Topico_2_-_Filosofia_da_Protecao

Universidade Federal do Ceará - UFCCentro de TecnologiaDepartamento de Engenharia Elétrica - DEEDepartamento de Engenharia Elétrica DEE

ÃPROTEÇÃO DE

SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA - SEPSISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA SEP

Prof. Raimundo Furtado Sampaiop

Tópico IIp

Filosofia da Proteção, Conceitos e Filosofia da Proteção, Conceitos e Princípios Básicos de Proteção

Tópico II – Filosofia da Proteção

1 Sistema de Proteção – Terminologias e Definições;

p ç

1. Sistema de Proteção Terminologias e Definições;

2. Componentes de um sistema de proteção;

3. Zonas de proteção

4 Requisitos básicos de um sistema de proteção; 4. Requisitos básicos de um sistema de proteção;

Sistema de Proteção – Objetivo Sistema de Proteção – Objetivo, terminologias e definições

Sistema de Proteçãoç Objetivo

Manter a integridade dos equipamentos;

Garantir a segurança de pessoal;

Assegurar a continuidade de serviço.

Definição Definição

é um sistema ao qual estão associados todos os equipamentos

necessários para detectar, localizar, iniciar e completar a eliminação necessários para detectar, localizar, iniciar e completar a eliminação

de uma falta ou de uma condição anormal de operação de um

sistema elétrico (NBR 8769). ( )

Sistema de Proteçãoç Proteção:

Ação automática provocada por dispositivos sensíveis a

determinadas condições anormais que ocorrem num circuito, no

sentido de evitar ou limitar danos a um sistema ou equipamento

elétrico (NBR 5460, 1992).

Equipamento de proteção:

Qualquer dos componentes necessários ao desempenho da função

completa de um sistema de proteção (NBR 8769, 1985).

Sistema de Proteçãoç Zonas de Proteção

Zona de Proteção Principal

Zona de Proteção de Retaguarda.

Local;

Remota.

O sistema de proteção de um SEP é composto de relés e O sistema de proteção de um SEP é composto de relés e

disjuntores instalados nos vãos, protegendo zonas bem definidas.


A filosofia geral de aplicação de relés de proteção em sistemas

elétricos baseia-se na divisão do sistema em zonas distintas,

individualmente protegidas e desconectadas, garantindo ao resto

do sistema a continuidade de serviço quando da ocorrência de uma

falta.

Em geral, um sistema de elétrico de potência pode ser dividido nas

seguintes zonas de proteção:

Geração,

Subestações (cada vão corresponde a uma Zona)

Linhas de transmissão,

sistema de distribuição

Sistema de Proteçãoç Divisão do SEP em zonas de proteção


A proteção do sistema elétrico deve ser distribuída por zona para

limitar a extensão do sistema elétrico que será desligado quando da

ocorrência de uma falta.

O ponto de conexão da proteção com o sistema elétrico

normalmente define a zona e corresponde a localização dos

transformadores de corrente.

Sistema de Proteçãoç Zonas de proteção de uma SE

Zona de Proteção da Saída de Linha SL

Zona de Proteção da Entrada de Linha EL

SL EL

Zona de Proteção do Barramento B2

D2

SL

D1

EL

B2

Zona de Proteção do Transformador TRTR

D3

Transformador TRZona de Proteção da Barra B1D4D9

TRBC

B1

Zona de Proteção do Alimentador AL4

D7

AL3

D5

AL1

D6

AL2

D8

AL4

Zona de Proteção do Banco de Capacitores BC Falta

Sistema de Proteçãoç Zonas de Proteção – Sistema de Distribuição

13,8 kV

Legenda:R – ReligadorS – SeccionalizadorF Ch F í l

F2

F – Chave Fusível

1

R3

F1

R1 R2

s

F3

R4

Sistema de Proteçãoç Sobreposição de zonas de proteção no SEP

O ideal para o sistema de proteção é que as zonas de proteção

sejam sobrepostas, garantido desta forma que nenhuma parte do

sistema elétrico esteja desprotegido.

