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Distribuição de Energia Eletrica

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Text of Distribuição de Energia Eletrica

  • Captulo 4 Distribuio de Energia Eltrica

    4.1 Introduo 4.2 Sistema de Subtransmisso 4.3 Subestaes de Energia Eltrica 4.3.1 Classificao das Subestaes 4.3.2 Localizao de Subestaes Equipamentos de uma Subestao 4.3.3.1 Barramentos 4.3.3.2 Disjuntor 4.3.3.3 Religador 4.3.3.4 Fusveis 4.3.3.5 Chaves Seccionalizadoras 4.3.3.6 Chaves Eltricas 4.3.3.7 Chaves de Aterramento 4.3.3.8 Pra-Raios 4.3.3.9 Cargas 4.4 Sistema de Proteo 4.4.1 Requisitos do Sistema de Proteo 4.4.2 Rels 4.4.3 Funes de Proteo 4.4.4 Coordenao de Dispositivos de Proteo de

    Sobrecorrente

    4.4.4.1 Coordenao de Fusveis Srie 4.4.4.2 Coordenao entre Religador e Fusvel 4.4.4.3 Coordenao entre Disjuntor e Fusvel 4.4.4.4 Coordenao entre Religador e

    Seccionalizador

    4.5 Transformador 4.5.1 Transformadores Monofsicos 4.5.2 Transformadores Trifsicos 4.5.2.1 Transformador Trifsico Ligado em Y-y 4.5.2.2 Transformador Trifsico Ligado em D-y 4.5.2.3 Transformador Trifsico Ligado em Y-d 4.5.2.4 Transformador Trifsico Ligado em D-d 4.5.3 Rendimento 4.5.4 Regulao de Tenso 4.6 Reguladores de Tenso 4.7 Redes de Distribuio 4.8 Sistema Digital de Automao

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    4.8.1 Arquitetura de um Sistema SCADA 4.8.2 Evoluo dos Sistemas Digitais de Automao 4.8.3 Hierarquia de um Sistema Digital de Automao 4.8.4 Norma IEC61850

  • 4.1 Introduo O sistema de distribuio de energia eltrica no Brasil operado por 67 empresas dentre as quais 9 esto na regio norte, 11 na regio nordeste, 5 na regio centro-oeste, 22 na regio sudeste e 17 na regio sul do pas.

    Figura 4.1 Concessionrias brasileiras de energia eltrica.

    O sistema de distribuio brasileiro regulado por um conjunto de regras dispostas em Resolues da Aneel e no documento intitulado Procedimentos de Distribuio PRODIST com vistas a subsidiar os acessantes do sistema de distribuio, a saber, consumidores e produtores de energia, distribuidoras de energia e agentes importadores e exportadores de energia, disciplinando formas, condies, responsabilidades e penalidades relativas conexo, planejamento da expanso, operao e medio da energia eltrica e estabelecendo critrios e indicadores de qualidade.

    O PRODIST composto por oito mdulos: Mdulo 1 Introduo Mdulo 2 Planejamento da Expanso do Sistema de Distribuio Mdulo 3 Acesso aos Sistemas de Distribuio Mdulo 4 Procedimentos Operativos do Sistema de Distribuio Mdulo 5 Sistemas de Medio

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    Mdulo 6 Informaes Requeridas e Obrigaes Mdulo 7 Perdas Tcnicas Regulatrias Mdulo 8 Qualidade da Energia Eltrica O sistema de distribuio de energia eltrica parte do sistema eltrico situado entre o sistema de transmisso e a entrada de energia dos consumidores. O diagrama simplificado de um sistema de distribuio, mostrado na Figura 4.2, apresenta a integrao do sistema de distribuio com a Rede Bsica, os nveis usuais de tenso de distribuio e os agentes envolvidos do setor de energia eltrica.

    Figura 4.2 Sistema de distribuio e os agentes envolvidos.

    As tenses de conexo padronizadas para alta tenso (AT) e mdia tenso (MT) do sistema de distribuio so: 130 kV (AT), 69 kV (AT), 34,5 kV (MT) e 13,8 kV (MT). As tenses nominais padronizadas em baixa tenso so mostradas na Tabela 4.1.

