxiliar em corrente contnua, pois o mesmo no faz parte do SEP. Em geral so

utilizadas baterias do tipo chumbo-cidas para comp-lo [17, 18].

O valor de tenso em corrente contnua usualmente aplicado em subestaes de energia el-

trica de 125V, o que acaba por implicar na existncia de um banco de baterias composto por

aproximadamente 60 elementos (baterias), pois cada elemento fornece aproximadamente 2,2V

[15]. A Figura 2.6(a) mostra a ligao dos elementos que formam o banco de baterias, j a

Figura 2.6(b) exibe seu aspecto fsico.

(+)

(-)

2,2 V

2,2 V

~60elementos

2,2 V

2,2 V

125V

2,2 V

(a) Ligao entre os elementos. (b) Aspecto fsico.

Figura 2.6: Detalhes do banco de baterias.

2.3 Transformadores para Instrumentos

A amplitude das correntes e tenses no SEP, em geral, demasiadamente elevada para

que se realize a conexo de equipamentos de medio, controle ou proteo diretamente a ele.

Fora o fato, de esse tipo de conexo ser potencialmente perigosa para as pessoas que operam as

subestaes de energia eltrica, pois a isolao entre usurio do equipamento e o SEP garantida

apenas pelo isolamento do equipamento em questo [19].

A forma encontrada para contornar essa questo foi desenvolver os transformadores para

instrumentos, que representam uma forma segura e tecnicamente adequada para prover os sinais

de tenso e corrente que os SP, controle e medio necessitam [20]. A segurana obtida a partir

da sua construo bsica, a qual permite conveniente isolao galvnica entre os instrumentos

14

de medio, controle ou proteo e o SEP no qual esto inseridos, alm daquela fornecida pelo

equipamento a ele conectado [21].

A Figura 2.7 exibe uma diviso bsica para os transformadores para instrumentos.

Figura 2.7: Classificao dos transformadores para instrumentos.

2.3.1 Transformadores Eletromagnticos

A construo bsica dos transformadores eletromagnticos pode ser vista na Figura 2.8.

Figura 2.8: Transformador elementar.Fonte: [19]

composto pelos seguintes elementos: um ncleo de material ferromagntico, um conjunto

de espiras designadas por enrolamento primrio e outro conjunto de espiras designadas por

enrolamento secundrio, essa construo possvel pois, est embasada na lei de Lenz2. Cabe

ainda dizer que os transformadores para instrumentos so monofsicos.

2Para um melhor detalhamento consultar [22].

15

Transformador de Corrente

O TC possui a funo de reduzir a corrente do SEP para valores adequados construo dos

equipamentos de medio, controle ou proteo. Esses valores so padronizados em 1A ou 5A,

sendo o segundo valor mais corriqueiro no Brasil [23]. A Figura 2.9 exibe o circuito equivalente

para o TC.

Zequip

Figura 2.9: Circuito equivalente para o TC.Fonte: [10]

Para o qual:

Zp - Impedncia do primrio refe-

rida ao secundrio.

ZS - Impedncia do secundrio.

Ip - Corrente no primrio do TC.

IS - Corrente no secundrio do TC.

Ie - Corrente de magnetizao do

ncleo do TC.

RF - Resistncia equivalente s per-

das no ferro do ncleo do TC.

Xm - Reatncia equivalente mag-

netizao do ncleo do TC.

Zequip - Impedncia dos equipa-

mentos conectados ao secundrio

do TC.

16

A conexo do primrio do TC feita em srie com o SEP. O mesmo vale para o(s) equipa-

mento(s) conectados ao seu secundrio, conforme a Figura 2.10. As ligaes mais comuns entre

os TCs de cada fase do SEP so estrela ou tringulo. O primrio do TC composto por poucas

espiras, chegando at a no possuir primrio prprio, j o secundrio constitudo por muitas

espiras. Algo relevante a dizer que ao contrrio do transformador de potncia, cuja corrente

no secundrio determinada pela carga a ele conectada, para o TC o valor de corrente no enro-

lamento secundrio independe da carga a ele conectada. Esta a reproduo, dentro de certos

limites de fidelidade, da corrente que circula pelo SEP [10].

Eg TC

IP I =IP carga

IS

Np

NSZcarga

bobinas de Corrente

Figura 2.10: Conexo do TC ao SEP e dos equipamentos ao seu secundrio.Fonte: [10]

Para o qual:

Eg - Tenso no SEP.

IP - Corrente no primrio do TC.

IS - Corrente no secundrio do TC.

ZCarga - Carga equivalente no SEP.

Existem vrios tipos de TC, cada qual adequado a uma determinada situao de instalao

ou operao. Sero apresentados alguns desses a seguir.

TC tipo bucha

O fato marcante neste tipo de equipamento reside no fato de que o secundrio isolado e

montado no ncleo, sendo o enrolamento primrio constitudo pelo prprio condutor fase do

SEP e ainda ser parte integrante de um equipamento, como um disjuntor ou transformador de

17

potncia. A Figura 2.13 ilustra esse tipo de TC.

Bucha dealta tenso

Carcaa doequipamento

TC 1

TC 2

(a) Detalhe construtivo. (b) Aspecto fsico.

Figura 2.11: TC do tipo bucha.Fonte: [15]

TC tipo janela

Sua construo anloga ao TC do tipo bucha, com a diferena sensvel de o mesmo no ser

encontrado em equipamentos de alta tenso, alm do fato de o ar ser utilizado como isolante entre

primrio e secundrio. So largamente aplicados em classe de tenso de 15 kV. A Figura 2.12

ilustra este tipo de TC.

