Microsoft Word - PROT2 1-2 Linhas ACP

PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS II

Módulo 1 - Capítulo 2 2 - 1

Prof. Allan Cascaes Pereira JAN/2006

1. INTRODUÇÃO

As linhas de transmissão aéreas correspondem aos elementos do sistema elétrico de maior incidência de faltas, em virtude de sua maior exposição aos agentes atmosféricos, árvores e animais, sem falar no efeito das queimadas, que ionizam o ar junto aos condutores.

Em função das características e condições de estabilidade do sistema e dos requisitos de seletividade e velocidade de operação, podem ser utilizados, na proteção das linhas de transmissão, relés de sobrecorrente direcionais e não direcionais, relés de distância por zonas, esquemas com teleproteção, esquemas de proteção diferencial, etc. No atual estágio de desenvolvimento da tecnologia de microprocessamento, os relés digitais tem apresentado excelentes resultados para a proteção de linhas, em termos de velocidade de operação, seletividade e sensibilidade.

2. CONSIDERAÇÕES SOBRE O USO DE RELÉS DIGITAIS PARA A PROTEÇÃO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO

A maioria dos relés digitais trabalha com a componente de freqüência fundamental das ondas de corrente e tensão. Esta componente é obtida após filtragem analógica dos sinais para eliminar as altas freqüências e depois que a série de valores amostrados é submetida a uma filtragem digital. A partir do resultado da filtragem digital são obtidos os fasores das ondas de corrente e tensão de cada fase. Através do conhecimento destes fasores, em módulo e ângulo, e do uso de equações apropriadas, é possível definir as regiões de operação e de não operação para os diversos tipos de relés, sejam eles do tipo sobrecorrente, direcional, distância, diferencial, etc. Adicionalmente às funções de proteção, os relés digitais devem oferecer, também, funções adicionais, tais como: controle, monitoração, oscilografia, medição indicativa, comunicação de dados, interface homem-máquina, etc. além de facilidades para apoio às atividades de operação e manutenção.

3. FUNÇÕES UTILIZADAS NA PROTEÇÃO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO Os relés digitais são, em geral, do tipo multifunção. Para a proteção de linhas de transmissão podem ser usadas diversas funções, dependendo das características do sistema e da linha protegida, bem como do relé digital disponível. É apresentada, a seguir, uma lista de funções incluídas em relés digitais disponíveis no mercado.

PROTEÇÃO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO




No de Função Descrição Da Função

21 e 21G Distância por zonas – fase e terra

68B e 68T Bloqueio ou disparo por oscilações

50/51 e 50/51N Sobrecorrente não direcional instantânea e temporizada – fase e terra

67 e 67N Sobrecorrente direcional – fase e terra

50/62BF Falha de disjuntor

59/27 Sobre e subtensão

46 Sobrecorrente de seqüência negativa

79 Religamento automático

25S Verificação de sincronismo

64GH Detecção de terra com alta impedância

DUTT, PUTT, POTT, Blocking, Unblocking, ECO, Weak Infeed

Lógicas de teleproteção

81-O e 81-U Sobre e subfreqüência

49 Proteção térmica do condutor

A Figura 2.1 apresenta um diagrama unifilar típico, mostrando um conjunto de funções da proteção principal ou de retaguarda de uma linha de AT ou EAT.




Figura 2.1 – Diagrama Unifilar – Esquema Típico de Proteção

4. ALGORÍTMOS PARA PROTEÇÃO DIGITAL DE LINHAS DE TRANSMISSÃO 4.1 Aspectos Gerais São fornecidas a seguir algumas noções de como são obtidos os fasores de corrente e tensão, com os quais são construídas as características de operação desses relés. Na realidade, os algorítmos de filtragem digital são aplicáveis não somente à proteção de distância, mas também à proteção de transformadores, geradores, etc. Seu objetivo é determinar as componentes real e imaginária das ondas de corrente e tensão de freqüência fundamental. Porém, as ondas de corrente e tensão podem estar fortemente “contaminadas”, particularmente durante a ocorrência de uma falta. Esta contaminação consiste em deformações em relação à forma senoidal, que podem ser representadas por exponenciais transitórios, harmônicos baixos e superiores, etc.

Sendo V e I os valores RMS dos sinais de tensão e corrente que estão sendo analisados, e chamando de VS e I S as componentes Seno e VC e IC as componentes Co-seno de tais ondas, sua representação fasorial será:

jVcsVV += (2.1)

cjIsII += (2.2)

A partir dessa representação fasorial pode ser calculada, para o caso dos relés de distância, a posição da falta, dada por:




ZV

I= ou

SC

SC

jII

jVVZ

+

+= (2.3)

4.2 Algorítmos Baseados em Modelos dos Sinais de Entrada Nesse tipo de algorítmos procura-se obter os parâmetros relativos às componentes das ondas de

corrente e tensão na freqüência fundamental. Todos os demais componentes são considerados ruídos. Uma exceção é a proteção diferencial de transformadores que utiliza o nível de alguns harmônicos para restrição em condições de magnetização ou sobreexcitação.

Na maioria dos relés, portanto, deve-se utilizar um filtro passa-banda, que deixe passar a

componente fundamental e bloqueie a componente c.c, assim como os harmônicos e sub-harmônicos.