Sistema de Proteçãoç Sobreposição de Zonas de Proteção na SE

Zona de Proteção da SL Zona de Proteção da EL

SL EL

Zona de Proteção do B2D2

S

D1

D3B2

Zona de Proteção do TR

Zona de Proteção da B1

D3

TRBC Zona de Proteção da B1

Z d P t ã d AL

D4

D5 D7 D8D6

D9BC

B1

Zona de Proteção do AL

Zona de Proteção do BC

5 86

AL3AL1 AL2 AL4

Zona de Proteção do BCFalta

Sistema de Proteçãoç Esquema com e sem zona sobreposta

Sistema de Proteçãoç Proteção Principal

Sistema ou parte do sistema de proteção do qual se espera a

iniciativa de operar em resposta a uma condição de falta,

eliminando-a dentro de sua zona protegida. (NBR 8769,1985). Ocorrência l l d Falta no alimentador AL1 Proteção principal atua eliminando a falta

Sistema de Proteçãoç Proteção de Retaguarda

Sistema ou parte do sistema de proteção destinado a operar como

substituto da proteção principal, quando uma falha desta, ou de

sua incapacidade de operar (NBR 8769, 1985).

Equipamento ou sistema de proteção destinado a operar quando

uma falta no sistema elétrico não é eliminada no devido tempo,

por causa de uma falha ou inabilidade da proteção principal em

operar, ou no caso de falha ou inabilidade da proteção principal em

operar, ou no caso de falha de operação de um disjuntor outro que

o disjuntor associado (NBR 5460, 1992).

Sistema de Proteçãoç Proteção de Retaguarda

Zona de Proteção de Retaguarda (backup)TR

Zona de Proteção Principal do ALR5

R4 R3 R2 R1

D5

R4 R3 R2 R1

D4 D3 D2 D1

AL3AL1 AL2 AL4

Falta

Sistema de Proteçãoç Requisitos Básicos de um Sistemas Proteção:

Coordenação

Seletividade

Rapidez ou Velocidade

Sensibilidade Sensibilidade

Confiabilidade

Segurança Segurança

Disponibilidade

C t Custo.

Sistema de Proteçãoç Seletividade

A seletividade é a capacidade do sistema de proteção em discriminar e

somente desconectar do sistema a parte atingida pelo defeito.

isolar completamente o componente defeituoso

desligar a menor porção do SEP.

A seletividade é a principal condição para assegurar ao consumidor um

serviço seguro e contínuo.

F P1 P2 P3

Falta

Sistema de Proteçãoç Seletividade

F1 - R1 deve interromper a falta.F2 D2 deve interromper a faltaF2 - D2 deve interromper a falta.F3 - D3 deve interromper a falta.F4 - D4, D2 deve interromper a falta.F5 D5 de e interromper a faltaF5 - D5 deve interromper a falta.F6 – SE de retaguarda.F7 - D6 deve interromper a falta.

Sistema de Proteçãoç Métodos para realizar seletividade:

Seletividade cronométrica - Graduação de tempo Longo tempo de atuação. Ótima discriminação/coordenação Ótima discriminação/coordenação.

Seletividade amperimétrica Curto tempo de atuação e difícil aplicação.p ç p ç Difícil discriminação/coordenação.

Seletividade Lógica. Curto tempo de atuação. Ótima discriminação/coordenação.

Unidade de proteção Unidade de proteção Atuação independe do tempo. A velocidade de resposta independe da severidade da falta

Sistema de Proteçãoç Seletividade Cronométrica - Graduação de tempo

Os sistemas de proteção, em sucessivas zonas, são configurados para operar em tempos graduados de acordo com a seqüência dos equipamentos de proteção.

Sistema de DistribuiçãoC

Sistema de Transmissão

SE 2Sistema de Geração SE 1

DDD DG TC

Tempo (s)

t4

LTR4 R1R2R3

Falta

t4

t3

t2

t1

d1 d(km)

t1

0 d4 d3 d2

Sistema de Proteçãoç Coordenação

A coordenação de um sistema de proteção é o relacionamento adequado entre as características e os tempos de operação dos dispositivos de proteção de um sistema ou parte de um sistema lét i d i t lét i d f ti elétrico, ou de um equipamento elétrico de forma a garantir a

seletividade (NBR 5660, 1996).