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    4-3

    Tabela 4.1 Tenses Nominais Padronizadas de Baixa Tenso Prodist Mdulo 3

    O sistema de distribuio pode ser dividido em componentes como ilustrado na Figura 4.3: Sistema de Subtransmisso Subestaes de Distribuio Sistema de Distribuio Primrio (Alimentadores de

    Distribuio) Transformadores de Distribuio Sistema de Distribuio Secundrio Ramais de ligao.

    Figura 4.3 Diagrama Unifilar de um Sistema de Distribuio

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    4.2 Sistema de Subtransmisso O sistema de Substransmisso parte do Sistema de Distribuio entre os Sistemas de Transmisso e as Subestaes de Distribuio. A maioria desses sistemas utiliza tenses de 69 a 138 kV. As topologias utilizadas na subtransmisso so: Radial Radial com recurso Anel (loop) Reticulado (grid or network).

    Figura 4.4 Diagrama unifilar de um sistema de subtransmisso radial.

    Figura 4.5 Diagrama unifilar de um sistema de subtransmisso radial com recurso.

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    Figura 4.6 Diagrama unifilar de um sistema de subtransmisso em anel.

    Figura 4.7 Diagrama unifilar de um sistema de subtransmisso em reticulado.

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    4.3 Subestaes de Energia Eltrica Conjunto de instalaes eltricas em mdia ou alta tenso que agrupa os equipamentos, condutores e acessrios, destinados proteo, medio, manobra e transformao de grandezas eltricas. [Prodist]

    As subestaes (SE) so pontos de convergncia, entrada e sada, de linhas de transmisso ou distribuio. Com freqncia, constituem uma interface entre dois subsistemas.

    As linhas que abastecem as subestaes de distribuio da Coelce e consumidores classe A-3 (classe de tenso 72,5kV) tm origem a partir das subestaes 230/69kV. O subsistema eltrico suprido atravs de cada uma destas subestaes define uma regio eltrica de operao, tambm denominada de ponto de entrega ou ponto de suprimento em 69kV.

    Atualmente h trs pontos de entrega em 69kV em operao na Cidade de Fortaleza (Fortaleza, Delmiro Gouveia e Pici II), um na Regio Metropolitana de Fortaleza (Cauipe), um na regio Norte do Estado (Sobral II) e cinco nas regies Centro, Centro-Oeste e Sul do Estado (Milagres, Ic, Banabui, Russas II e Tau).

    4.3.1 Classificao das Subestaes

    A) Quanto Funo: o SE de Manobra

    Permite manobrar partes do sistema, inserindo ou retirando-as de servio, em um mesmo nvel de tenso.

    o SE de Transformao SE Elevadora

    Localizadas na sada das usinas geradoras. Elevam a tenso para nveis de transmisso e

    sub-transmisso (transporte econmico da energia).

    SE Abaixadora Localizadas na periferia das cidades. Diminuem os nveis de tenso evitando

    inconvenientes para a populao como: rdio interferncia, campos magnticos intensos, e faixas de passagem muito largas.

    o SE de Distribuio: Diminuem a tenso para o nvel de distribuio primria

    (13,8kV 34,5kV).

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    Podem pertencer concessionria ou a grandes consumidores.

    o SE de Regulao de Tenso Atravs do emprego de equipamentos de compensao

    tais como reatores, capacitores, compensadores estticos, etc.

    o SE Conversoras Associadas a sistemas de transmisso em CC (SE

    Retificadora e SE Inversora)

    B) Quanto ao Nvel de Tenso: o SE de Alta Tenso tenso nominal abaixo de 230kV. o SE de Extra Alta Tenso - tenso nominal acima de 230kV.

    C) Quanto ao Tipo de Instalao:

    o Subestaes Desabrigadas - construdas a cu aberto em locais amplos ao ar livre.

    Figura 4.8 Subestao de Alta Tenso Desabrigada.

    o Subestaes Abrigadas - construdas em locais interiores

    abrigados.

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    Figura 4.9 Subestao Abrigada.

    o Subestaes Blindadas Construdas em locais abrigados. Os equipamentos so completamente protegidos e

    isolados em leo ou em gs (ar comprimido ou SF6).