Este tipo de filtro tem seu desenvolvimento baseado numa função chamada de convolução, segundo a qual é possível expressar o sinal de saída y t( ) de um sistema linear, a partir do sinal de entrada x t( ) e de uma função )(δy , pela expressão:

δδδ dtxyty ⋅−⋅=∫ )()( )(

t

o

(2.4)

Sendo )(δy a resposta ao impulso do sistema linear, isto é, corresponde ao sinal de saída para uma entrada tipo impulso unitário.

Na filtragem digital, é utilizada uma aproximação discreta da integral de convolução:

yn

k

kak xn k=

=∑ ⋅ −

1 (2.5)

onde: k = número total de amostras

ak = coeficientes do filtro (resposta ao impulso para cada amostra) xn k− = valor do sinal de entrada para a amostra n k−

Os filtros baseados nos sinais de entrada podem ser de dois tipos:

•••• Filtros recursivos: - Tem resposta ao impulso infinita no tempo (IIR). O sinal de saída depende do valor da amostra medido em determinado instante e das estimações nos instantes anteriores, isto é, de toda a história prévia do sinal de entrada.

•••• Filtros não recursivos: - Tem resposta ao impulso finita (FIR). O sinal de saída depende de uma

história finita do sinal de entrada. Neste filtros, as estimações se realizam com um somatório de amostras afetadas por um coeficiente.

Os filtros FIR são mais adequados para proteção, pois:

� Deixam, rapidamente, de considerar a condição de pré-falta (ver conceito de janela de dados);

� Possuem zeros naturais em suas respostas de freqüência, os quais podem ser ajustados para coincidir com a componente c.c e os harmônicos, eliminando ou atenuando fortemente estes sinais.




4.3. Conceito de Janela de Dados A partir da equação (2.5) pode-se calcular o valor instantâneo do sinal de saída yn a partir dos

últimos k valores do sinal de entrada. Para cada yn , portanto, tem-se k valores do sinal de entrada, correspondendo a uma janela de dados deslizante, conforme mostrado na Figura 2.2.

Figura 2.2 – Janela de Dados Deslizante

Nesta figura está indicada uma janela deslizante com 3 amostras, tendo-se uma freqüência de amostragem de 12 amostras por ciclo. Na mesma figura, é mostrada também uma descontinuidade no sinal da tensão devido a uma falta. A janela A contém 3 amostras da tensão pré-falta. As janelas B e C contém amostras da tensão pré-falta e de falta. A janela D contém apenas amostras de tensão de falta.

Como se pode verificar, a equação (2.5) fornece resultados corretos para as janelas A e D. Os

resultados para as janelas B e C não tem significado. O filtro é dito em estado transitório, e contém informações pré-falta e de falta.

É importante, portanto, detectar quando a janela de dados está cruzando por um ponto de descontinuidade, para evitar a operação do relé neste período. Se o sinal de entrada fosse puramente senoidal, poder-se-ia concluir que quanto menor a janela de dados, mais rapidamente o relé ficaria liberado para tomar uma decisão de disparo ou não disparo.

Sabemos, porém, que os sinais de entrada estão distorcidos por diferentes tipos de ruídos. A

capacidade do algorítmo para eliminar estes ruídos depende, em grande parte, da largura da janela de dados.

Assim, pode-se dizer que, em geral, a redução da largura da janela aumenta a velocidade do relé,

porém prejudica sua precisão. A equação (2.5) fornece apenas os valores instantâneos do sinal de saída yn . Para se obter o

valor dos fasores de corrente e tensão, em magnitude e fase, há dois métodos: •••• Determinação simultânea das componentes real e imaginária do fasor, utilizando um par de filtros

ortogonais (por ex.: um filtro Seno e um filtro Co-seno).




•••• Determinação das componentes real e imaginária do fasor utilizando um único filtro, tomando como componentes real e imaginária os valores de saída do filtro defasados de 1/4 de ciclo. Este método apresenta um retardo no tempo de resposta de 1/4 e ciclo em relação ao primeiro método.

4.4. Algorítmo de Fourier Se baseia em um caso particular da equação (2.5), onde a função y( )δ toma a forma de uma

exponencial de expoente imaginário. Assim, para se obter a componente fundamental de x t( ) , temos:

δδ ωδdetxty

j ⋅⋅−= ∫ )( )(

t

o

(2.6)

As componentes ortogonais do fasor y t( ) (componente fundamental de x t( ) ) são:

Função Co-seno: dtttyYC ⋅⋅⋅= ∫ ωcos)(

T

o

(2.7)

Função Seno: dtttyYS ⋅⋅⋅= ∫ ωsen)(

T

0

(2.8)

Onde T é o período de observação do sinal de entrada. 4.4.1 Utilização de Janela de Dados de Um Ciclo

As formas discretas das equações (2.7) e (2.8) constituem o algorítmo de Fourier. Assim, para

uma janela de 1 ciclo e N amostras por ciclo, pode-se demonstrar, com base na teoria da Transformada de Fourier que, para o instante k -ésimo, tem-se:

( )θ⋅⋅= ∑=

kyN

Y k

N

k

C cos2

1

(2.9)

( )θ⋅⋅= ∑=

kyN

Y k

N

k

S sen2

1

(2.10)

onde θ é o ângulo entre amostras, na freqüência fundamental, isto é, θ=2π/N . Sendo t∆ o intervalo entre amostras, vem:

t∆⋅= 0ωθ

A função Fourier é a expressão do fasor, cujas componentes ortogonais são CY e SY , isto é:

Função Fourier : jYcsYY +=

O módulo e ângulo do fasor correspondente à janela de dados centrada na amostra i, são dados

por:

[ ] [ ]Y Y Yi

Ci

Si( ) ( ) ( )= +

2 2 (2.11)

θϕ ⋅−= −i

Y

Ytg

CI

Si

i

)(

)(

1)( (2.12)




Observa-se que o fasor em questão tem magnitude definida, porém gira a medida que a janela de dados se desloca. Esta rotação não afeta os relés que operam com uma só grandeza, nem os que se baseiam no quociente de 2 fasores, como é o caso dos relés de distância. Em algumas aplicações, porém, pode ser necessário corrigir a rotação.