Sistema de DistribuiçãoC

Sistema de Transmissão

SE 2Sistema de Geração SE 1

DDD DG TC

Tempo (s)

t4

LTR4 R1R2R3

Falta

t4

t3

t2

t1

d1 d(km)

t1

0 d4 d3 d2

Sistema de Proteçãoç Características da Seletividade - Cronométrica

A velocidade de resposta da proteção freqüentemente depende da

severidade da falta.

Retardo na atuação das proteções:

Inviabilidade técnica em algumas aplicações;

Superdimensionamento de cabos e painéis;

Maiores danos a instalação devido o maior tempo sob efeito Maiores danos a instalação devido o maior tempo sob efeito

do curto;

Subtensão momentânea Subtensão momentânea.

Sistema de Proteçãoç Seletividade Amperimétrica:

As proteções, em sucessivas zonas, são configurados para operar

com valores de corrente ajustados de acordo com a seqüência dos

equipamentos de proteção.

Características:

Necessita uma significativa impedância no sistema para o

ajuste garantir a coordenação.

Apresenta limitações quanto a sua aplicação (Icc >>).

Quanto mais próximo da fonte ocorre a falta, maior a Q p ,

intensidade da corrente de curto.

Sistema de Proteçãoç Seletividade com Unidade de proteção

Unidades de proteção são sistemas de proteção que responde

somente para faltas dentro de uma zona definida.

Sua operação não envolve graduação de tempo, por esta razão sua

atuação é relativamente rápida.

A velocidade de resposta independe da severidade da falta.

Exemplos: p Proteção falta restrita a terra. Proteção diferencial. Teleproteção.

Sistema de Proteçãoç Unidade de proteção

Unidade de proteção

A unidade de proteção usualmente compara as grandezas elétricas

nas extremidades da zona de proteção definida pela localização dos

transformadores de corrente.

Zona não Protegida Zona Protegida Zona não Protegida

I1 I2ElementoProtegido

87k1I1 k2I2

Sistema de Proteçãoç Seletividade Lógica:

Proporciona coordenação entre unidades instantâneas sujeitos ao

mesmo nível de curto-circuito.

A coordenação é obtida através do envio de sinais digitais de um

relé para o bloqueio da atuação de um outro relé.

Exemplo:

A coordenação entre a função instantânea dos relés dos ç ç

alimentadores e a função instantânea do relé associado ao

disjuntor geral da barra de média tensão. Relés Eletromecânicos não coordenam. Relés Microprocessados podem coordenar utilizando

seletividade lógicaseletividade lógica.

Sistema de Proteçãoç Seletividade Lógica:

Coordenação entre unidades instantâneas

TR

D1

R1

D2

R2

D3

R3

D4

R4

AL1 AL2 AL3

Falta

Sistema de Proteçãoç Rapidez ou Velocidade

Capacidade de resposta dentro do menor tempo possível, de modo

a garantir a estabilidade do sistema.

A função do sistema de proteção é isolar as faltas no sistema de

potência o mais rápido possível, de modo a garantir a estabilidade

do sistema, evitar a extensão dos danos no sistema e garantir

continuidade de fornecimento pela remoção de cada distúrbio antes

que este se espalhe e conduza a uma perda de sincronismo e

conseqüentemente ao colapso do sistema de potência.

Sistema de Proteçãoç Rapidez ou Velocidade

A rapidez da atuação da proteção: Mantém a estabilidade do sistema; Minimiza os danos provocados pela falta no sistema, dado que

a energia liberada é proporcional ao quadrado da corrente vezes a duração da falta (R.I2.t).

A manutenção de condições normais de operação nas partes não afetadas do sistema.

Sistema de Proteçãoç Velocidade – Estabilidade em regime transitório

A rapidez da atuação da proteção: Quando a carga no sistema de potência aumenta, a defasagem

angular entre as tensões nos diferentes barramentos aumenta angular entre as tensões nos diferentes barramentos aumenta, proporcionando o aumento de perda de sincronismo quando ocorrer um distúrbio provocado por uma falta.

E1 E2 P = E1 E2 sen

X

XSendo:

E1 - tensão na barra 1E2 tensão na barra 2P E2 - tensão na barra 2X - reatância de transferência - diferença angular entre E1 e E2P - fluxo de potência

Sistema de Proteçãoç Velocidade - Relação entre Carregamento do Sistema e Tempo de

Eliminação das Faltas.

