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
Relatório Final 2010/2011
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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.
Relatório Final 2010/2011
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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.
2.1 – Coordenação de Relés de Máxima Intensidade
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
Relatório Final 2010/2011
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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.
2.2 – Regimes de Neutro
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,
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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.
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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
3.1 – Coordenação de Relés de Máxima Intensidade
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.
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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.
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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
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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.
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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.
3.2 – Regimes de Neutro
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:
Relatório Final 2010/2011
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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:
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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:
Relatório Final 2010/2011
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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
Relatório Final 2010/2011
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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.
Relatório Final 2010/2011
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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.
Relatório Final 2010/2011
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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.
Relatório Final 2010/2011
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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:
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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:
Relatório Final 2010/2011
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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
Relatório Final 2010/2011
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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:
Relatório Final 2010/2011
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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:
Relatório Final 2010/2011
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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
Relatório Final 2010/2011
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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
Relatório Final 2010/2011
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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.
Relatório Final 2010/2011
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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