4.4.2 Determinação dos Harmônicos: Em geral, para uma janela de dados de 1 ciclo e k amostras por ciclo (sendo k um número par),

é possível determinar um total de k

21− harmônicos. As componentes ortogonais

correspondentes ao harmônico de ordem m, são:

( )Yk

y m kCm

k

k

k( )

cos= ⋅ ⋅ ⋅=

∑2

1

θ (2.13)

( )θ⋅⋅⋅= ∑=

kmyk

Y k

k

k

m

S sen2

1

)( (2.14)

ϕ ( )( )

( )

m Sm

Cm

tgY

Y= −1 (2.15)

4.4.3 Resposta do Filtro em Estado Estável É obtida considerando um sinal de entrada senoidal e realizando uma varredura na freqüência. Os gráficos de resposta de freqüência do filtro representam o ganho do filtro em função da

freqüência. O ganho é definido como o quociente entre a amplitude do sinal de saída e do sinal de entrada.

A Figura 2.3 mostra os gráficos de resposta de freqüência para os filtros tipo Seno, Co-seno e

Fourier, com janelas de dados de 1 ciclo e 16 amostras por ciclo. A escala do eixo das abcissas é indicada em múltiplos da componente de frequência fundamental.

O filtro tipo Fourier corresponde a uma combinação de um filtro seno e de um filtro Co-seno.

Figura 2.3 – Resposta de Freqüência – Filtro Tipo Fourier

A análise dos gráficos indica que a resposta de freqüência dos filtros Co-seno, Seno e Fourier possui zeros que correspondem à componente de c.c (freqüência zero) e aos harmônicos dos sinais de entrada, além de apresentar atenuação crescente com a freqüência para os sinais de freqüências intermediárias.

4.4.4 Resposta do Filtro em Estado Transitório




Durante o estado transitório do filtro digital, um relé de distância, por exemplo, poderá sofrer

sobrealcance ou subalcance transitório. Como um dos métodos para avaliar a resposta de estado transitório de um filtro, aplica-se, na

entrada, sinais distorcidos pela componente c.c, componentes oscilatórias amortecidas e outros ruídos, e calcula-se a impedância aparente dividindo os fasores de tensão e corrente estimados.

A trajetória da impedância aparente vista por relés de distância dotados de filtros tipo Co-seno,

Seno e Fourier para o caso de falta no final de uma linha curta e em condições de máxima assimetria da corrente, está mostrada na Figura 2.4.

Figura 2.4 – Trajetória da Impedância Aparente

Figura 2.4 – Trajetória da Impedância Aparente Vista pelo Relé

Na Figura 2.5 é mostrado um “zoom” da área junto à posição final do vetor impedância.

Figura 2.5 – Filtro Fourier – Convergência Para o Valor Final

Através da Figura 2.5 pode-se verificar que a resposta transitória do filtro tipo Co-seno é melhor que a dos demais, em virtude da maior rapidez de convergência para o valor final 0,1 +j1,0 p.u (impedância da linha de transmissão até a falta).

4.4.5 Utilização de Janela de Meio Ciclo Na Figura 2.6 é apresentado o gráfico da resposta da freqüência de um algorítmo de Fourier de

meio ciclo, com 12 amostras por ciclo.




Figura 2.6 – Resposta de Freqüência – Fourier Com Janela de Meio Ciclo

Verifica-se que o algorítmo elimina os harmônicos ímpares, mas não impede a componente c.c

nem os harmônicos pares. 4.5. Algorítmo Recursivo de Fourier Os algorítmos de Fourier não recursivos, apresentam dois problemas:

a) Número elevado de operações do processador (cada componente do fasor requer uma soma de k produtos de dois fatores). b) O fasor gira. Com o algorítmo recursivo, estes dois problemas ficam resolvidos. Assim, para um filtro de 1 ciclo, o algorítmo fica:

( ) ( )θ⋅⋅−+= LyyYY vn

v

C

n

C cos)()(

)()( (2.16)

( ) ( )θ⋅⋅−+= LyyYY vn

v

S

n

S sen)()(

)()( (2.17)

jYcsYY += (2.18)

onde L corresponde ao número da amostra mais recente, y n( ) é o valor dessa amostra e Yn( ) é

a componente ortogonal de saída estimada, enquanto y v( ) e Yv( ) são os valores de entrada e

saída correspondentes a uma amostra atrasada de um ciclo em relação à atual. Neste algorítmo se requer, apenas, uma multiplicação e uma soma para atualizar cada

componente ortogonal do fasor. Além disto, o fasor resultante não gira.

