Relatorio Final da Bolsa

INSTITUTO DE ENGENHARIA DE SISTEMAS E COMPUTADORES DO PORTO

Sistemas de Protecção Desenvolvimento de testes-padrão para relés numéricos

de protecção

De 02/11/2009 a 01/11/2010

Bolsa de Integração à Investigação

Paulo Alexandre Alves Félix

Victor Augusto Rodrigues Veloso

Relatório Final 2010/2011

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Índice

1 – Motivação............................................................................................................................................... 3

1.1 – Coordenação de Relés de Máxima Intensidade ................................................................................. 3

1.2 – Regimes de Neutro .......................................................................................................................... 4

1.3 – Modelos de Linha ............................................................................................................................ 4

2 – Revisão da Literatura .............................................................................................................................. 5

2.1 – Coordenação de Relés de Máxima Intensidade ................................................................................. 5

2.2 – Regimes de Neutro .......................................................................................................................... 6

2.2.1 – Neutro Isolado .......................................................................................................................... 8

2.2.2 – Neutro Directamente Ligado à Terra ......................................................................................... 9

2.2.3 – Neutro Ligado à Terra através de uma Resistência ................................................................... 10

3 – Testes e Resultados............................................................................................................................... 11

3.1 – Coordenação de Relés de Máxima Intensidade ............................................................................... 11

3.1.1 – Disparo Instantâneo ................................................................................................................ 13

3.1.2 – Tempo Inverso ........................................................................................................................ 14

3.2 – Regimes de Neutro ........................................................................................................................ 17

3.2.1 – Neutro Isolado ........................................................................................................................ 20

3.2.2 – Neutro Directamente Ligado à Terra ....................................................................................... 21

3.2.3 – Neutro Ligado à Terra através de uma Resistência ................................................................... 21

4 – Dimensionamento dos Modelos de Linha .............................................................................................. 23

4.1 – Linha Aérea de Média Tensão ........................................................................................................ 23

4.1.1 – Características ........................................................................................................................ 23

4.1.2 – Cálculo dos Parâmetros da Linha ............................................................................................. 24

4.2 – Cabo Subterrânea de Média Tensão ............................................................................................... 26

4.2.1 - Características ......................................................................................................................... 26

4.2.2 – Cálculo dos Parâmetros do Cabo ............................................................................................. 26

4.3 – Material Encomendado .................................................................................................................. 30

5 – Desenvolvimento de uma página Web .................................................................................................. 31

6 – Conclusão ............................................................................................................................................. 32

7 – Referências ........................................................................................................................................... 33

8 – Anexos .................................................................................................................................................. 34


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1 – Motivação

Este trabalho tem como objectivos a revisão da literatura relativa aos relés de protecção, às

suas funcionalidades e aos testes associados. A construção de dois modelos analógicos de linha

aérea e de cabo subterrâneo bem como o desenvolvimento de testes-padrão relativos à

coordenação de relés de máxima intensidade e ainda aos diferentes regimes de neutro,

constituem os restantes objectivos.

Os testes foram realizados no laboratório de sistemas de protecção da Faculdade de

Engenharia da Universidade do Porto (Laboratório J303) e utilizou-se o material disponível do

mesmo: ISM21, TPU S420, modelos de linhas aéreas, modelo de subestação e ainda material

fundamental, como cabos e multímetro entre outros.

De seguida apresentam-se as motivações relativas aos vários objectivos estabelecidos.

1.1 – Coordenação de Relés de Máxima Intensidade

Os curto-circuitos que ocorrem num sistema eléctrico e de energia (SEE) podem provocar

danos sérios nos equipamentos da rede devido às altas temperaturas atingidas. É por isso

fundamental eliminar estes defeitos o mais rapidamente possível, minimizando os tempos de

interrupções do serviço bem como o número de equipamentos isolados da rede. Estas condições

devem ser garantidas por forma a cumprir os critérios de selectividade, fiabilidade, rapidez e

sensibilidade (critérios explicados no item 2.1).

A coordenação de relés assume um papel fundamental na área de sistemas de protecção. Pois

para eliminar um defeito afastado de uma subestação, pode utilizar-se o disjuntor colocado à

saída dessa subestação deixando uma grande zona fora de serviço no caso de se tratar de uma

área populacional importante. Os prejuízos provocados por esta não continuidade de serviço

tornam-se muito elevados, pois poderá ser necessário eliminar o defeito verificado com a

substituição da linha afectada que constitui uma tarefa de complexidade elevada e morosa. Com a

coordenação de relés é possível ter vários pontos de interrupção do serviço, distribuídos

estrategicamente pela rede, de modo a que quando seja detectado algum defeito este se consiga

eliminar rapidamente através das protecções primárias ou das protecções secundárias.


4

Por estas razões foram realizados ensaios de coordenação de relés de máxima intensidade.

1.2 – Regimes de Neutro

Fisicamente, o ponto de neutro é o ponto comum aos três enrolamentos do transformador

montados em estrela. Pode ser acessível ou não, distribuído ou não. No transporte em média

tensão o neutro é dispensável, isto é, não é distribuído por razões económicas. É depois recriado

no último transformador e distribuído na rede de baixa tensão. Numa instalação eléctrica de

média ou baixa tensão, o ponto de neutro pode ou não ser ligado à terra, fala-se então em regime

de neutro.

Numa rede eléctrica de média tensão existem várias maneiras de ligar o neutro à terra. Todos

os regimes de neutro têm vantagens ou inconvenientes a nível económico, de segurança, de

continuidade de serviço e de qualidade da onda de tensão. Neste sentido, não existe a nível

mundial um regime de neutro de referência, isto é, não existe consenso sobre o regime de neutro

“ideal”. Os regimes de neutro utilizados pelas empresas de distribuição são o neutro isolado, o

neutro sólido directamente à terra, o neutro ressonante e o neutro com resistência/reactância

limitadora. Em 2006, em Portugal existiam 304 subestações utilizando o neutro com impedância

limitadora, 77 utilizando o neutro isolado e 20 utilizando outras ligações.