S1

S2

CondutorMvel

(a) Detalhe construtivo. (b) Aspecto fsico.

Figura 2.12: TC do tipo janela.Fonte: [15]

18

TC tipo barra

Neste tipo de TC o primrio e o secundrio so isolados habitualmente com o uso de resina

epxi e montados no ncleo, sendo o primrio constitudo por uma barra que colocada no

interior da janela do ncleo. particularmente adequado para suportar os esforos originados

por sobrecorrentes. A Figura 2.13 ilustra esse tipo de TC.

S1

S2

P2

P1

(a) Detalhe construtivo. (b) Aspecto fsico.

Figura 2.13: TC do tipo barra.Fonte: [15]

TC tipo pedestal

Este tipo de TC possui o primrio e o secundrio enrolados sobre um ncleo toroidal, sendo

que ambos esto inseridos em um tanque isolado a leo. Para este tipo de TC existe ainda

uma diviso quanto a posio do ncleo e enrolamentos primrio e secundrio. As diferentes

possibilidades de montagem do secundrio, com o ncleo em baixo, no meio ou em cima do

TC acabam por refletir no dimensionamento do seu isolamento. A escolha pela montagem do

secundrio em cima do TC implica em maior segurana operativa e menores custos para realizar

sua adequada isolao do SEP. Essa caracterstica faz com que esse tipo de montagem seja a

preferencial para sistemas de extra-alta tenso. A Figura 2.14, itens a) e b), exibe o aspecto

construtivo desse tipo de TC.

19

(a) Detalhe construtivo. (b) Aspecto fsico comenrolamentos secundrios na parte

de baixo.

Figura 2.14: TC do tipo pedestal.Fonte: [15, 24]

TC de Proteo x TC de Medio

A diferena fundamental entre um TC utilizado para medio ou proteo reside em sua

curva de saturao, conforme a Figura 2.15. Depreende-se, ento, que um TC para medio

adequado para reproduzir correntes de baixa amplitude, enquanto que um TC para proteo,

consegue reproduzir com melhor fidelidade em seu secundrio correntes de elevada amplitudes,

as quais so prprias de defeitos no SEP.

I1

I2

4I2n

4I1n 20I1n

TC de medio

TC de proteo

Regio de Saturao

20I2n

Figura 2.15: Curva de Saturao de TCs.Fonte: [25]

20

Transformador de Potencial

O TP possui a funo de reduzir a tenso do SEP para valores adequados construo dos

equipamentos de medio, controle ou proteo. O valor de tenso no enrolamento secundrio

padronizado em 115V [26]. A Figura 2.16 exibe o circuito equivalente para o TP, o qual similar

ao transformador de potncia monofsico [9].

R1 X1 R2 X2

I0

RFe Lm

I2

ZB

I1

U1 U2

Figura 2.16: Circuito equivalente para o TP.Fonte: [27]

Para o qual:

U1 - Tenso no primrio.

U2 - Tenso no secundrio.

R1 - Resistncia hmica do primrio.

R2 - Resistncia hmica do secundrio.

X1 - Reatncia do primrio.

X2 - Reatncia do secundrio.

L - Indutncia equivalente a magne-

tizao do ncleo.

RFe - Resistncia equivalente s per-

das no ncleo.

I1 - Corrente no primrio.

I2 - Corrente no secundrio.

I0 - Corrente de magnetizao.

ZB - Impedncia dos equipamentos li-

gados ao secundrio.

A conexo do primrio do TP feita em paralelo com o SEP. O mesmo vale para o(s)

equipamento(s) conectados ao seu secundrio, conforme a Figura 2.17. De acordo com o projeto

do TP, existem trs grupos de ligao: grupo 1 para ligao fase-fase, grupo 2 para ligao

fase-neutro em sistemas diretamente aterrados e grupo 3 para ligao fase-terra em sistemas nos

quais no se garante a eficcia do aterramento [26].

21

As ligaes mais comuns entre os TPs de cada fase do SEP so estrela, tringulo, delta aberto,

residual e monopolar. As Figuras 2.18, 2.19, 2.20 ilustram essas conexes.

Zsist

TPNp

NS

U1

U2Bobinas de tenso

Figura 2.17: Conexo do TP ao SEP e dos equipamentos ao secundrio.

Para o qual: U1 - Tenso no primrio; U2 - Tenso no secundrio; NP - Nmero de espiras

no primrio; NS - Nmero de espiras no secundrio e Zsist - Impedncia das cargas do SEP.

H1 H2

X1 X2

H1 H2

X1 X2

Fase A

Fase B

Fase C

a b

H1 H2

X1 X2

c

Figura 2.18: Ligao em estrela.Fonte: [15]

22

H1 H2

X1 X2

H1 H2

X1 X2

Fase A

Fase B

Fase C

a b

H1 H2

X1 X2

c

(a) Ligao em delta.

H1 H2

X1 X2

Fase A

Fase B

Fase C

a

H1 H2

X1 X2

cb

(b) Ligao em delta aberto.

Figura 2.19: Ligaes em delta e delta aberto.Fonte: [15]

H1 H2

X1 X2

H1 H2

X1 X2

Fase A

Fase B

Fase C

H1 H2

X1 X2

(a) Ligao residual.

H1 H2

X1 X2

H1 H2

X1 X2

Fase A

Fase B

Fase C

a bc n

(b) Ligao monopolar.