A resposta de estado transitório deste algorítmo é pior que no caso de algorítmo não recursivo, especialmente no caso do filtro Co-seno. Isto se deve ao fato de que nos algorítmos não recursivos o coeficiente do filtro não varia enquanto a janela de dados desliza, isto é, a ação filtrante é sempre a mesma.

Nos algorítmos recursivos, os coeficientes variam a cada amostra, de modo que o filtro fica alternando-se entre os tipos Seno e Co-seno a cada ¼ ciclo. A resposta de freqüência, portanto, também não é fixa, influindo negativamente sobre a resposta em estado transitório.

4.6. Algorítmos de Filtragem Digital Baseados em Modelo do Sistema




Os algorítmos baseados em modelos de sinais de entrada estimam fasores, que são aplicados à distintos tipos de relés. Nos relés de proteção de linhas de transmissão é possível também utilizar algorítmos baseados em modelos do sistema, que estimam os valores de parâmetro tais como a indutância e a resistência da linha com defeito.

Podemos representar uma linha de transmissão monofásica curta (ver Figura 2.7) a partir da

equação diferencial que relaciona a voltagem e a corrente de entrada no relé. Para um curto-circuito franco no sistema, no instante inicial, a tensão no relé será dada por:

Figura 2.7 – Modelo da Linha de Transmissão

dt

diLiRV LLL ⋅+⋅= (2.19)

onde i , é o valor instantâneo da corrente e RL e LL a resistência e indutância da linha até o local da falta. Integrando a equação (2.19) em 2 intervalos consecutivos, temos:

[ ])()()()( 01

1

0

1

0

titiLdttiRdttv LLLL

t

t

LL

t

t

−+⋅=⋅ ∫∫ (2. 20)

[ ])()()()( 12

2

1

2

1

titiLdttiRdttv LLLL

t

t

LL

t

t

−+⋅=⋅ ∫∫ (2.21)

Por aproximação, para intervalos de tempo pequenos, pode-se escrever:

[ ] )(2

)()(2

)(11

1

kLkLkLkLL

kt

kt

vvt

tvtvt

tv −∆

=−∆

=++

+

∫ (2.22)

Para as amostras k, k+1 e k+2, as equações (2.20) e (2.21), podem, então, ser escritas:

∆

∆

∆

∆

ti i i i

ti i i i

R

L

tv v

tv v

L L L k

L L L L

L

L

L L

L L

k k k

k k k k

k k

k k

2

2

2

2

1 1

2 1 2 1

1

2 1

( )( )

( )( )

( )

(

+ +

+ + + +

+

+ +

+ −

+ −

=

+

+

(2.23)




o que permite calcular os valores de RL e LL pelas expressões:

))(())((

))(())((

112121

112121

kkkkkkkk

kkkkkkkk

LLLLLLLL

LLLLLLLL

Liiiiiiii

iivviivvR

−+−−+

−+−−+=

++++++

++++++ (2.24)

−+−−+

++−++∆=

++++++

++++++

))(())((

))(())((

2112121

112121

kkkkkkkk

kkkkkkkk

LLLLLLLL

LLLLLLLL

Liiiiiiii

vviivviitL (2.25)

Estes algorítmos representam uma carga computacional menor que os algorítmos baseados

em modelo dos sinais de entrada. Outra vantagem deste algorítmo é que a componente a periódica exponencial não é um erro para o algorítmo, pois satisfaz à equação diferencial. Por outro lado, porém, os harmônicos superiores e outros erros não são suprimidos, e afetam a medição, a menos que sejam eliminados por outro filtro. Pode-se considerar, também, no algorítmo o modelo de linha que inclui a capacitância “Shunt” da LT. Esta solução, porém, necessita de maior processamento, tornando sua aplicação mais restrita.

O algorítmo acima possui janela de dados curta, em geral menos de um ciclo. Os algorítmos baseados em modelos de sistema não possuem uma resposta de frequência

definida, pois processam os sinais simultaneamente. A Figura 2.8 mostra os gráficos de resposta de frequência de um algorítmo baseado no valor médio do sinal de saída de 3 amostras, com janela de dados de meio ciclo (a) e um ciclo (b) respectivamente. Para a determinação dos gráficos variou-se a frequência do sinal de voltagem, mantendo fixa a frequência da corrente.

Figura 2.8 – Resposta de Freqüência – Valor Médio do Sinal de Saída

4.7 Escolha do Algorítmo Cada algorítmo possui vantagens e limitações em relação a determinadas condições do sistema elétrico e em função dos recursos de processamento disponíveis. Aos fabricantes cabe a tarefa de, não só escolher o algorítmo a ser usado, como também definir soluções para minimizar suas limitações. Assim, a seleção do relé mais adequado para proteger determinada linha em função do(s) seu(s) algorítmo(s) de filtragem digital deveria considerar todos os recursos de que o fabricante lançou mão para melhorar o seu desempenho. Estas informações, porém, geralmente não estão disponíveis ao usuário.




A escolha, portanto, deve ser feita com base na experiência já demonstrada pelo fabricante, ou através de ensaios em modelo reduzido, em que sejam simuladas condições, o mais possível, próximas das condições reais em que irá operar o relé. Devem-se considerar, também, as diversas funções de proteção oferecidas, além das demais funções para monitoração e apoio à operação e manutenção. Nos itens que se seguem, é apresentado, a título de recordação, um resumo dos diversos tipos de proteção de linhas normalmente empregados. Na maioria dos casos, a filosofia de proteção utilizada independe da tecnologia de construção do relé. No caso dos relés digitais, porém, existe um componente novo que é a capacidade que tem o relé de modificar os seus ajustes em função de variações do sistema e de se comunicar com outros relés ou dispositivos inteligentes. É possível e desejável, pois, utilizar este recurso oferecido pelos novos relés para melhorar a sensibilidade, a seletividade e a velocidade de operação dos sistemas de proteção.