Neste trabalho pretendeu-se estudar os regimes de neutro isolado, neutro com resistência

limitadora e neutro directamente ligado à terra. Para isso, foram utilizados modelos de linhas

disponíveis no laboratório de sistemas de protecção de modo a realizar uma montagem que

permitisse simular curto-circuitos fase-terra e observar os efeitos provocados nos diferentes

regimes de neutro.

1.3 – Modelos de Linha

Os modelos de linha são utilizados para os ensaios dos regimes de neutro e havendo

diversidade nos modelos de linhas pode-se realizar testes mais completos e mais elaborados.

Por isso foram dimensionados os parâmetros correspondentes a uma linha aérea e a um cabo

subterrâneo, ambos de média tensão.


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2 – Revisão da Literatura

Foi feita uma revisão da literatura aos diversos temas abordados e apresenta-se a seguir os

conceitos mais importantes.


Antes de explicar a partir de um exemplo concreto as principais ideias referentes a este tema,

apresentam-se as definições fundamentais à boa compreensão da matéria:

Fiabilidade – Requisito que garante o bom funcionamento da protecção, isto é, nos

tempos definidos para proteger determinados equipamentos;

Selectividade – Requisito que garante a minimização da perda de operação do SEE, isto é,

o sistema de protecções deve apenas isolar o equipamento defeituoso;

Sensibilidade – Requisito que garante a máxima fiabilidade na sua zona de actuação e

permanece estável em condição de máxima carga.

Rapidez – Requisito que garante a actuação dos equipamentos de protecção num tempo

mínimo;

Protecção primária – Um equipamento de protecção deve cobrir várias zonas. Este quando

efectua protecção primária deve actuar em primeiro e o mais rapidamente na zona em

que é activo;

Protecção secundária (backup) – Uma protecção além de proteger a sua zona principal

deve assistir zonas periféricas. Esta protecção de backup deve actuar no caso de a

protecção primária falhar por qualquer motivo.

Apresenta-se a seguir um breve exemplo teórico para perceber a importância que a

coordenação de relés ocupa nos sistemas de protecção:

Figura 1. Esquema de uma rede eléctrica com dois relés e três barramentos


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Considerando o esquema apresentado na figura 1, pode-se facilmente analisar o

funcionamento da coordenação de relés. Havendo um defeito entre os barramentos 2 e 3, ou a

jusante de 3, o relé que deverá actuar em primeiro lugar (protecção primária) deverá ser o relé B

que caso detecte uma corrente superior a um determinado limite definido (por exemplo 1.1 ou 1.2

vezes superior à corrente nominal) durante um período de tempo estimado, dá ordem de disparo

ao disjuntor mais próximo fechando os seus contactos no caso de um relé electromecânico ou

enviando um sinal eléctrico no caso de um relé digital. Se por algum motivo o relé B não estiver

em boas condições de funcionamento e falhar, a protecção da rede fica a cargo do relé A

(protecção secundária) que apesar de também ter detectado o defeito demora mais tempo a

actuar que o relé B (por exemplo o relé B demora 1 segundo a actuar e o A 1,3 segundos), para

que o defeito possa ser eliminado pela actuação do relé que se encontra mais perto do mesmo.

Caso haja um defeito entre os barramentos 1 e 2 o relé A terá de detectar esse defeito e por

conseguinte dar a ordem de abertura ao disjuntor associado à zona protecção.


Numa rede eléctrica, o regime de neutro ocupa um papel essencial. De facto, quando ocorre

um defeito de isolamento ou um defeito à terra, os valores da corrente de defeito, das tensões

bem como das sobretensões dependem da forma como se liga o neutro à terra. A importância dos

danos causados aos equipamentos tais como motores ou alternadores está igualmente

relacionada com o regime de neutro adoptado. A escolha do regime de neutro, tanto na baixa

tensão como na média tensão, depende da natureza da instalação e da rede. É igualmente

influenciado pela natureza das cargas eléctricas, da continuidade de serviço pretendida e

finalmente da limitação do nível de perturbação imposto pelos equipamentos mais sensíveis da

rede.

Iremos por isso considerar os vários regimes de neutro de forma a determinar as vantagens e

os inconvenientes de cada um, mas primeiro é importante referir as consequências gerais para a

rede eléctrica quando ocorre um defeito fase-terra, seja qual for o regime de neutro utilizado.

Quando a rede eléctrica funciona no seu estado normal, isto é, sem estar submetida a nenhum

defeito, as correntes circulam nas chamadas resistências e capacidades de fuga. É de referir que

tendo em conta os valores elevados dessas resistências (da ordem dos kΩ), são desprezáveis estas

correntes porque sendo bastante reduzidas. No caso de funcionamento normal da rede eléctrica,


7

as correntes são teoricamente equilibradas, pelo que não circula corrente no neutro. O seu

potencial eléctrico é então igual ao da terra:

No entanto quando ocorre um curto-circuito fase-terra, uma corrente é criada entre a fase

de defeito e a terra. Esta corrente fecha-se pela impedância do neutro e pelas

capacidades/resistências de fuga das fases sãs, como se pode observar no seguinte esquema:

Figura 2. Esquema das correntes de defeito quando ocorre um CC fase-terra na fase 3

Como se pode observar, na ocorrência de um defeito à terra cria-se um circuito perigoso para a

rede eléctrica e os equipamentos ligados à mesma. O neutro atinge um potencial eléctrico

diferente de zero:

É por isso essencial escolher um regime de neutro que satisfaça as necessidades pretendidas

(continuidade de serviço, segurança…). Pois, cada regime de neutro implica correntes de defeito e

tensões diferentes pelo que se deve ter em atenção as vantagens e os inconvenientes de cada um.