Figura 2.20: Ligaes residual e monopolar.Fonte: [15]

Para as quais H1 e H2 so os terminais primrios e X1 e X2 os terminais secundrios.

Ao contrrio do TC, o TP no possui diferena aprecivel entre uso para proteo e medio

[20]. Basicamente existem dois tipos de TP, a saber:

TP indutivo

So transformadores similares aos tranformadores de fora, diferindo apenas em relao a

refrigerao, isolao e aspecto mecnico [19], conectados ao SEP como mencionado, com um

ou mais enrolamentos secundrios. So aplicados com maior freqncia em sistemas de baixa,

mdia e alta tenso. A Figura 2.21, itens a e b, ilustram os aspectos fsicos.

23

(a) TP para 13,8 kV. (b) TP para 69 kV.

Figura 2.21: Aspecto fsico para o TP.

TP capacitivo

Para sistemas de extra-alta tenso o uso do TP indutivo fica construtivamente proibitivo

devido classe de isolao empregada, por torn-lo excessivamente grande, pesado e conseqen-

temente caro [21]. Para contornar essas desvantagens, foi desenvolvido o TP capacitivo, que

basicamente constitudo por um TP convencional onde o primrio composto por um divisor

de tenso capacitivo, conforme a Figura 2.22. Em relao ao TP indutivo apresenta elevada

confiabilidade, alm de servir como elemento de conexo em sistemas carrier3 de comunicao

[15].

R1 L1 R2 L2

I0

Rm Lm

I2

Zequipo

U1U2

C1

C2

Figura 2.22: Circuito equivalente para o TP capacitivo.Fonte: [21]

3Para um melhor detalhamento consultar [28].

24

Para a qual, tem-se:

U1 - Tenso no primrio.

U2 - Tenso no secundrio.

C1 - Capacitor 1.

C2 - Capacitor 2.

R1 - Resistncia hmica do

primrio.

R2 - Resistncia hmica do se-

cundrio.

L1 - Indutncia do primrio.

L2 - Indutncia do secundrio.

Lm - Indutncia equivalente

magnetizao do ncleo.

Rm - Resistncia equivalente

s perdas no ncleo.

I2 - Corrente no secundrio.

I0 - Corrente de magnetizao.

Zequipo - Impedncia das car-

gas conectadas ao secundrio

do TP.

A Figura 2.23 ilustra o aspecto construtivo para o TP Capacitivo.

(1)345 kV

(2)362 kV

(3)800 kV

Figura 2.23: Aspecto fsico do TP capacitivo.Fonte: [24]

25

2.3.2 Sensor ptico de Corrente

O sensor ptico de corrente uma tecnologia relativamente recente aplicada ao SEP [29].

Atualmente seu uso no SIN ainda raro, estando restrito a centros de pesquisa. Os custos de

aquisio e adaptao dos SP existentes a ela representam dois entraves preliminares para sua

adoo macia. Este sensor est baseado no efeito Faraday, cuja explicao ser apoiada com o

uso da Figura 2.24(a).

Um feixe de luz emitido por uma fonte luminosa (1) conduzido por um guia de fibra ptica

at um polarizador (2), aps passar pelo polarizador tem-se um feixe de luz polarizada, ou seja,

uma onda eletromagntica que oscila em apenas um eixo. Este feixe polarizado defletido pelo

prisma (P1) e encaminhado para o interior de um cristal de quartzo (3A), no qual um campo

magntico induzido pela corrente primria (I1) que flui atravs da bobina. O campo magntico

promove a rotao do plano de polarizao da luz.

O prisma (P2) deflete o feixe de luz deslocado para o interior do cristal de quartzo (3B), o qual

est ao potencial da terra, por sua vez, este, est inserido em um campo magntico induzido

pela corrente secundria (I2). A direo do campo escolhida de tal forma que o plano de

polarizao compensado, assim I1W1 = I2W2, W1 e W2 so o nmero de espiras das bobinas

ao redor dos cristais de quartzo. Em conseqncia o ngulo de rotao 1 da luz no cristal (3A)

compensado pela rotao 2 = 1 no cristal (3B). Por essa razo a intensidade da luz em

ambos os foto-detectores (A) e (B) so iguais e o sinal na entrada do amplificador diferencial (6)

zero [27].

A rotao do plano de polarizao faz com que um dos detectores seja iluminado de forma

mais intensa que o outro e isso implica na gerao de um sinal diferencial. O sinal de sada do

amplificador diferencial a corrente secundria I2, a qual uma representao fiel da corrente

primria I1 [27].

A Figura 2.24(b) exibe o aspecto construtivo para um TC ptico. Por fim, cabe dizer que

um TC baseado nesse princpio fornece isolao completa em relao ao SEP, pois no existe

nenhuma conexo com o condutor primrio, alm do fato de que sua construo, por no possuir

ncleo magntico e enrolamentos primrio ou secundrio, o torna menor em tamanho e mais leve

em relao aos TCs convencionais. A ausncia de ncleo ferromagntico ainda benfica pois o

torna imune a problemas de saturao [29].

26

Ao Potencial do SEP

Ao Potencial da Terra

1

2

Fibra ptica

W1

3A

P1

I1

P2

W2

3B

4

55 B1

6

7

I2

A1

(a) Efeito Faraday.

(b)Aspectofsico.