Faltas entre fases proporciona maior efeito no sistema e requer a

eliminação da falta mais rápida.

Sistema de Proteçãoç Velocidade - Depende da característica do sistema elétrico:

Depende da característica do sistema elétrico:

Sistemas de distribuição:

Normalmente não requer rápida eliminação da falta, sendo

usualmente protegidos por sistema de proteção com

graduação de tempo.

Plantas de geração e sistemas Extra Alta Tensão (EHV):g ç ( )

Requer proteções da mais alta velocidade possível, na qualo único fator limite deve ser a correta operação.

Usualmente são utilizados teleproteção e redundância dasproteções.

Sistema de Proteçãoç Sensibilidade

Capacidade de resposta dentro de uma faixa esperada de ajuste,

ou seja é a capacidade da proteção responder às anormalidades

nas condições de operação, e aos curto-circuitos para os quais foi

projetada (CAMINHA, 1981).

A sensibilidade deve garantir que a proteção perceba um curto-

circuito na extremidade de um circuito mesmo que o defeito seja

de pequena intensidade.

O relé ou esquema de proteção é considerado sensível se os

parâmetros de operação são baixos.

Sistema de Proteçãoç Sensibilidade

Nos relés eletromecânicos, a sensibilidade era considerada em

termos da sensibilidade da medição do movimento e era medido

em termos de seu consumo em volt-ampere necessários para a

operação do relé.

Nos relés digitais e numéricos a sensibilidade alcançada raramente

é limitada pelo projeto do dispositivo, mas sim pela sua aplicação e

parâmetros de TC/TP.

I

k

cc

II

Fs min,

uppickI

Sistema de Proteçãoç Segurança

Um sistema seguro é aquele em que havendo um defeito ou

condição anormal, a proteção nunca deve realizar uma

operação falsa ou falhar.

Segurança é o grau de certeza de não haver operação

indesejada.

Ex.: Trip falso.

Rp

Rb

Sistema de Proteçãoç Disponibilidade :

É o grau de certeza de operação correta.

Probabilidade de uma função ser executada quando solicitada.

Ex.: Recusa de atuação

Rp Rb

Sistema de Proteçãoç Aspectos associado a confiabilidade - Operação Indesejada:

A operação incorreta ou intempestiva de um dispositivo pode ser

atribuída a uma das seguintes categorias:

Projeto incorreto. Projeto do sistema de proteção. Projeto do relé Projeto do relé.

Ajuste incorreto. Testes incorreto. Instalação incorreta. Degradação em serviço.

Sistema de Proteçãoç Aspectos associado a confiabilidade – Projeto do Esquema de Proteção

deve considerar:

A natureza, freqüência e duração das possíveis faltas; Os parâmetros relevantes do sistema elétrico; O tipo de proteção utilizada; O projeto do próprio equipamento O projeto do próprio equipamento.

Projeto do Relé Especificação Técnica Análise Técnica do Relé. Testes em fábrica Ensaios de rotina. Ensaios de Tipo (apresentação de ensaios).

Teste no laboratório do cliente utilizando mala de teste Teste no laboratório do cliente utilizando mala de teste.

Sistema de Proteçãoç Aspectos associado a confiabilidade – ajustes dos Relés

Grupo de Ajuste dos Relés: É essencial considerar os parâmetros do sistema primário nos

j t d lé i l i d í i d f lt ajustes dos relés, incluindo níveis de faltas e cargas, transformadores de instrumentos, requisitos de desempenho dinâmicos, etc.

Mudança nos Ajustes: As características do sistema de potência muda com o

tempo, devido as mudanças nas cargas, localização, tipo, curto-circuitos e quantidade de geração, etc.

O l d j t lé d t li d Os valores de ajustes nos relés devem ser atualizados para evitar operação indevida ou falha de operação do relé.

Sistema de Proteçãoç Aspectos associado a confiabilidade – Instalação

A necessidade da correta instalação do sistema de proteção é

obvia, mas a complexidade das interconexões de muitos sistemas e

suas interligações durante a montagem pode dificultar a verificação

detalhada das instalações.

Os testes de comissionamente da instalação, apesar da dificuldade de reproduzir todas as condições de falta são necessários e devem ser direcionados para melhoraria da instalação, limitando-se a correção das conexões, ajustes dos relés e prevenção de danos nos equipamentos.