A seguir apresentam-se alguns dos regimes de neutro utilizados pelas empresas de distribuição.


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2.2.1 – Neutro Isolado

Figura 3. Esquema de um neutro isolado da terra

Não existe ligação eléctrica entre o ponto de neutro e a terra excepto para medições ou

protecções. Pode também ser colocada como se mostra na figura 3 uma impedância de

elevado valor entre o neutro e a terra. Trata-se do segundo regime de neutro mais utilizado no

nosso país.

Este regime de neutro é caracterizado por correntes de defeito reduzidas quando comparadas

com o sistema de resistência/reactância limitadora por exemplo. Isto acontece porque de facto só

existem contribuições capacitivas da rede para a corrente de defeito, dada a ausência de uma

ligação à terra. No entanto, verifica-se um forte desequilíbrio das tensões, com a tensão de neutro

a atingir, em módulo, a tensão simples e as tensões nas fases sãs subirem à tensão composta.

As redes de distribuição que utilizam este tipo de regime de neutro são capazes de manter

correntes de defeito significativas quando se trata de redes extensas. Como já é sabido, nas redes

que usam cabos subterrâneos, as capacidades à terra são muito superiores quando comparado

com as redes aéreas e portanto também as correntes de defeito são superiores. No entanto,

devido à reduzida distância entre os condutores (nos cabos tripolares), qualquer defeito fase-terra

leva à destruição do isolamento envolvente e passa a defeito polifásico. Quando se trata de redes

aéreas com cabos nus, é frequente verificar-se fenómenos de reacendimento que provocam

importantes sobretensões transitórias.


9

Numa rede com neutro isolado ou fortemente resistivo/reactivo, os danos causados às

máquinas são reduzidos mas é necessário que os equipamentos tenham um nível de isolamento

compatível com os níveis de sobretensões transmitidos para a rede.

Em conclusão, o neutro isolado permite uma continuidade de serviço na baixa tensão e até na

média tensão na medida em que as protecções não disparam quando ocorre o primeiro defeito,

no entanto tem que respeitar os decretos relacionados com a segurança dos trabalhadores.

2.2.2 – Neutro Directamente Ligado à Terra

Figura 4. Esquema do Neutro directamente ligado à terra

Da figura 4 observa-se que o neutro é ligado à terra sem recurso a nenhuma impedância.

Este tipo de regime de neutro permite limitar as sobretensões mas tem como desvantagem

tolerar correntes de defeito muito elevadas. Impõe um disparo dos equipamentos de protecção

logo no primeiro defeito de isolamento.

Numa rede com neutro directamente ligado à terra, uma máquina afectada por um defeito é

fortemente danificada pelos fortes valores das correntes de defeito atingidos, pelo que é preciso

ter especial atenção no que diz respeito à protecção dessas máquinas mais sensíveis.


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2.2.3 – Neutro Ligado à Terra através de uma Resistência

Figura 5. Esquema do Neutro ligado à terra por intermédio de uma resistência

Como podemos observar na figura 5 acima apresentada, neste regime de neutro é colocada

uma resistência entre o neutro e a terra. É de salientar que esta resistência nunca é puramente

resistiva e tem sempre componente reactiva, pelo que trata-se sempre de um misto entre reactiva

e resistiva. O valor desta resistência serve em geral para limitar o valor da corrente de defeito nos

300 A.

Destacam-se a seguir algumas razões importantes pelas quais se utiliza este tipo de ligação do

neutro à terra. Primeiro, serve para limitar as sobretensões verificadas nas fases sãs da rede

eléctrica atingida por defeitos. Depois também serve para diferenciar a corrente residual das

linhas em defeito da das linhas sãs.

As resistências são dimensionadas por forma a suportarem a máxima corrente de defeito

durante vários segundos. No entanto, a constante de tempo de arrefecimento desta resistência é

de mais ou menos 8 minutos, pelo que para defeitos consecutivos na rede a jusante podem existir

esforços térmicos demasiados grandes, ao ponto de levar à queima da resistência devido ao calor

acumulado.


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3 – Testes e Resultados


No trabalho desenvolvido no laboratório foram utilizados relés de máxima intensidade cuja

função consiste em monitorizar as correntes a veicular na linha, dando ordem de disparo aos

órgãos de protecção caso essas grandezas ultrapassem valores pré-definidos. Utilizaram-se dois

relés de máxima intensidade, sendo eles de dois tipos diferentes.

O primeiro é electromecânico (analógico) e é designado por ISM21. É um relé temporizado de

máxima corrente fabricado pela BBC (agora ABB). Podemos salientar que estes relés eram muito

utilizados nas redes de alta e média tensão pela EDP Distribuição, sendo agora de uso pouco

corrente.

Como já referido o relé foi testado como relé de máxima intensidade, apesar de poder executar

outras funções. Para o testar foi necessário escolher qual a corrente nominal, 2.5 ou 5 A, através

da colocação de duas pequenas chapas metálicas na parte de trás do relé. Depois foi necessário

indicar qual a corrente máxima admissível do relé, por exemplo 1.2In. Esta corrente máxima

admissível indica-se através da alteração de uma pequena roda à direita, quando se observa de

frente o relé. O tempo que o relé deve suportar aquela corrente sem dar ordem de disparo ao

disjuntor regula-se à esquerda, também numa pequena roda onde está uma escala de tempo.

O segundo relé é digital e é designado por TPU S420. Trata-se de um relé de tecnologia mais

recente fabricado pela EFACEC e actualmente utilizado para protecção e supervisão de linhas

aéreas e cabos subterrâneos de média tensão. O relé efectua medidas de várias grandezas com

grandes precisões e permite também um leque de funções de protecção.