    Figura 4.10 Subestao Compacta.

    As denominadas subestaes compactas utilizam gs isolante, em geral, o SF6 (hexafluoreto de enxofre) em seus dispositivos de manobra, conferido-as um elevado grau de compactao, podendo chegar a at 10% de uma SE convencional. Ex. Subestao de Itaipu. O gs SF6 um possvel contribuidor para o efeito estufa (23.000 vezes maior do que o CO2 em um perodo de tempo de 100 anos) e

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    de durao de 3.200 anos, o que contribui para mudanas no clima. Reduzir a emisso de SF6 significante para a proteo climtica. D) Quanto Forma de Operao.

    a. Subestaes com Operador i. Exige alto nvel de treinamento de pessoal ii. Uso de computadores na superviso e operao local

    s se justifica para instalaes de maior porte.

    b. Subestaes Semi-Automticas i. Possuem computadores locais ou intertravamentos

    eletro-mecnicos que impedem operaes indevidas por parte do operador local.

    c. Subestaes Automatizadas

    i. So supervisionadas distncia por intermdio de computadores e SCADA (Supervisory Control and Data Acquisiton).

    4.3.2 Localizao de Subestaes

    Consideraes quanto a escolha de local para instalao de SE: Localizao ideal: centro de carga; Facilidade de acesso para linhas de subtransmisso (entradas)

    e linhas de distribuio (sadas) existentes e futuras; Espao para expanso; Regras de uso e ocupao do solo; Minimizao do nmero de consumidores afetados por

    descontinuidade de servio; etc.

    4.3.3 Equipamentos de uma Subestao

    So vrios os equipamentos existentes em uma SE, tais como: Barramentos Linhas e alimentadores Equipamentos de disjuno: disjuntores, religadores, chaves. Equipamentos de transformao: transformadores de potncia,

    transformadores de instrumentos transformador de potencial e de corrente, e transformador de servio.

    Equipamentos de proteo: rels (primrio, retaguarda e auxiliar), fusveis, pra-raios e malha de terra.

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    Equipamentos de compensao: reatores, capacitores, compensadores sncronos, compensadores estticos.

    Em uma subestao cada equipamento identificado por um cdigo que identifica o tipo de equipamento, faixa de tenso, e a posio dentro da subestao. A nomenclatura mais usual utilizada nos diagramas unifilares, em geral constituda de quatro dgitos XYZW. O primeiro dgito X indica o tipo de equipamento como descrito na Tabela 4.2.

    Tabela 4.2 Cdigo para Tipo de Equipamento Cdigo Equipamento

    0 Equipamento no interruptor (trafo, reator, linha, gerador, etc.)

    1 Disjuntor 2 Religador 3 Chave seccionadora 4 Chave fusvel 5 Chave a leo 6 Chave de aterramento rpido 7 Pra-raio 8 Transformador de potencial (TP) 9 Transformador de corrente (TC)

    Segundo dgito Y, apresentado na Tabela 4.3, define a tenso de operao do equipamento, sendo que no caso de transformadores ser considerada a maior tenso de operao. Abaixo as faixas mais usuais e as cores utilizadas nos diagramas unifilares.

    Tabela 4.3 Cdigo de Tenso de Operao do Equipamento. Cdigo Faixa de Tenso Cor

    1 1kV a 25 kV (13,8 kV) Laranja 2 51 kV a 75 kV (69 kV) Verde 3 76 kV a 150 kV (138 kV) Preto 4 151 kV a 250 kV (230 kV) Azul 5 251 kV a 550 kV (500 kV) Vermelho

    O terceiro dgito Z, Tabela 4.4, indica o tipo de equipamento, enquanto o quarto dgito W indica a seqncia ou posio do equipamento.