Figura 2.24: Detalhes TC ptico.Fonte: [27, 30]

27

2.3.3 Sensor ptico de Tenso

O sensor ptico de tenso est baseado no efeito Pockels, que ser explicado com o auxlio

da Figura 2.25. Um TP baseado neste efeito composto por um divisor de tenso constitudo

por um capacitor C1 e por uma clula Pockels de capacitncia C2 conectada entre os pontos

que representam a tenso que se deseja medir. A tenso atravs de C2 gera um campo eltrico

proporcional a tenso no primrio. O feixe de luz originado na fonte (3) direcionado para o

polarizador (4) o qual, ento, produz duas ondas defasadas em /2 graus. Estas so direcionadas

a clula Pockels (2). Em funo do campo eltrico, as duas ondas de luz possuem velocidades

de propagao distintas, que por sua vez criam o defasamento angular mencionado. Este deslo-

camento angular adiantado em 1/4 do comprimento da onda ao passar pelo material de /4

comprimento de onda (5) antes de ser aplicado ao analizador (6). A intensidade da luz na sada

do analizador proporcional ao deslocamento angular, o qual, por sua vez, proporcional a

tenso no primrio. O foto-diodo converte a intensidade da luz em um valor de tenso que

amplificado em (8) para produzir a tenso secundria U2 [27].

O aspecto fsico externo do TP ptico assemelha-se ao do TC ptico, sem mudana aprecivel.

Por fim, cabe dizer que um TP baseado nesse princpio fornece isolao completa em relao

ao SEP pois no existe nenhuma conexo com o condutor primrio, alm do fato de que sua

construo, por no possuir ncleo magntico e enrolamentos primrio ou secundrio, o torna

menor em tamanho e mais leve em relao aos TPs convencionais [29].

3

U1

U2

Condutor

1

4 2 5 6 7 8

ZB

C1

C2

Figura 2.25: Efeito Pockels.Fonte: [27]

28

2.4 Rels

Uma expresso clssica, e potica, designa os rels como sentinelas silenciosas do SEP. Essa

declarao evidencia o carter fundamental desses dispositivos: o monitoramento constante do

SEP com conseqente ao coligada. O termo em questo, rel, generalista e faz referncia a

um conjunto de equipamentos com certas similaridades. Contudo, cada qual com singularida-

des prprias. Pode-se classific-los de acordo com a tecnologia construtiva envolvida e com a

finalidade que o mesmo possui [14]. Quanto a finalidade podem ser:

Rel de proteo - responsvel por comandar a abertura de um ou mais disjun-

tores quando da existncia de um defeito.

Rel de monitoramento - verifica condies do SEP, como por exemplo, detec-

tores de falta, monitores de canais de comunicao, etc.

Rel de religamento - responsvel pelo religamento de linhas de transmisso.

Rel regulador - utilizado quando algum parmetro de monitoramento do

SEP desvia-se dos limites operacionais determinados, como por exemplo, rel

regulador de tenso.

Rel auxiliar - opera em resposta a deciso de funcionamento de outro rel,

alguns exemplos de rel auxiliar so rels temporizadores, multiplicadores de

contato, etc.

Rel de sincronismo - assegura a existncia de adequadas condies para realizar

a interconexo entre dois SEPs distintos.

Quanto a tecnologia construtiva podem ser:

Eletromecnicos - so construdos com predominncia de elementos mecnicos

acionados por acoplamentos eltricos e magnticos.

Estticos - so construdos com dispositivos eletrnicos e no possuem elementos

mecnicos mveis.

Digitais - so rels eletrnicos gerenciados por um microprocessador e controla-

dos por um software especfico proteo.

Neste trabalho sero enfocados apenas os rels de proteo, os quais podem ser definidos

como um equipamento cuja funo remover rapidamente de servio qualquer elemento do SEP

29

que esteja sob efeito de um curto-circuito ou operando em alguma condio anormal e intolervel

que possa causar danos ou interferir no funcionamento do restante do sistema [31]. A seguir

sero apresentadas brevemente as tecnologias construtivas aplicadas aos rels de proteo.

2.4.1 Rels Eletromecnicos

A primeira base tecnolgica aplicada ao projeto e construo de rels de proteo foi a

eletromecnica, nos idos de 1900, sendo, portanto, a precursora das demais tecnologias aplicadas

proteo. Pode-se definir o rel eletromecnico como sendo aquele no qual a operao lgica

produzida pelo movimento relativo de elementos mecnicos, sob ao de uma grandeza eltrica

nos circuitos de entrada [32].

Os rels eletromecnicos podem ser divididos quanto ao seu princpio de funcionamento, sendo

os mesmos apresentados a seguir [15]:

Rels de Atrao - Armadura Axial

Consiste de uma bobina solenide que, energizada eletricamente, atrai para o seu interior um

ncleo mvel de ferro. Este ncleo mvel de ferro, quanto atrado, carrega consigo um contato

mvel, alinhado a um contato fixo na carcaa. A Figura 2.26 ilustra este tipo de construo.

Figura 2.26: Rel de atrao tipo axial.Fonte: [14]

Rels de Atrao - Armadura em Charneira

Consiste de uma armadura magntica mvel em torno de um eixo colocado na sua aresta

inferior, fechando um circuito magntico que ser estabelecido pela passagem de corrente na

30

bobina colocada em oposio armadura. Quando a armadura atrada, carrega consigo um

contato que ir ao encontro de um outro que fixo e localizado na estrutura onde se encontra a

bobina. A Figura 2.27 ilustra este tipo de construo.