O TPU S420 foi inicialmente testado para protecção de máximo de corrente de limiar alto, com

disparo instantâneo. Para configurar o relé para tal, apenas se tem que alterar os parâmetros

existentes no menu do próprio relé. As alterações necessárias estão disponíveis no guião da

coordenação de relés.


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Quando se utiliza este relé com a função de protecção de máximo corrente de limiar baixo de

tempo inverso é necessário alterar novamente a programação da TPU S420 de modo a

desempenhar novas funções.

Um dos aspectos a ter em atenção é o facto de o valor de arranque da protecção de tempo

inverso ser de 1.2Iop. Por isso, se a corrente nominal for de 2.5 A, deve-se colocar na TPU S420

uma corrente Iop de 2.09 A. Também o TMS deverá ser ajustado consoante a curva que se utilize.

No nosso caso utilizou-se primeiro a curva NI e depois a VI ou MI, obedecendo à norma CEI 60255-

3.

Este relé foi ainda utilizado na parte prática associada aos regimes de neutro. Foi por isso

testada mais uma das suas funcionalidades: a função de protecção de máximo de corrente

direccional contra defeitos à terra. Esta função de protecção direccional é o bloqueio do disparo

da protecção por máximo de corrente no caso de o defeito não ser na linha.

Para testar esta funcionalidade utilizaram-se vários ângulos característicos e ainda a direcção

para a qual se pretende que a actuação actue. De resto não houve mais considerações do que

aquelas que são indicadas no guião relativo aos regimes de neutro.

Foi montado o seguinte circuito monofásico no laboratório de sistemas de protecção para

realizar testes sobre coordenação de relés de máxima intensidade:

AC

R1A

TPU S420

B

ISM 21

R2 R3C

RL

Figura 6. Circuito utilizado para simular a coordenação de relés de máxima intensidade

Antes de provocar curto-circuitos em diferentes pontos do circuito montado para analisar a

actuação dos relés, foi preciso determinar alguns parâmetros, como a corrente prevista.

22V


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Sabemos que R1 = 2.3 Ω, R2 = 2.4 Ω, R3 = 2.0 Ω e RL = 2.0 Ω (pelas medidas efectuadas).

A corrente que irá transitar no circuito será

. Como iremos simular

curto-circuitos apenas em B e C (utilizando para o efeito um interruptor ligado entre o barramento

de defeito e a terra), determinou-se as correntes de curto-circuito previsíveis para os dois casos:

Como se pode verificar quando ocorrer um curto-circuito em B a corrente será superior do que

quando este ocorrer em C como era de prever.

3.1.1 – Protecção Amperimétrica

Em primeiro lugar foi programado o valor de actuação dos relés, isto é, a máxima corrente

admissível antes de dar ordem de disparo. Para o relé ISM21 o valor programado foi o seguinte:

Foram também programados os relés para actuarem em tempos diferentes no sentido de

perceber o funcionamento da coordenação de relés. O relé ISM21 foi programado de modo a

actuar ao fim de 1 segundo após ter sido ultrapassado o valor da corrente admissível. Por sua vez,

o relé TPU S420 foi programado de modo a actuar após terem passados 2 segundos. Garante-se

assim a selectividade da rede, isto é, minimiza-se as perdas de operação de certos equipamentos.

Pois é fundamental o ISM21 disparar antes do TPU S420, porque em caso de falha por parte do

sistema no barramento C, ainda se consegue garantir a alimentação do barramento B se o ISM21

actuar. Caso fosse o TPU S420 a actuar num caso idêntico perdia-se uma parte mais significativa da

rede pelo que iríamos aumentar fortemente a factura de custos associados à não continuidade de

serviço.

Após aplicar tensão na rede em estudo (sem provocar curto-circuito nenhum), verificou-se uma

tensão de 22V como era de esperar e uma corrente um pouco acima dos 2.5A. Os relés, como era

de esperar não actuaram pois a corrente admissível não foi ultrapassada.


14

Quando provocado um curto-circuito no ponto C do circuito observa-se uma corrente de 3.1 A,

valor um bocado inferior ao previsto nos cálculos prévios, pois as resistências utilizadas não eram

muito fiáveis. Nesta situação verificou-se o disparo do relé analógico após 1 segundo e o disparo

do relé digital passados 2 segundos. Conclui-se que os relés actuaram correctamente e como

previsto. Salientou-se acima a importância neste caso (CC no ponto C) do relé ISM disparar antes

do TPU. Podemos também confirmar que em caso de falha por parte do relé mais perto do

defeito, isto é, o relé ISM21, o relé TPU S420 que corresponde à protecção backup neste caso,

actuou e portanto houve correcta coordenação dos relés de máxima intensidade.

Por outro lado, quando provocado um curto-circuito no barramento B verifica-se uma corrente

de 3.85 A circulando na rede. Ou seja, temos uma corrente superior à corrente admissível pelas

protecções, logo verificou-se disparo nos tempos correspondentes dos dois relés.

3.1.2 – Tempo Inverso

Também foram efectuados ensaios para relé em modo de tempo inverso. O critério de

coordenação dos relés de tempo inverso é igual ao dos relés de tempo definido. Neste trabalho

foram utilizados os tempos de actuação definidos na norma CEI 60255-3, sendo que a TPU S420

também nos permitia a utilização dos tempos de actuação correspondentes à norma IEEE 37.112.

Na norma CEI 60255-3 as características tempo versus corrente são obtidas pela seguinte

expressão:

sendo que:

top é o tempo de operação do relé;

a e b são constantes;

TMS é o Time Multiplier Setting, ou seja, a selectividade de tempo;

Ia é o valor da corrente de arranque, e vale 1.2Iop;

Icc é o valor da corrente de curto-circuito.