5. PROTEÇÃO POR RELÉS DE SOBRECORRENTE NÃO DIRECIONAIS (50/51) A função sobrecorrente não constitui propriamente uma proteção de linhas de transmissão pois possui limitações de seletividade e apresenta tempos de operação elevados. Seu alcance é variável em função do nível de geração. Em razão da necessidade de se ajustar os relés de fase acima da carga máxima esperada e das oscilações de potência moderadas que possam ocorrer, esta função se torna pouco sensível a faltas de menor magnitude, principalmente no caso de configurações desfavoráveis do sistema. Como conseqüência, o uso da função sobrecorrente para faltas envolvendo mais de uma fase é restrito a sistemas de distribuição, sistemas industriais e alguns sistemas de subtransmissão. O emprego mais freqüente da função sobrecorrente na proteção de linhas de transmissão está na proteção de terra, onde os ajustes podem ser feitos de modo a detectar faltas à terra de magnitude relativamente baixa. Os relés de sobrecorrente possuem características tempo-corrente padronizadas com diferentes inclinações em relação ao eixo horizontal. São denominadas: tipo inverso, muito inverso, extremamente inverso e tempo definido, conforme mostrado na Figura 2.9.




Figura 2.9 – Relés de Sobrecorrente Temporizados – Características Tempo-Corrente 5.1 Coordenação Entre Dois Relés de Sobrecorrente Para se obter seletividade, os relés devem ser ajustados de modo a se ter um intervalo de tempo mínimo (S) entre curvas de relés adjacentes, da ordem de 0,3 a 0,4 seg., chamado intervalo de coordenação. A definição do intervalo S é função do tempo de abertura do disjuntor mais uma margem de segurança que leva em conta o erro dos TCs e o erro nas curvas dos relés. A Figura 2.10 mostra um exemplo de proteção coordenada, utilizando relés de sobrecorrente. Cada relé deve proteger sua própria linha, além de cobrir as linhas remotas adjacentes.

Figura 2.10 – Coordenação dos Relés de Sobrecorrente Temporizados




Em linhas com suficiente variação da corrente de curto-circuito para faltas no início e no final da linha, pode-se complementar a proteção de sobrecorrente utilizando-se unidades instantâneas (função 50), ajustadas para não alcançar o terminal remoto, mesmo em condições de falta máxima. Na Figura 2.11 são mostrados os alcances das unidades instantâneas para geração máxima e mínima e a redução no tempo de operação da proteção da linha, obtida com o uso das unidades 50.

Figura 2.11 – Relés de Sobrecorrente Temporizados com Unidade Instantânea

6. PROTEÇÃO POR RELÉS DE SOBRECORRENTE DIRECIONAIS (67) Acrescentando-se aos relés de sobrecorrente uma característica direcional pode-se ampliar a aplicação destes relés a sistemas com mais de uma fonte, assim como a linhas de transmissão e sistemas em anel.

A Figura 2.12 mostra um exemplo de aplicação de relés de sobrecorrente direcionais em linhas paralelas.

Figura 2.12 – Aplicação de Relés Direcionais a Linhas Paralelas

Para os relés 1 e 3, o ajuste típico será: Itap ≥ 1,5 In, sendo In a corrente nominal de carga; o TDS deve ser definido de modo a garantir coordenação com o relé 5. Para os relés 2 e 4 o ajuste típico será: Itap ≥ 0,5 In e TDS=1/2 (o mínimo Tap disponível). Um sistema em anel é outro exemplo de aplicação de relés de sobrecorrente direcionais e está mostrado na Figura 2.13. Os tempos de operação estão indicados, admitindo-se que todos os relés são do tipo tempo definido e que o intervalo de coordenação é 0,4 seg.




Figura 2.13 – Aplicação de Relés Direcionais a Sistemas em Anel

6.1 Efeito da Impedância Mútua de Seqüência Zero Pode ocorrer quando existem sistemas paralelos que oferecem caminho para a circulação da corrente de seqüência zero, normalmente em níveis de tensão diferentes. A Figura 2.14 apresenta um exemplo deste efeito.

Figura 2.14 – Efeito da Impedância Mútua de Seqüência Zero

A corrente induzida homopolar na linha paralela sã poderá provocar a operação indevida de relés direcionais de terra, caso tenham atuação pela corrente de seqüência zero. Uma das soluções para este problema é utilizar corrente de seqüência negativa para operar o relé. Outra solução consiste no emprego de relés de distância de terra com compensação da impedância mútua de seqüência zero.

7. PROTEÇÃO POR RELÉS DE DISTÂNCIA Para os sistemas interligados de alta e extra alta tensão torna-se difícil e muitas vezes impossível aplicar seletivamente os relés de sobrecorrente, direcionais ou não. Outros sistemas, mesmo quando não interligados, possuem carga máxima maior ou próxima da corrente de curto-circuito sob geração mínima, impossibilitando ou dificultando a utilização de relés de sobrecorrente de fase. No caso dos sistemas de transmissão que interligam diversas usinas aos centros de consumo, o tempo de eliminação de faltas torna-se um fator importante. Se as faltas não forem eliminadas dentro de determinado tempo limite, o sistema pode perder a estabilidade, acarretando o desligamento de grande número de linhas e geradores. Para estes sistemas, a proteção por relés de distância constitui a solução mais adequada.