Figura 2.27: Rel de atrao tipo charneira.Fonte: [14]

Rel de Induo - Disco de Induo

Consiste de um disco condutor, geralmente de alumnio, que se movimenta por induo em

torno de um eixo no entreferro de um ncleo magnetizado pela passagem de corrente na bobina

que o envolve. O fluxo produzido no entreferro dividido em duas componentes, defasadas pela

colocao de anis de cobre que envolvem parte de cada face do plo no entreferro. Fixado ao

mesmo eixo move-se um contato em direo a outro, fixo na estrutura do rel. A Figura 2.28

ilustra este tipo de construo.

Figura 2.28: Rel do tipo disco de induo.Fonte: [14]

31

Rel de Induo - Tambor de Induo

Consiste de um cilindro metlico com uma das bases fechadas como um copo, livre para girar

no interior do entreferro anular compreendido entre as faces dos plos magnticos e do ncleo

de ferro. So utilizados quatro ou oito plos dispostos simetricamente, com duas fontes de

polarizao alimentando alternadamente as bobinas montadas nos plos. A Figura 2.29 ilustra

este tipo de construo.

Figura 2.29: Rel do tipo tambor.Fonte: [14]

Unidade de DArsonval

Este tipo de unidade constituda por uma estrutura magntica e um im permanente interno,

formando um ncleo cilndrico com dois plos. Uma bobina mvel livre para girar em um gap4

energizada por corrente contnua, a qual reage com o fluxo existente no gap para criar um torque

de rotao. Esta unidade opera com pouca energia em sua entrada, como a que fornecida por

shunts em corrente contnua por exemplo [14]. A Figura 2.30 ilustra este tipo de construo.

4Espao livre entre a parte mvel e fixa neste tipo de rel.

32

Figura 2.30: Rel do tipo Darsonval.Fonte: [14]

Vantagens e Desvantagens dos Rels Eletromecnicos

Uma proteo eletromecnica possui algumas caracterstica vantajosas, podendo-se citar:

Durabilidade e robustez - com a devida manuteno, pode-se conseguir elevada

vida til.

Tolerncia a altas temperaturas - no representa fator crtico para o adequado

funcionamento do mesmo.

Baixa sensibilidade a surtos eletromagnticos - necessrio que a energia asso-

ciada a esse tipo de fenmeno seja relativamente alta para causar algum dano.

Confiabilidade - em relao a sua atuao para as condies especificadas.

Algumas das desvantagens desse tipo de proteo so:

Custo de instalao - uso de maior espao fsico e maior quantidade de cabos

para compor o SP.

Preciso - quo maior a exigncia por preciso maior o custo do rel.

Manuteno - exige mo de obra experiente e especfica, alm de haver dificul-

dade em encontrar peas de reposio

33

Limitao de funcionalidades - no possvel implementar caractersticas aces-

srias adequadas para enfrentar a cresente complexidade do SEP, como por

exemplo oscilografia.

2.4.2 Rels Estticos

A evoluo do SEP sob o ponto de vista da complexidade das interligaes, aumento dos

nveis de curto-circuito e demanda por melhor desempenho motivou a pesquisa pela melhoria

na concepo dos rels de proteo, com foco em sua velocidade de atuao, seletividade, esta-

bilidade e sofisticao de suas caractersticas gerais [9, 15]. Na dcada de 1960 comearam as

experimentaes em relao a construo de rels de proteo baseados em componentes eletr-

nicos, sendo que na dcada de 1970 sua utilizao tornou-se intensa [33, 34]. O termo esttico

surge da comprao com os rels eletromecnicos que possuiam partes mveis, sendo o rel est-

tico caracterizado pela ausncia de elementos mecnicos mveis [10]. No mbito de utilizao os

rels estticos so aplicados de igual maneira a composio de um SP como os eletromecnicos

[19].

A Figura 2.31 ilustra a composio genrica e elementar para os rels estticos.

Lgica de TRIP

Teste

Ubat

I

U

12 3

4

5

TRIP

Sinal remoto

68

7

Sinal de TesteExterno e/ou Sinalde Teste Interno

Figura 2.31: Diagrama de blocos para um rel esttico genrico.Fonte: [27]

34

As variveis de entrada (I) e/ou (U) so encaminhadas para o bloco 1, que responsvel por

ajustar os sinais de entrada a valores compatveis para serem utilizados pelos circuitos eletrnicos

posteriores. Fornece ainda isolao galvnica entre os circuitos subseqentes e o SEP. Os valores

de sada provenientes do bloco 1 so comparados com valores de referncia no bloco 2, o qual ter

seu limiar de operao ativado se os valores de referncia forem ultrapassados,sendo que a sada

gerada ir iniciar o bloco temporizador (3). O bloco lgico (4) examina se o valor proveniente

da sada do bloco 2 continua ativo aps o tempo ajustado para bloco (3) ter expirado. Caso isso

ocorra o bloco (5) de Trip5 ser ativado, alm do bloco (6) de sinalizao. O bloco (7) fornece

a alimentao auxiliar para o rel esttico. J o bloco (8) empregado em rotinas de teste da

proteo utilizando para esse fim informaes de origem interna ou externa ao equipamento [27].

Vantagens e Desvantagens dos Rels Estticos

Uma proteo esttica possui algumas caracterstica vantajosas, podendo-se citar:

Maior velocidade - conseqncia direta da ausncia de partes mecnicas mveis.

Baixo consumo - representam uma carga menor para os TCs.

Facilidade de manuteno - tornou-se mais simples e direta.

Confiabilidade - obtida em funo da construo modular.

Algumas desvantagens desse tipo de proteo so:

Maior sensibilidade a surtos - componentes eletrnicos so danificados com quan-

tidades menores de energia associada a um surto se comparados com os rels

eletromecnicos.

