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.
Sistema de Proteçãoç Zonas de Proteção
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
Sistema de Proteçãoç 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
Sistema de Proteçãoç Diagrama de Bloco Típico configurações de Controle
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
Sistema de Proteçãoç Diagrama de Bloco Típico configurações de Controle
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
Sistema de Proteçãoç Diagrama de Bloco Típico configurações de Controle
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
Mecanismo do Disjuntor
Sistema de Proteçãoç Diagrama de Bloco Típico configurações de Controle
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
Mecanismo do Disjuntor
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 de Proteçãoç Custo
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.
Sistema de Proteçãoç Custo
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