Vale comentar que primeiros desenvolvimentos na área de proteção digital envolveram aplicações para a proteção de distância de linhas de transmissão, em virtude de sua maior complexidade. Neste tipo de proteção, através do emprego de algorítmos apropriados, é feita a filtragem digital das ondas de tensão e corrente e são obtidos os valores em módulo e ângulo destas grandezas, a partir da amostragem. A impedância da linha de transmissão, do local do relé até a falta, é obtida fazendo-se a divisão do valor da tensão pelo valor da corrente, por fase, e levando-se em consideração o tipo de falta. Os relés de distância podem ser do tipo impedância, reatância, reatância modificado, impedância em ângulo, mho, mho modificado, com característica tipo lente, tipo tomate, quadrilateral, podendo, ainda, possuir outros tipos de característica. Estas características são definidas em função da equação de torque correspondente a cada característica. A Figura 2.15 mostra alguns tipos de característica de operação para relés de distância, no diagrama R.X.

Figura 2.15 – Características de Operação dos Relés de Distância

Os relés de distância, embora ofereçam maiores facilidades de aplicação que os relés de sobrecorrente, requerem alguns cuidados em seu ajuste e na escolha de suas características, em razão de limitações, algumas das quais são apresentadas a seguir.

7.1 Proteção por Zonas Para prover proteção principal à sua própria linha e proteção de retaguarda às linhas remotas, os relés de distância devem possuir, pelo menos, 3 (três) zonas de ajuste, conforme mostrado nas Figuras 2.16a , b e c.




Figura 2.16a – Coordenação de Relés de Distância – Proteção por Zonas

Figura 2. 16b Figura 2.16c

7.2 Resistência de Arco Na maioria dos curtos-circuitos entre fases e principalmente entre fase e terra há a formação de um arco elétrico, cuja resistência pode afetar a operação dos relés de distância. Em função das condições do defeito, a impedância de falta pode conter resistência de arco e/ou resistência de contato. No caso de faltas à terra, o retorno de corrente pelo solo e pelos cabos pára-raios é definido pelas impedâncias de seqüência zero das componentes do sistema, que variam de acordo com a resistividade do solo e a impedância dos cabos pára-raios. A resistência de arco corresponde a um parâmetro adicional a ser considerado. A resistência de arco pode ser estimada, em valores médios, pela fórmula de Warrington. É um parâmetro não linear que dá origem a quedas de tensão com formas de onda aproximadamente quadradas, resultantes da aplicação de correntes puramente senoidais. A fórmula de Warrington, que corresponde essencialmente à resistência aparente medida por relés de distância, é a seguinte: Para correntes até 1000A:

RL

Iarco =

⋅287071 4,

(ohms) (2.26)

Onde, L é o comprimento do arco em metros; I é a corrente de falta em amperes. Para correntes superiores a 1000A:

RL

Iarco =

⋅1804 (ohms) (2.27)




Para faltas entre fases, o comprimento inicial do arco é a distância entre os condutores. No caso de faltas à terra no vão, o comprimento inicial do arco é a distância entre o condutor e o solo. Sendo a falta à terra sobre uma cadeia de isoladores, o comprimento inicial correspondente à distância de escoamento da cadeia (2 a 3 vezes o comprimento da cadeia), a menos que ela possua anéis anti-corona ou chifres protetores, o que propicia comprimento inicial do arco igual ao comprimento da cadeia. As resistências de pé de torre só precisam ser consideradas em adição à resistência do arco sobre os isoladores se a linha de transmissão não dispuser de cabos pára-raios, ou se esses forem fortemente isolados da torre. Para faltas à terra diretas ou através de arco num ponto qualquer de um vão, podem estar envolvidas grandes resistências de contato, as quais constituem, em alguns casos, parâmetros não lineares devido a pequenos arcos entre partículas condutoras e a compostos de silício, carbono, etc., que têm resistividade não linear, proporcional ao inverso da corrente, elevada a uma potência entre 0,5 e 3. No caso de relés temporizados, o vento poderá alongar o arco, cujo novo comprimento será:

L L v t= + ⋅ ⋅0 0 555, (2.28)

onde, L0 é o comprimento inicial em metros; v é a velocidade do vento em Km/h; t é o tempo de duração do arco em segundos. A parcela 0 555, ⋅ ⋅v t é o comprimento adicional do arco, que independe do nível de tensão ou da corrente na linha de transmissão. Assim, por exemplo, para uma falta na 3ª zona, com temporização de 1 segundo e vento de 80 Km/h, o comprimento adicional do arco será:

0 555, ⋅ ⋅v t = 0,555 x 80 x 1 = 44,4 m

Como se pode concluir, no caso de relés temporizados e ventos perpendiculares à linha, faltas inicialmente monofásicas tenderão a evoluir para faltas bifásicas ou trifásicas, podendo, inclusive, envolver o segundo circuito de torres duplas. 7.3 Modificação da Resistência de Arco pela Corrente do Terminal Remoto Em linhas de transmissão com 2 fontes, a resistência de arco pode ser modificada pela componente da corrente de falta que é alimentada pelo terminal remoto.

a) b)

Figura 2.17 – Resistência de Arco – Modificação pela Corrente do terminal Remoto.