Sistema de Proteçãoç Confiabilidade (Segurança e Disponibilidade)

É a Probabilidade de um componente, equipamento ou sistema

funcionar corretamente quando sua atuação for requerida.

Grau de certeza de não omissão de disparo

A confiabilidade têm dois aspectos: Disponibilidade Segurança

Sistema de Proteçãoç Aspectos associado a confiabilidade – Degradação em serviço

Os relés de proteção podem passar dias ou anos sem operar.

Durante este período, podem surgir defeitos não sinalizados que

serão percebidos somente com a falha da proteção no momento de

responder a uma falta no sistema elétrico de potência.

Exemplos:Queima ou desgastes dos contatosB bi i i idBobinas e outros circuitos partidosFalha em componentes eletrônicos e dispositivos auxiliares;Partes mecânicas podem atracar.p

Sistema de Proteçãoç Aspectos associado a confiabilidade – Degradação em serviço

Os relés devem ser regularmente testados para verificar seu

correto funcionamento.

Circuitos importantes que são especialmente vulneráveis devem

dispor de supervisão elétrica contínua.

Os relés digitais e numéricos possuem autoteste e autodiagnóstico

incorporado que auxiliam na detecção de falhas.

Sistema de Proteçãoç Aspectos associado a confiabilidade – Avaliação do Desempenho das

Proteções

O desempenho do sistema de proteção normalmente é avaliado

estatisticamente utilizando engenharia da confiabilidade.

Este método de avaliação proporciona uma exata avaliação do

sistema de proteção como um todo, mas é rígido no julgamento do

desempenho do relé.

Em sistemas críticos, pode ser usado um simulador digital para

modelar relevantes seções do sistema de potência e checar o

desempenho dos relés utilizados.

Sistema de Proteçãoç Diagrama de Bloco Típico configurações de Controle

Sem e com redundância de relés

TC Fonte CC TP

Relé

Bobina de Abertura

Mecanismo do Disjuntor


Sem e com redundância de relés

F t CCTC 1 TP 1Fonte CCTC 1 TP 1

Relé 1 Relé 2

Bobina de Abertura

Mecanismo do Di j tDisjuntor


Redundância de relés, TC’s e TP’s:

TP TC TC TP TP 1

Fonte CC TC 2

TC 1

TP 2

Relé 1

Relé 21 2

Bobina de Bobina de Abertura

Mecanismo Mecanismo do Disjuntor


Redundância de relés, TC’s, TP’s e bobinas de abertura:

TP 1

Fonte CC TC 2

TC 1

TP 2

Relé 1

Relé 1

Bobina de Ab t

2

Bobina de Ab t Abertura

1Abertura

2



Redundância de relés, TC’s, TP’s, bobinas de abertura e fontes CC:

TP TC TC TP TP 1

Fonte CC1

TC 2

TC 1

TP 2Fonte CC

2

Relé 1

Relé 2

Bobina de Abertura

Bobina de Abertura

1

Mecanismo do

2


Sistema de Proteçãoç Custo

Máxima proteção com o menor custo.

Depende das características do sistema:

Sistema de Geração.

Sistema de Transmissão.Sistema de Transmissão.

Sistema de Distribuição.

Instalação Industrial Instalação Industrial.

Sistema aéreo ou subterrâneo.


Sistema Interligado de Alta Tensão:

A estabilidade do sistema está em risco se a falta não for

eliminada rapidamente. Neste caso, faz-se necessário investir

em sistemas para assegurar rápido e confiável comando de

abertura, para evitar a extensão dos danos.

Exemplos:

Múltiplos sistemas de proteção principal em paralelo e

possivelmente de diferentes tipos

Proteção de distância distância e unidade de proteção

(teleproteção).( p ç )

Proteção de sobrecorrente de retaguarda.


Máxima proteção com o menor custo.

Conclusão:

Um sistema de proteção que satisfaça a todos os requisitos

mencionados é praticamente impossível. Porém, dentro de uma

avaliação custo/benefício deve-se buscar as melhores alternativas

para os projetos do sistema de proteção.

Próxima Aula

Tópico 3: Princípios Fundamentais Tópico 3: Princípios Fundamentais de Relés de Proteção

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