15

Os valores das constantes a e b são indicados na norma utilizada, e variam consoante o tipo de

curva em questão: Standard Inverse, Very Inverse ou Extremely Inverse e são apresentados na

tabela seguinte:

Tabela 1. Características a e b segundo a norma CEI 60255-3

Tipo de Curva a b

Standard Inverse 0.14 0.02

Very Inverse 13.5 1

Extremely Inverse 80 2

Apresentamos agora as curvas correspondentes a cada tipo, adaptadas a este circuito

considerando o valor mínimo para o TMS; valendo este 0.05 e a corrente de arranque sendo de

2.5 A, enquanto que Iop corresponde aproximadamente a 2.1 A.

Figura 7. Curvas de tempo de actuação para relés com características tempo inverso

0

0,5

1

1,5

2

2,5

3

3,5

4

2 4 6 8 10 12 14 16

t op

(s)

Icc (A)

SI VI EI


16

Observa-se na figura 7 que até um pouco mais de 8 A, a curva EI é a que apresenta o maior

tempo de actuação seguida da VI e por fim da SI, mas a partir desse ponto a curva VI tem um

tempo de operação inferior à da curva SI e por volta dos 11 A, a curva SI é a que apresenta o maior

tempo de operação. Caso a corrente de curto-circuito continue a aumentar, será a curva EI a que

terá o menor tempo de operação.

Ou seja, para correntes mais elevadas os dispositivos de protecção têm uma actuação mais

rápida. Portanto, os relés configurados com o tempo inverso são mais versáteis porque permitem

uma larga gama de configurações para tornar a coordenação de relés entre diversas protecções,

isto é, num sistema de grande dimensão, viável.

Passando agora para a parte prática, utiliza-se o circuito já referido anteriormente, pois vão ser

realizados testes em tudo semelhantes aos já realizados. Há apenas que alterar as configurações

da TPU S420 de modo que funcione em tempo inverso. Inicialmente vai-se utilizar a curva SI ou NI,

para depois comparar com os resultados obtidos com a curva VI ou MI.

Aplicando tensão na rede e ainda sem defeito na mesma, confirma-se que a corrente se situa

nos 2.5 A. Depois provoca-se um curto-circuito em C e a corrente de curto-circuito obtida é de

aproximadamente 3.5 A. Observando a curva SI acima representada, facilmente se repara que o

tempo de operação é de aproximadamente 1 segundo. No entanto o relé deu ordem de abertura

aos disjuntores cerca de 0.8 segundos depois do início do defeito.

Sabendo que o relé ISM21 dispara passado 1 segundo, a TPU S420 terá de disparar pelo menos

passado 1.4 segundos. Convém por isso alterar o TMS para 0.15 de modo a garantir selectividade.

Alterando então o valor do TMS na TPU S420 e aplicando tensão na rede, provoca-se

novamente um defeito em C e a actuação dos relés já vai ser coordenada de modo a que tal como

anteriormente actue primeiro o relé que se encontra mais perto do defeito e só depois outro que

se encontre a montante deste.

Provocando agora um curto-circuito em B, a corrente de curto-circuito é de aproximadamente

4.7 A. Observando novamente a figura 7, pode-se reparar que o tempo de actuação da curva SI

para uma corrente de curto-circuito desta intensidade se situa perto dos 0.5 segundos. Deve-se

por isso alterar o TMS para garantir a selectividade. Para passar esses 0.5 segundos para

aproximadamente 2 segundos, é necessário que o TMS seja maior ou igual a 0.2.


17

Alterado o valor do TMS na TPU S420 e provocando novamente um curto-circuito em B, as

protecções já actuam de acordo com o esperado.

Utilizando agora a curva VI ou MI, vai-se voltar a provocar um curto-circuito em C. Com um

valor de 0.1 para o TMS deverá esta, garantir a selectividade. Provocando então um defeito em C

observa-se efectivamente a coordenação dos relés, já que o relé mais perto do defeito actua

primeiro do que o outro que se encontra a montante.

Para um defeito em B, um TMS de 0.15 já assegurará selectividade. Provoca-se então um curto-

circuito em B e tal como anteriormente se garante o bom funcionamento das protecções.

O TMS tem de ser actualizado para cada caso, pois com um TMS que assegure a selectividade

em todas as situações, por exemplo, um TMS de 0.25, poderá permitir que as correntes de curto-

circuito durem durante muito tempo e possam danificar o equipamento.

Também se verificou que os tempos de operação teóricos são um pouco diferentes dos

práticos. Em algumas situações eram valores muito próximos, no entanto, numa ou noutra havia

diferenças que não podiam ser desprezáveis.


A presença de uma tensão homopolar indica a existência de assimetrias e defeitos fase-terra.

Logo é necessário dotar as redes eléctricas com equipamento sensíveis a essas grandezas de modo

a evitar danos na própria rede e nos seus equipamentos. O sistema de protecção garante essa

segurança e permite evitar consequências graves para a rede. Foi por isso utilizada uma unidade

de supervisão e controlo nos testes efectuados de modo a verificar o bom desempenho da

instalação eléctrica.

Para comprovar o que foi mencionado anteriormente na revisão da literatura e então verificar

na prática quais as consequências consoante se decide escolher um ou outro regime de neutro,

realizou-se uma montagem semelhante àquela apresentada no seguinte esquema:


18

Figura 8. Circuito para realização de testes sobre os regimes de neutro na média tensão

O circuito como se pode observar na figura 8 é composto por dois modelos de linha ligados em

paralelo e alimentados pela rede trifásica do laboratório (primário do transformador a 400V). É de

referir que os modelos de linhas utilizados não foram aqueles previstos. Isto é, surgiu um

problema logístico na construção dos modelos de linhas já que faltaram os condensadores apenas

(ver o relatório de actividades em anexo). Para não ficar desocupados, decidiu-se utilizar os

modelos de linhas já montados e disponíveis no laboratório de protecções. Estes modelos

correspondem a linhas de baixa tensão e os seus componentes foram dimensionados para

funcionar como tal. Existe também no circuito um modelo de subestação que transforma a tensão

composta da rede para 15 V. Além disso foi integrado um equipamento de protecção (TPU S420),

para verificar se a rede era protegida (ordem de disparo do TPU) em caso de defeito à terra.