Envelhecimento - possuem alguns elementos constituintes com vida til redu-

zida, como os capacitores eletrolticos por exemplo.

Influncia do meio ambiente - a temperatura e a umidade passa a ser fatores de

influncia sobre o funcionamento desses equipamentos, devido a tolerncia dos

mesmos a esses fatores.

5Sinal de natureza eltrica enviado por uma funo de proteo a um disjuntor de alta tenso para promoversua abertura.

35

A Figura 2.32 exibe o aspecto de um rel de proteo esttico.

Figura 2.32: Exemplo de rel esttico.Fonte: [35]

2.4.3 Rels Digitais

Os primeiros trabalhos que contemplavam o uso de rels digitais remontam a dcada de 1960.

Na dcada seguinte, houve um expressivo desenvolvimento do hardware computacional e dos

algoritmos para fins de proteo e resultados promissores foram obtidos, os quais indicavam um

desempenho to bom quanto as tecnologias majoritrias de ento [36, 37]. A tecnologia digital,

neste princpio de sculo, tornou-se a base da maioria dos sistemas de uma subestao, atuando

nas funes de medio, comunicao, proteo e controle, por exemplo. Desta forma, o rel

digital pode ser aplicado para desempenhar outras tarefas no ambiente de uma subestao. A

Figura 2.33 ilustra o aspecto construtivo geral dos rels digitais.

36

IHMLCD e Teclado

MICRO-PROCESSADOR

[DSP]

ROM

SDRAM

FLASH

CONVERSORA/D

16 BIT

A

D

FILTROANTI-ALIASING

RELSPARA TRIP

RELSPARA ALARME

SINAISANALGICOSDE ENTRADA

DE CORRENTEE TENSO

ENTRADASDIGITAIS

FONTE DEALIMENTAO

CHAVEADA

PORTAS DECOMUNICAOE SINCRONISMO

Figura 2.33: Arquitetura de um rel digital.Fonte: [38]

Resumidamente, pode-se dizer que esses equipamentos se comportam da seguinte forma [38]:

Os sinais de entrada de corrente e de tenso so condicionados e isolados atravsde TPs e TCs. Os sinais analgicos isolados so filtrados atravs de filtros passabaixa, utilizando-se filtros analgicos, de forma a minimizar o efeito de aliasing pro-duzido por hamnicas e rudos em faixas de elevadas freqncias acima da metadeda freqncia de amostragem, de acordo com o Critrio de Nyquist ou Teorema daAmostragem.Aps a filtragem analgica, os sinais so ento amostrados e convertidos em dadosdigitais atravs do Conversor Analgico/Digital (A/D), que atualmente possuem re-soluo de 16 bits, adequados faixa dinmica de correntes normalmente existentesem sistemas eltricos de potncia. O Digital Signal Processor (DSP) processa os da-dos digitais convertidos e executa os algoritmos de proteo existentes, carregados emmemrias do tipo FLASH. Os dados intermedirios, gerados durante os clculos, soarmazenados em memrias do tipo Synchronous Dynamic RAM (SDRAM).O processador digital o responsvel pela execuo da lgica e das funes de entra-da/sada. Os circuitos de entradas digitais fornecem ao processador de sinais o valorde status dos respectivos contatos. Os circuitos das sadas digitais do rel, atravsdos seus contatos, executam as funes de alarme e de trip do rel.

A Figura 2.34 ilustra as caractersticas dos rels digitais de proteo a partir de um ponto

de vista funcional. Percebe-se a capacidade de execuo de diversas tarefas no contexto do

SEP alm de seu propsito fundamental, que o de integralizar um SP. Essa flexibilidade

obtida a partir de sua construo, a qual grosso modo, composta pelo conjunto hardware e

firmware. As informaes de entrada e/ou sada, providas por qualquer uma das vias de acesso

do equipamento, entradas e/ou sadas digitais, interfaces de comunicao e valores analgicos de

37

medida, esto disponveis para uso por qualquer uma das funcionalidades componentes dos rels

digitais de proteo a qualquer tempo. Esse carter multifuncional marcante pois, o distingue

das tecnologias prvias aplicadas a construo de rels de proteo e implica em pensar e operar

o SP de forma distinta do que era feito at ento.

Parametrizao

Multifuno

Comunicao

Controle

Medio

PLC-Lgica

Proteo

Registro

Visualizao Sincronizaode tempo

Acesso Remoto

Automao

Teleproteo

AlimentaoAuxiliar

IA

IB

IC

3I0

Conta

tos

de s

ad

a

Contato desuperviso

Conta

tos

de e

ntr

ada

Entr

adas

anal

gic

as

Figura 2.34: Funcionalidades genricas de um rel de proteo digital.Fonte: [39]

Vantagens e Desvantagens dos Rels Digitais

Uma proteo digital possui algumas caracterstica vantajosas, dentre elas pode-se citar:

Auto-checagem e confiabilidade - pode monitorar continuamente os subsistemas

de hardware e software, de modo a detectar imediatamente possveis falhas.

Integrao de sistemas digitais - os sistemas digitais possibilitam uma maior

integrao entre seus componentes, o que permite uma maior flexibilidade e

velocidade na obteno das informaes registradas pelos equipamentos.

Flexibilidade funcional e adaptabilidade - uma das principais caractersticas dos

rels digitais a capacidade de alterao dos seus parmetros de configurao

de acordo com a topologia da rede.

38

Algumas desvantagens desse tipo de proteo so:

Sensibilidade a surtos - necessitam de proteo especial contra surtos e interfe-

rncias eletromagnticas.