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    Tabela 4.4 Cdigo da Funo ou Nome do Equipamento Cdigo Equipamento Seqncia A Transformador de aterramento A1 a A9 B Barramento B1 a B9 D Equipamento de transferncia D1 a D9 E Reator E1 a E9 G Gerador G1 a G9 K Compensador Sncrono K1 a K9 H Banco de Capacitor H1 a H9 PO Pra-raios PO-1 a PO-9 R Regulador de tenso R1 a R9 T Transformador de fora T1 a T5 T Transformador de servio auxiliar T6 a T9 X Conjunto de medio X1 a X9 U Transformador de potencial U1 a U9 Z Transformador de corrente Z1 a Z9 W Resistor de aterramento W1 a W9

    As letras (C, F, I, J, L, M, N, P, S, V e Y) so utilizadas para nomear linhas de transmisso ou de distribuio, guardando, quando possvel associao ao nome da instalao. O quinto caractere um trao de unio (-). Quando existirem dois equipamentos similares na mesma tenso de operao conectados a um terceiro equipamento estes sero identificados atravs do 6 caractere. A Figura 4.11 apresenta parte do diagrama unifilar da SE Luiz Gonzaga, pertencente Chesf, para exemplificao do uso de cdigos de equipamentos (ver diagrama unifilar da SE ULG).

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    Figura 4.11 Cdigo de equipamento em diagrama unifilar.

    Tabela 4.5 Cdigo de equipamento para o diagrama unifilar da Figura 4.11.

    Cdigo Descrio 01G1 0: Gerador 1: 16kV G1: posio do

    gerador 1

    11G1 1: Disjuntor 1: 16kV G1: disjuntor na posio G1

    31G1 3: Chave seccionadora

    1: 16kV G1: chave na posio G1

    71T1-A 7: Pra-raio 1: 16kV T1: pra-raio na posio T1

    A: enrolamento de T1

    01T1 0: Transformador 1: 16kV T1: posio do transformador 1

    05B2 0: Barramento 5: 500kV B2: barra 2 35T1-7C 3: Chave

    seccionadora 5: 500kV T1: chave do

    trafo de fora 7: chave de aterramento C: posio da chave no enrolamento C do trafo

    85T1 8: Transformador de corrente

    5: 500kV T1: disjuntor na posio do transformador 1

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    Obs.: no caso dos geradores, o valor da tenso de gerao especificado no diagrama unifilar.

    As subestaes (SE) so compostas por conjuntos de elementos, com funes especficas no sistema eltrico, denominados vos (bays) que permitem a composio da subestao em mdulos.

    As SE distribuidoras, usualmente, so compostas pelos seguintes vos: entrada de linha (EL); sada de linha (SL); barramentos de alta e mdia tenso (B2 e B1); vo de transformao (TR); banco de capacitor ou vo de regulao (BC) e sada de alimentador (AL).

    Cada vo da subestao deve possuir dispositivos de proteo (rels) e equipamento de disjuno com a finalidade de limitar os impactos proporcionados por ocorrncias no sistema eltrico tais como: descargas atmosfricas, coliso, falhas de equipamentos, curtos-circuitos, etc.

    Figura 4.12 Diagrama Simplificado de uma Subestao Tpica de Distribuio.

    Em uma subestao os servios auxiliares so de grande importncia para a operao adequada e contnua da SE. Os servios auxiliares so do tipo:

    D

    D

    Rb

    D

    Ral

    D

    Ral

    D

    Ral

    D

    Ral

    Transformador 69/13,8kV

    D

    Rsl

    D

    Rel

    SL EL

    TR

    AL

    BC

    B2

    B1

    D

    Rtr

    Rtr

    Rd

    LEGENDA: LT Linha de Transmisso EL Vo de entrada de linha SL Vo de sada de linha B1 Barramento mdia tenso B2 Barramento alta tenso TR Vo de transformador BC Vo de regulao AL Vo de alimentao D Disjuntor Rd Rel diferencial

    Barramento 69 kV

    Barramento 13,8 kV

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    Servios Auxiliares de Corrente Alternada Fonte: Transformador de Servios Auxiliares - 13.800/380-220 V Carga:

    Casa de Comando Iluminao/Tomada do Ptio Retificador, etc.