Finalmente para provocar curto-circuitos à terra nas duas linhas utilizou-se um interruptor.

A montagem realizada foi a seguinte:


19

Figura 9. Montagem realizada no laboratório de protecções para efectuar testes nos modelos de linhas

A seguir apresentam-se os vários resultados verificados no circuito para os diversos regimes de

neutro bem como alguns comentários.

Pode-se já indicar que os ensaios efectuados foram os mesmos para todos os regimes de

neutro. Programou-se a função de protecção “máximo de corrente de terra” do TPU S420 de

modo a que Iop seja igual 0.9 A e Top igual a 1 segundo. Também foi programada a função de

protecção “direccional de terra” do TPU para ângulos característicos de 0º, 7º e 90º. Quando se

era provocado um CC no modelo de linha 1 (ou seja colocava-se o conector C1 na posição 2), era

necessário alterar nessa função do TPU o estado “Frente” para “Trás”.

Antes de apresentar os resultados quando provocados defeitos à terra, confirmou-se se o

circuito estava a funcionar correctamente. Obtiveram-se os resultados seguintes:


20

Figura 10. Resultados obtidos sem defeito à terra

Observa-se que as tensões nas fases correspondam mais ou menos ao esperado, isto é, 15V.

Em relação às correntes nas fases, observa-se que a fase “b” tem um valor diferente das outras,

isto porque faltava uma resistência para estabelecer uma ligação física entre dois pontos da fase,

logo o circuito ficava em aberto. A seguir apresentam-se os resultados quando provocado um

defeito à terra na fase C.

3.2.1 – Neutro Isolado

Os resultados obtidos neste regime de neutro foram os seguintes. Quando provocado o curto-

circuito à terra no modelo de linha 2 (ver figura 8) para um ângulo característico de 0º, a corrente

de defeito Ic é igual a 1.185 A e as tensões nas diferentes fases sãs: Ua =38 V, Ub = 32 V e Uc = 8 V.

Ou seja, verifica-se como era de esperar uma corrente de defeito reduzida mas um forte

desequilíbrio de tensões. O TPU nesta situação não deu ordem para disparar.

Para os ângulos característicos de 7º e 90º os resultados obtidos foram os mesmos que os

obtidos anteriormente.

Provocando um curto-circuito na linha em paralelo, obteve-se uma corrente Ic igual e 0.060 A e

uma tensão Uc igual a 6 V. No que diz respeito às tensões e às correntes das outras fases, o

resultado difere muito pouco. A corrente observada na fase C é relativamente baixa porque o


21

defeito é provocado na outra linha cuja resistência é muito inferior à da linha onde se encontra o

equipamento de protecção.

3.2.2 – Neutro Directamente Ligado à Terra

Após colocar o conector C2 na posição 2 para ligar o neutro directamente à terra, obtiveram-se

os seguintes resultados para um ângulo característico de 0º:

Ic = 2.620 A;

Ua = Ub = Uc = 17 V.

Estes resultados estão de acordo com o esperado pois observa-se uma corrente na fase de

defeito bastante elevada enquanto que a corrente nas outras fases se mantém inalterada. Em

relação às tensões verificadas, vemos que são iguais para todas as fases e que não existem

sobretensões. Nesta situação verificou-se uma ordem de disparo por parte do TPU.

Tal como anteriormente, para os ângulos característicos de 7º e 90º os resultados obtidos

foram os mesmos. Também nestes casos o TPU actuou e deu ordem de disparo para protecção da

rede.

Provocando o defeito à terra no modelo de linha 1 (ver figura 8), observa-se que a corrente na

fase de defeito apresenta um valor muito mais baixo do que nas situações anteriores e esse valor

da corrente ronda a corrente obtida sem defeitos. Não houve por isso ordem de disparo.

Relativamente às tensões nas fases, podemos ver que são iguais e não se verificam sobretensões.

3.2.3 – Neutro Ligado à Terra através de uma Resistência

Após colocar o conector C2 na posição 3 e regular a resistência para 50Ω, obtiveram-se os

seguintes resultados:

Ic = 1.140 A;

Ua = 35 V;

Ub = 28 V;

Uc = 8 V.


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Verifica-se que estes resultados se encontram dentro do previsto até porque quando a

resistência é elevada estamos num regime de neutro semelhante ao do neutro isolado. Também

por essa razão não houve ordem de disparo do TPU.

Com ângulos característicos de 7º e 90º, os resultados obtidos foram também muitos parecidos

e por isso o TPU não deu ordem de disparo.

Quando provocado o defeito na linha em paralelo, observa-se que a corrente na fase de defeito

é baixa pela mesma razão apontada anteriormente no regime de neutro isolado. Para as tensões,

também se verifica desequilíbrio nas diferentes fases.

Diminuindo ligeiramente o valor da resistência de neutro observa-se que apenas para o valor

12.5 Ω é que ocorre a ordem de disparo do TPU. Os resultados obtidos neste caso foram os

seguintes:

Ic = 1.345 A;

Ua = 31 V;

Ub = 22 V;

Uc = 9 V.

Observa-se que a corrente de defeito é ligeiramente superior à da corrente de defeito

observada no regime de neutro isolado. Como esperado, este valor é limitado pela resistência de

neutro. No que diz respeito às tensões verifica-se que apesar de existir desequilíbrio, este é menor

do que na situação anterior, com a resistência de 50Ω.