Assim, como indicado na Figura 2.17, ocorrendo uma falta com resistência de arco RA e sendo Z L a impedância da linha de transmissão até o ponto da falta e I1 e I2 as contribuições para a corrente da falta nos terminais A e B, a tensão no relé do terminal A será:

( )V I Z I I RR L A= ⋅ + + ⋅1 1 2 (2.29)

Sendo a corrente no relé igual a I1 , a impedância vista pelo relé será:

ALR

R

R RI

IIZZou

I

VZ ⋅

++==

1

21

1

:, (2.30)

ou, ainda: Z Z RI

IRR L A A= + + ⋅2

1

(2.31)

Se as correntes I1 e I2 estiverem fora de fase, a relação I

I

2

1

será um número complexo,

podendo-se definir uma impedância de arco Z A , dada por:

Z RI

IRA A A= + ⋅2

1

(2.32)

, que poderá ser indutiva ou capacitiva conforme mostra a Figura 2.17 b, dependendo dos ângulos das correntes I1 e I2 . O módulo de Z A poderá ser sensivelmente maior que RA ,

dependendo da relação I

I

2

1

.

7.4 Efeito de Fontes Intermediárias (“INFEED”) Denominam-se fontes intermediárias ou “INFEED” as contribuições de corrente de curto-circuito entre a localização do relé e o ponto de falta (ver Figura 2.18).

Figura 2.18 – Efeito de Fontes Intermediárias O ajuste do relé para oferecer proteção de retaguarda à linha BC, sem a influência do “INFEED” seria:

Z Z ZAJ AB BC= + (2.33)

Devido à influência da fonte intermediária, porém, a tensão no relé será:

( )V I Z I I ZR AB BC= ⋅ + + ⋅1 1 2 (2.34)

Sendo a corrente no relé igual a I1 , a impedância vista pelo relé será:




( )Z

V

IZ

I I Z

IR

RAB

BC= = +

+ ⋅

1

1 2

1

(2.35)

Sendo I I I= +1 2 , vem:

Z ZI

IZR AB BC= + ⋅

1

(2.36)

Desta forma, o relé terá um subalcance, isto é, seu limite de ajuste ficará mais curto. Para que possa operar para faltas junto à barra B, seu ajuste deverá ser aumentado para:

Z ZI

IZAJ AB BC= + ⋅

1

(2.37)

Este critério de ajuste, porém, poderá levar a alcances muitos longos, fazendo a característica do relé aproximar-se da carga, aumentando a probabilidade de disparos indevidos por sobrecargas temporárias ou oscilações do sistema. 7.5 Linhas Multiterminais Quando as linhas de transmissão possuem mais de dois terminais, todos associados a fontes ou interconectados por outros caminhos elétricos, a detecção de faltas internas torna-se tão mais difícil quanto maior for o número de terminais da linha. Por outro lado, quando em todos os terminais a relação tensão por corrente do “loop” de falta exceder à impedância fisicamente existente entre o terminal e a falta, significa que as correntes de todos os terminais estarão fluindo em direção à falta, que pode ser detectada por esquemas de teleproteção baseados em sobrealcance. Na hipótese da mesma relação, medida em pelo menos um terminal, se mostrar inferior à impedância física, o que só é comum por variações topológicas nas linhas multicircuitos multiterminais, estará ocorrendo fluxo de corrente da falta para um dos outros terminais da linha, situação particularmente difícil de ser contornada pelos esquemas de proteção baseados em medição de distância. Já as proteções diferenciais conseguem conviver harmoniosamente com a peculiaridade aqui mencionada. A adoção de proteções diferenciais com canais piloto óticos ou por microondas vem-se mostrando uma excelente solução para os troncos multicircuitos multiterminais de linhas de transmissão, chegando a propiciar seleção de fases para fins de abertura e religamento multipolares nas faltas simultâneas, desde que se empregue segregação por fase. 7.6 Exemplo de Aplicação Um exemplo de aplicação de proteção de linha com reator shunt está apresentado na Figura 2.19.




Figura 2.19 – Exemplo de Proteção de Linha Com Reator Shunt

8 PROTEÇÃO POR CORRENTE DIFERENCIAL De forma simplificada, pode-se dizer que esta proteção está baseada no princípio de proteção diferencial percentual, no qual são comparadas as correntes que fluem nos dois terminais da linha, havendo restrição pela corrente total. Se as correntes entram em ambos terminais, significa que há uma falta interna. Para permitir a comparação entre as correntes de cada terminal, é necessário utilizar um canal de comunicações confiável. No caso de uso de religamento monopolar, a comparação entre as correntes deve ser feita fase a fase e, neste caso, o canal ou canais de comunicação deve fornecer as informações de cada fase da corrente. Para evitar a influência da corrente de carregamento da linha, alguns fabricantes realizam a comparação utilizando a componente de seqüência negativa da corrente. Isto permite operação rápida do relé para faltas severas ou balanceadas, mesmo em condições de carga pesada, quando a estabilidade do sistema pode ser crítica. Nestes relés é feita uma comparação entre os fasores das correntes local (IL)e remota (IR). Para melhor visualização do desempenho desta proteção, é utilizado o plano complexo, também, chamado de plano alfa, conforme mostrado na Figura 2.20. A região de restrição corresponde ao setor circular mostrado na Figura.