Sensibilidade a temperatura - sensveis a altas temperaturas, necessitam por-

tanto, de dispositivos especialmente desenvolvidos para essa condio.

Software no portvel - os algoritmos desenvolvidos para um hardware especfico,

em geral, no so aplicveis a outro.

Adoo relativamente recente aos SP do SEP - vive-se, ainda, um processo de

assimilao desta base tecnolgica, o que implica em mudana de paradigma e

atualizao de profissionais desta rea.

A Figura 2.35 exibe o aspecto de um rel de proteo digital.

Figura 2.35: Exemplo de rel digital comercial.Fonte: [40]

39

Captulo 3

Equipamentos de Manobra

Neste captulo sero abordados os disjuntores e chaves de alta tenso comumente utilizados

em subestaes de energia, com um enfoque sucinto sobre sua construo e operao.

3.1 Disjuntor de Alta Tenso

O disjuntor de alta tenso pode ser definido como um dispositivo mecnico de manobra

capaz de estabelecer, conduzir e interromper correntes nas condies normais de circuito, assim

como estabelecer, conduzir durante um tempo especificado e interromper correntes sob condies

anormais especificadas do circuito, tais como as de curto-circuito [41, 42].

De forma geral, pode-se dizer que um disjuntor de alta tenso composto pelos seguintes

elementos [43]:

Unidade de comando.

Sistema de acionamento.

Unidade interruptora.

Cada um desses elementos ser apresentado a seguir para melhor entendimento do disjuntor

de alta tenso.

3.1.1 Unidade de Comando

o conjunto de elementos de comando, controle e superviso do disjuntor. Devido a variedade

de meios extintores do arco eltrico e dos sistemas de acionamento no h unidade singela e sim

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uma aprecivel variedade da mesma. As figuras a seguir iro ilustrar o exposto [44].

O armrio central congrega os elementos de controle global do disjuntor, tomando-se como

base um disjuntor de extra-alta tenso com possibilidade de comando monopolar utilizado neste

trabalho para ilustrar uma unidade de comando, conforme Figura 4.18.

(a) Viso geral (b) Detalhe do comando

Figura 3.1: Armrio central.Fonte: [44]

Para a Figura 3.1(b), tem-se: 1-Botoeira de fechamento; 2-Botoeira de abertura 1; 3-Botoeira

de abertura 2; 4-Botoeira desbloqueio N2/ Discordncia plos; 5-Chave comutao local/remoto

e 6-Contadores de operao.

A Figura 3.2 representa o armrio de controle referente ao plo A do disjuntor, no qual

so exibidos a unidade de superviso de gs SF6, motor de acionamento, unidade de superviso

hidrulica, rgua de bornes, etc.

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Figura 3.2: Detalhe armrio plo A do disjuntor.Fonte: [44]

3.1.2 Sistema de Acionamento

A funo primria do sistema de acionamento a de abrir e/ou fechar os contatos principais

do disjuntor. Cabe comentar que esse sistema de vital importncia, uma vez que a maioria

dos disjuntores aps ser colocado em operao permanece fechado por longos perodos de tempo.

Logo, quando for solicitado a abrir deve ser capaz de faz-lo de forma confivel e sem atraso de

tempo extra para essa operao. Existem diferentes tipos de sistemas de acionamento. Contudo,

todos eles possuem em comum o fato de armazenar energia potencial em algum meio elstico

para esse fim, o qual carregado por uma fonte de energia de baixa potncia [45].

Os acionamentos podem ser mono ou tripolares, ou seja, cada plo do disjuntor pode receber

comandos de abertura ou fechamento independentemente dos outros plos e essa uma demanda

originada pela necessidade, em alguns SEPs de religamento monopolar. J para o caso tripolar,

apenas um comando gerado e transmitido a todos os plos simultaneamente, uma vez que

existe apenas um sistema de acionamento para todos eles [43].

Os principais tipos de acionamento so: acionamento por solenide, acionamento mola,

acionamento a ar comprimido e acionamento hidrulico.

A seguir cada um desses tipos de acionamento ser apresentado sucintamente.

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Acionamento por solenide

Uma bobina solenide utilizada para acionar os contatos na operao de fechamento e

tambm para carregar a mola de abertura1. Este tipo de acionamento no muito comum pois

a capacidade de armazenamento de energia limitada [43]. A Figura 3.3 ilustra esse tipo de

acionamento.

Figura 3.3: Exemplo de acionamento por solenide.Fonte: [43]

Para a qual: 1-Solenide para fechamento; 2-Armadura; 3-Eixo de acionamento; 4-Mecanismo

de destravamento de abertura; 5-Mola de abertura; 6-Bobina de trava do disparador; 7-Indicador

de Posies; 8-Haste para acionamento manual e 9-Chave auxiliar.

Acionamento mola

Neste tipo de acionamento a energia utilizada para o fechamento acumulada em uma mola,

helicoidal ou espiral, que pode ser carregada manualmente, com o uso de uma manivela, ou

atravs de um motor eltrico. Este tipo de acionamento corriqueiro em disjuntores de mdia

(13,8 kV) alta tenso (138 kV) independente do meio de extino aplicado [43].

Quando o comando de fechamento enviado ao disjuntor, a mola de fechamento, que armaze-

nou a energia necessria a essa operao, liberada, atravs da retirada de uma trava mecnica,

1Elemento responsvel pelo armazenamento de energia a ser utilizada na operao de abertura do disjuntor.A fonte de energia utilizada para seu carregamento provm da operao de fechamento.