Com ângulos característicos de 7º e 90º, os resultados obtidos foram também muitos parecidos

e por isso o TPU deu ordem de disparo.


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4 – Dimensionamento dos Modelos de Linha

4.1 – Linha Aérea de Média Tensão

4.1.1 – Características

Esta linha aérea de média tensão [15kV] terá um comprimento total de 20 km. Os condutores

serão de alumínio com alma de aço para melhorar a resistência mecânica dos mesmos. Pois, é

claramente o material mais utilizado para linhas aéreas devido ao seu baixo peso e menor custo.

Foi escolhida como disposição dos condutores a disposição em toalha horizontal transposta

com 1 condutor por fase. Só se utilizam feixes de condutores por fase para tensões superiores a

220kV porque quanto maior o campo eléctrico maior a possibilidade de ocorrência do efeito

coroa.

Figura.11 - Disposição de condutores em toalha horizontal transposta

A distância D entre condutores considerada é de 1 metro, pois pareceu-nos suficiente e

plausível. Quanto a secção dos condutores foi-nos aconselhado pelo orientador da bolsa escolher

uma secção de . Finalmente podemos salientar que o modelo irá representar a linha no

seu modelo equivalente em π pelo que teremos de ter em atenção que a capacidade é dividida em

2 neste modelo matemático.

Consultando o catálogo da Solidal e tendo em conta todas as características atrás referidas foi

escolhido o cabo de alumínio-aço (ACSR) de normas de fabrico EDP DMA-C34-120/E e CEI 1089 de

com 6 fios de alumínio e 1 fio de aço.


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4.1.2 – Cálculo dos Parâmetros da Linha

A seguir serão apresentados os detalhes dos cálculos efectuados para obtermos os diferentes

parâmetros da linha. Primeiro, foi calculado o parâmetro mais importante numa linha deste tipo,

ou seja, a indutância.

Considerando as características todas do cabo anteriormente referidas sabe-se que a

indutância é calculada da seguinte maneira:

Em que representa a permeabilidade magnética do vazio; a

distância entre fases e R o raio de cada condutor (em metros).

Do catálogo da Solidal observa-se que para o cabo escolhido o diâmetro do mesmo é ,

por isso o raio do condutor é

A linha considerada tem comprimento total de 20 km logo a indutância terá como valor:

A seguir foi calculada a resistência do cabo para uma temperatura de . Sabendo que para

uma temperatura ambiental igual a a resistência eléctrica máxima do cabo é

temos que:

Onde representa o coeficiente de variação de resistividade a 20° para

o alumínio, e .

Substituindo na expressão temos:


25

Sendo a linha de comprimento total 20 km temos que:

Finalmente falta calcular a capacidade da linha que iremos considerar sem influência da terra

pelo que temos que utilizar a seguinte expressão:

Onde representa a média geométrica da distância entre fases e é iguala:

representa a média geométrica da distância entre raios e é igual a:

E finalmente represente a permissividade eléctrica do vazio.

Substituindo na expressão temos que:

Sendo a linha de comprimento total 20 km temos finalmente que:

Sendo o nosso modelo de linha o esquema equivalente em π da linha real temos como novo

valor para a capacidade:


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4.2 – Cabo Subterrânea de Média Tensão

Será agora modelizada uma rede subterrânea de média tensão com as características

seguintes.

4.2.1 - Características

Esta rede de média tensão [15 kV] terá um comprimento total de 10 km. Os condutores serão

de alumínio porque tendo um peso menor do que o cobre. A secção escolhida foi devido

ao seu uso na EDP para cabos desta natureza.

Como montagem subterrânea dos cabos foi escolhida a montagem em esteira:

Figura.12 - Disposição dos condutores em esteira

Após consulta do catálogo disponibilizado pela Solidal escolheu-se o cabo monopolar LXHIV de

para tensões de 8,7/15 kV. Este cabo possui uma alma condutora de alumínio, é isolado

em PEX, tem blindagem bem como bainha exterior em PVC.

4.2.2 – Cálculo dos Parâmetros do Cabo

A seguir apresentam-se os cálculos para obter os diferentes parâmetros do cabo escolhido.

Primeiro, calculou-se a indutância tendo em conta que numa canalização simétrica formada por

condutores não magnéticos o coeficiente de auto-indução aparente médio é igual para todos os

condutores, sendo dado pela expressão:

Sabendo que então consegue-se calcular o raio da alma condutora:

a a

b

b


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Onde corresponde ao diâmetro da alma condutora

e

à média geométrica das distâncias entre eixos dos condutores. Por outro lado

sabemos do catálogo que .

É aconselhado pelo distribuidor de energia deixar um espaço entre os cabos, , de pelos menos

10% do diâmetro do cabo pelo que admitimos que

(ver figura 12), logo teremos que

.

Substituindo na expressão anterior:

Sendo a rede de comprimento total 10 km então:

A seguir foi calculada a resistência do cabo para uma temperatura de . Sabemos que para

uma temperatura ambiental igual a a resistência eléctrica máxima do cabo em corrente

contínua é calculada da seguinte maneira:

Os valores de para secções normalizadas e segundo a classe de flexibilidade da alma

condutora são fixados pela normalização portuguesa e internacional, assim temos no nosso caso

que:

Em corrente alternada a resistência é igual a:


28

Em que é o coeficiente associado ao efeito pelicular e é o coeficiente associado ao efeito

de proximidade.