Figura 2.20 – Proteção Diferencial Percentual – Utilização do Plano Alfa Com carga normal ou falta externa, sem saturação dos TCs ou erros no sistema de comunicações, o fasor da relação IR /IL será -1. Erros nos TCs, assimetria no tempo dos canais de comunicação ou outros erros produzidos por faltas fora da zona protegida irão fazer o fasor da relação IR /IL se deslocar no plano alfa, porém mantendo-se dentro da área do setor de restrição, e o relé não irá operar. Para faltas internas, o fasor da relação IR /IL terá valor próximo de 1. O processo de discriminação de faltas externas ou internas descrito acima permite ao relé detectar, inclusive, faltas internas de alta impedância ou que apresentem condição de “outfeed”. O algorítmo de filtragem utilizado é insensível aos efeitos de saturação diferente ou fluxo remanente diferente dos TCs local e remoto. Isto possibilita o uso de TCs com características diversas. A Figura 2.21 mostra um par de relés de proteção de corrente diferencial, indicando, também, a comunicação relé a relé utilizada para transmitir informações de um terminal a outro.

Figura 2.21 – Proteção de Corrente Diferencial




Este tipo de proteção pode ser utilizado em linhas de 3 terminais, utilizando 2 canais de comunicação ligados a cada relé. Pode, também, operar num esquema mestre-seguidores, no qual um dos relés recebe todas as informações de corrente, realiza as comparações para determinar se a falta é interna ou externa e, se for o caso, envia aos outros terminais a ordem de disparo.

9. CARACTERÍSTICAS DAS LT’s DE EAT E UAT 9.1 Uso de Condutores Geminados As linhas de Transmissão de EAT e UAT utilizam, normalmente, condutores geminados, em razão do valor das correntes a serem transmitidas e da necessidade de controlar o efeito corona e a rádio interferência. A configuração dos condutores mais usual é a horizontal, com 2, 3 ou 4 condutores por fase. O uso de condutores geminados reduz a resistência e a reatância e aumenta a corrente capacitiva da linha de transmissão. A reatância indutiva da linha de transmissão irá depender do número de condutores por fase, do espaçamento entre condutores da mesma fase e entre fases, e do diâmetro do condutor. O valor típico para a reatância indutiva varia entre 0,37 e 0,40 ohms/km. 9.2 Corrente Capacitiva das LT’s O valor da corrente capacitiva de linhas de transmissão de EAT, por 100 Km de linha de transmissão, é da ordem de 130 A para 500 kV (3 condutores pôr fase) e 190 A para 700 kV (4 condutores por fase). Correntes capacitivas elevadas (caso de linhas de transmissão longas de 500 kV e 700 kV) podem dificultar o uso de esquemas de comparação de fases. Assim, para linhas de transmissão de 500 kV ou 700 kV longas, deverá ser usado, preferencialmente, esquema de comparação direcional. Se o esquema usado for o de comparação de fases, este deverá ser supervisionado por relés de distância. 9.3 Linhas Não Transpostas Em algumas linhas de transmissão de EAT, não é realizada a transposição das fases, por razões econômicas. Isto ocasiona diferenças entre as tensões e correntes das fases. Entretanto, a variação da impedância entre fases pode ser de interesse para a proteção de uma linha de transmissão de 500 kV. Por exemplo, em uma linha de transmissão com 2 condutores por fase e configuração horizontal, a diferença entre as impedâncias pode chegar a 13%, devendo ser considerada no ajuste dos relés de 1ª zona. 9.4 Sobretensões As sobretensões em sistemas de EAT podem ocorrer: • Por rejeição de carga As sobretensões por rejeição de carga que aparecem nos terminais do transformador da geração, podem variar de 20% a 50%, dependendo de fatores como, resposta do sistema de excitação, comprimento da linha de transmissão que permanece conectada à geração, ocorrência de faltas




antes da rejeição, quantidade de reatância “Shunt” conectada e carga inicial do gerador. Estas sobretensões podem permanecer durante tempo prolongado. Na maioria das vezes, o transformador entra em saturação, ocasionando um aumento considerável na corrente de excitação. Uma solução para este problema é a abertura do disjuntor da linha de transmissão assim que for detectada uma rejeição de carga. Isto pode ser feito através de um canal de transferência de disparo a partir do terminal remoto, uma vez que o crescimento da tensão durante rejeições de carga é um fenômeno relativamente lento. • Na energização de linhas de transmissão Durante a energização de linhas de transmissão, um fenômeno que pode provocar a operação indevida de relés de sobrecorrente direcionais eletromecânicos é o fluxo de corrente de seqüência zero, resultante da ressonância entre a capacitância da linha de transmissão e a reatância de magnetização do transformador da usina. Nos relés estáticos e digitais os transitórios de alta freqüência são eliminados através de filtros analógicos ou digitais. • Na energização de linhas com transformadores conectados Podem ocorrer, neste caso, sobretensões da ordem de 2,25 a 3,5 p.u., dependendo do comprimento da linha de transmissão e da impedância de seqüência zero do transformador. Haverá forte saturação do transformador e aumento considerável na corrente de magnetização, o que deverá ser considerado nos ajustes da proteção diferencial do transformador ou dos relés direcionais de terra da proteção da linha de transmissão.

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