43

fechando-o. Nesse processo uma outra mola, responsvel pela ao de abertura carregada, ou

seja, armazena energia para realizar essa operao2, conforme a Figura 3.4.

Esse mecanismo tido como de funcionamento simples, sendo desprovido de qualquer forma

de superviso de sua integridade. Essa caracterstica adequada para sistemas de mdia tenso,

contudo para sistemas de alta (acima de 138 kV) e extra-alta (750kV) tenso este tipo de aci-

onamento preterido, sendo os acionamentos a ar comprimido e eletro-hidrulico preferenciais

[43]. A Figura 3.5 ilustra esse tipo de acionamento.

(a) Mola de fechamento carregada e travada eMola de abertura descarregada

(b) Mola de fechamento descarregada e Mola deabertura carregada e travada

(c) Mola de fechamento carregada e travada e Molade abertura carregada e travada

Figura 3.4: Funcionamento esquemtico de carga das molas de fechamento e abertura.Fonte: [43]

Para a qual: 1-Bloco de carga da mola; 2-Lingueta de travamento; 3-Rolete; 4-Eixo de carga

da mola; 5-Catraca; 6-Mola de fechamento; 7-Mola de abertura; 8-Eixo de manobra; 9-Rolete;

10-Lingueta da alavanca de disparo; 11-Rolete; 12-Alavanca de disparo e 13-Excntrico.

2Esse comportamento diametralmente oposto referente ao armazenamento de energia entre elementos respon-sveis pelas aes de abertura e fechamento comum a todos os disjuntores.

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Figura 3.5: Exemplo de acionamento mola.Fonte: [43]

Para a qual: 1-Caixa do mecanismo de operao; 2-Mola de fechamento; 3-Mola de abertura;

4-Bloco de comando; 5-Trava de ligao; 6-Eixo de carga da mola; 7-Bloco de carga da mola;

8-Eixo de manobra; 9-Acionamento motorizado; 10-Alavanca de disparo; 11-Indicador de mola

Carregada; 12-Indicador Ligado/Desligado e 13-Chave de contatos auxiliares.

Acionamento a ar comprimido

Para este tipo de acionamento a energia utilizada para realizar a operao de abertura ou

fechamento armazenada em recipientes de ar comprimido e liberada atravs de disparadores

que atuam sobre vlvulas que, por fim, acionam os mecanismos dos contatos. Este tipo de

acionamento aplicado para disjuntores de mdia extra-alta tenso, independente do meio

extintor envolvido [43]. A Figura 3.6 ilustra esse tipo de acionamento.

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Figura 3.6: Exemplo de acionamento a ar comprimido.Fonte: [43]

Para o qual: 1-Recipiente de ar comprimido; 2-mbolo de acionamento; 3-Bloco de controle;

3.1-Vlvula principal; 3.2-Cilindro; 3.3-Vlvula solenide - Liga; 3.4-Vlvula solenide - Des-

liga; 3.5-Vlvula solenide - Desliga; 3.6-Acionamento da chave auxiliar e indicador de posio;

3.7- Chave auxiliar; 4-Coluna de isoladores; 4.1-Haste principal de acionamento; 5-Chave de pres-

so; 6-Armrio de controle; 6.1-Chave manual Liga-Desliga; 6.2-Chave manual Local-Remoto;

6.3-Conjunto de vlvulas de alta presso; 6.4-Linha de suprimento de ar; 6.5-Vlvula de bloqueio;

6.6-Registro manual; 6.7-Parafuso de drenagem; 6.8-Filtro de ar.

Acionamento hidrulico

Neste tipo de acionamento a energia para as aes de abertura e fechamento armazenada em

um cilindro com um mbolo estanque. O qual contm de um lado leo ligado aos circuitos de alta e

baixa presso atravs de uma bomba hidrulica. Do outro lado existe um volume reservado a uma

quantidade prefixada de N2. A bomba hidrulica comprime o leo e, consequentemente, o N2,

at que seja atingida a presso de trabalho. Atravs de disparadores de abertura ou fechamento

so acionadas vlvulas de comando que ligam o circuito de leo com o mbolo principal de

acionamento. A Figura 3.7 ilustra esse tipo de acionamento.

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Figura 3.7: Exemplo de acionamento hidrulico.Fonte: [43]

Para a qual: 1-Acumulador hidrulico; 2-Reservatrio; 3-Solenide de abertura; 4-Solenide

de fechamento; 5-mbolo diferencial; 6-Haste principal de acionamento.

Por fim, adequado mencionar que este tipo de acionamento armazena grandes quantidades

de energia, aliada a relativa dimenso reduzida, sendo essa sua caracterstica notvel [43].

3.1.3 Unidade Interruptora

A cmara de extino ou unidade interruptora a responsvel pela extino do arco eltrico

originado no processo de separao dos contatos principais do disjuntor. Este elemento representa

o estado da arte na produo e pesquisa deste tipo de equipamento, uma vez que as demais partes

que o compe no variam sobremaneira de fabricante fabricante pois atingiram adequada

maturidade tecnolgica.

Os principais tipos de cmaras de extino utilizadas na construo de disjuntores de alta

tenso so: Sopro magntico, Ar comprimido, Grande volume de leo, Pequeno volume de leo,

SF6 (hexafluoreto de enxofre) e Vcuo.

Disjuntor a Sopro Magntico

O interior de uma cmara de extino de um disjuntor do tipo sopro magntico preen-

chida por ar. Quando ocorre a separao dos contatos principais, (a) o arco eltrico fo