O método de cálculo destes coeficientes pode ser encontrado na Publicação n°287 da CEI. No

entanto, à frequência industrial (50Hz) podem ser desprezados aqueles dois efeitos (

para secções dentro das gamas seguintes:

Tendo em conta que a secção do cabo escolhida é de então despreza-se o efeito dos

coeficientes. A resistência linear de um condutor, em corrente alternada, pode ser calculada pela

seguinte expressão:

Substituindo:

Sendo a rede de comprimento total 10 km temos que:

Finalmente falta calcular o último parâmetro do cabo sendo ele a capacidade do mesmo. Para

isso, utilizou-se a expressão seguinte considerando o cabo de campo radial:

Em que corresponde à permissividade relativa do dieléctrico, o PEX,

corresponde ao raio da alma condutora e

ao raio sobre o invólucro isolante.

Substituindo:


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Logo para um comprimento total de 10 km da rede temos que:

Sendo utilizado o modelo em pi para modelizar a rede:

4.3 – Análise crítica dos resultados

Tabela 2. Resultados obtidos no cálculo dos parâmetros eléctricos dos modelos de linha

Parâmetros Linha Aérea Cabo

R (Ω) 9,1 5,3

L (mH) 22 4,6

C/2 (µF) 0,1 0,85

Podemos observar na tabela 2 que os valores obtidos na indutância são coerentes, já que a

indutância da linha aérea é bastante maior que a indutância do modelo subterrâneo. De facto,

sabe-se que quanto mais afastados estiverem os condutores entre eles, mais a indutância é

aumenta. Aqui neste caso, tem-se que a distância entre os condutores da linha aérea corresponde

a 1 metro, enquanto a distância entre os condutores do modelo subterrâneo corresponde apenas

a alguns milímetros.

No que diz respeito às capacidades, observa-se que o valor relativo à linha aérea é menor do

que o valor de capacidade associado ao modelo subterrâneo; como era de prever. De facto, sabe-

se que a capacidade aumenta com a presença de dieléctricos com constante de permitividade

relativa significativa; o que é o caso do PEX utilizado no dimensionamento do modelo de cabo.

Também o afastamento entre os condutores já referenciado anteriormente é outro argumento a

favor do resultado efectivamente verificado.


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4.4 – Material Encomendado

Sendo cada modelo de linha representado por 3 fases, então teremos para cada fase que

encomendar uma indutância e uma resistência. Logo teremos no total que encomendar 6

indutâncias e 6 resistências. Tratando-se do modelo equivalente em pi da linha, cada modelo terá

ligado a cada fase 2 capacidades, ou seja, no total iremos encomendar 12 capacidades.

Fazendo um resumo das encomendas:

Tabela 3. Encomendas realizadas para futura montagem dos modelos de linha

Modelo de linha aérea Modelo de linha subterrânea

3 Indutâncias de 22 mH 3 Indutâncias de 4.6 mH

3 Resistências de 9.1 3 Resistências de 5.3

6 Capacidades de 0.10 6 Capacidades de 0.85


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5 – Desenvolvimento de uma página Web

A pedido do nosso orientador, foi desenvolvida uma página Web onde se alocou a informação

toda relativa à bolsa de integração. Isto é, contém os vários relatórios desenvolvidos (relatórios

intercalares, relatório final e relatório de actividades), a principal documentação utilizada, os

vários links consultados, o plano de actividades e vários objectivos bem como informações acerca

dos bolseiros. Foi para o efeito utilizado o software Joomla. Apresenta-se a seguir a página de

introdução do site em que se pode encontrar na barra superior o endereço de acesso à página:

Figura 13. Introdução da pagina Web desenvolvida pelos bolseiros para disponibilizar informação online


32

6 – Conclusão

Vimos através dos resultados obtidos nos testes realizados em âmbito laboratorial que a

coordenação de relés de máxima intensidade tinha de ser correctamente implementada para

garantir selectividade na rede eléctrica. É essencial garantir essa selectividade para assegurar a

protecção dos equipamentos bem como da própria rede e assim evitar custos elevados associados

a possíveis danos. Sabe-se que em mais de 99% do tempo, os equipamentos de protecção ficam

em estado passivos, no entanto a qualquer momento pode ocorrer um defeito na rede e provocar

a actuação do sistema de protecção. É por isso garantido o retorno do investimento nesses

equipamentos, pois podem evitar danos graves e custos associados muito maiores.

Com os resultados obtidos a partir dos diferentes testes realizados no laboratório sobre os

regimes de neutro, pode-se concluir que com uma resistência de 12.5Ω, temos uma situação que

se posiciona entre o regime de neutro isolado e o regime de neutro directamente ligado à terra. É

um regime que não apresenta correntes de defeito muito severas nem desequilíbrios nas tensões

muito acentuados. No entanto, teremos que ter sempre em consideração a natureza da rede e da

instalação na escolha do regime de neutro a utilizar.

Finalmente conclui-se que os objectivos propostos foram atingidos com a realização dos testes

e interpretação dos mesmos. Procurou-se verificar se estes testes eram viáveis e se efectivamente

correspondiam à teoria. Esta bolsa serviu-nos de suporte para adquirir conhecimentos numa área

nunca antes abordada e por isso considera-se que o objectivo principal de auto-aprendizagem foi

atingido.

Quanto à construção dos modelos de linhas, considera-se que foi parcialmente atingida pelas

razões já referenciadas neste relatório e especificadas no relatório de actividades.


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7 – Referências

[1] - Miguel Louro (Outubro de 2008) – “O sistema de protecções na perspectiva da segurança de

pessoas em redes de MT”. Tese de Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de

Computadores – FEUP.

[2] - Juan M. Gers e Edward J. Holmes (2004) – “Protection of Electricity Distribution Networks”, 2ᵃ

edição.

[3] - (2002) - “Protecção de equipamentos e sistemas de energia eléctrica” – Versão Provisória.


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8 – Anexos

Relatorio Final da Bolsa

Documents

Transcript of Relatorio Final da Bolsa