    Servios Auxiliares de Corrente Contnua Fonte: Retificador/Carregador e Banco de Bateria - 125 Vcc. Cargas:

    Componentes do Sistema Digital (rels, etc.) Funcionais dos equipamentos; Motores dos equipamentos. Iluminao de emergncia

    Como regra geral, as funes em uma subestao so:

    Monitorao de "status" de equipamentos. Medio. Proteo de linha, transformadores, barra, reator, perda de

    sincronismo etc. Superviso das protees. Religamento automtico. Localizao de falha na linha. Telecomandos. Proteo de falha de disjuntor. Intertravamentos. Monitorao de sobrecarga em transformadores. Controle de tenso. Fluxo de reativos. Corte seletivo de cargas. Sincronizao. Alarmes em geral. Registro de seqncia de eventos. Oscilografia. Interface humana. Impresso de relatrios. Interface com os Centros de Operao de Sistema. Autodiagnose.

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    4.3.3.1 Barramentos Os barramentos so condutores reforados, geralmente slidos e de impedncia desprezvel, que servem como centros comuns de coleta e redistribuio de corrente. No desenvolvimento do projeto de uma subestao, devem ser considerados requisitos como disponibilidade, manutenibilidade, flexibilidade operacional do sistema e custo, que de acordo com o grau de complexidade requerido, existem inmeras topologias de subestao que podem ser adotadas. A denominao arranjo ou topologia de uma SE usada para as formas de se conectarem entre si as linhas, transformadores e cargas de uma subestao. A seguir sero apresentados os arranjos mais comuns para as SE:

    Barramento simples Duplo barramento simples Barramento simples seccionado Barramento principal e de transferncia Barramento duplo com um disjuntor Barramento duplo com disjuntor duplo Barramento duplo de disjuntor e meio Barramento em anel

    A) Barramento Simples

    a configurao mais simples, mais fcil de operar e menos onerosa, com um nico disjuntor manobrando um nico circuito. Todos os circuitos se conectam a uma mesma barra. Pode ser tambm a configurao de menor confiabilidade, uma vez que uma falha no barramento provocar a paralisao completa da subestao. A designao de singelo se d alm de uma nica barra, um nico disjuntor para cada circuito, i.., disjuntor singelo.

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    Figura 4.13 Arranjo de Barramento Singelo. Caractersticas:

    Mais simples, mais econmico, e menos seguro; A subestao possui uma s barra de AT e/ou BT; Utilizado em SEs de pequena potncia; Todos os circuitos conectam-se a uma nica barra com um

    disjuntor para cada circuito; Recomendvel apenas para o caso de se admitir cortes de

    fornecimento.

    Vantagens:

    Instalaes simples; Manobras simples, normalmente ligar e desligar circuitos

    alimentadores; Custo reduzido.

    Disjuntor de Linha

    Chave Seccionadora

    Chave de Aterramento

    Linha

    Alimentadores

    Barramento

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    Desvantagens:

    Baixa confiabilidade; Falha ou manuteno no barramento resulta no desligamento da

    subestao; Falha ou manuteno nos dispositivos do sistema requerem a

    desenergizao das linhas ligadas a ele; A ampliao do barramento no pode ser realizada sem a

    completa desenergizao da subestao; Pode ser usado apenas quando cargas podem ser interrompidas

    ou se tem outras fontes durante uma interrupo; A manuteno de disjuntor de alimentadores interrompe

    totalmente o fornecimento de energia para os consumidores correspondentes.

    B) Duplo Barramento Simples

    indicado para instalaes consumidoras com grupos de carga essenciais e no prioritrias. O intertravamento entre os disjuntores da fonte de emergncia e da barra de cargas prioritrias previne a alimentao simultnea das cargas prioritrias pela fonte de emergncia e concessionria.

    Caractersticas:

    Indicado para instalaes consumidoras que requerem alta confiabilidade para cargas essenciais;

    Aceitam desligamentos rotineiros para cargas no essenciais; Encontradas nas subestaes consumidoras do tipo hospital, hotel

    e muitos tipos de indstria.

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    Figura 4.14 Arranjo de Duplo Barramento Simples.

    Vantagens:

    Flexibilidade de conexo de circuitos para a outra barra; Qualquer disjuntor pode ser retirado de servio para

    manuteno; Fcil recomposio.

    Desvantagem:

    Custo mais elevado; Falha no disjuntor de linha ou no barramento a ele ligado implica

    em perda das cargas no prioritrias devido presena de disjuntor de intertravamento.

    C) Barramento Simples Seccionado

    O arranjo de barramento simples com disjuntor de juno ou barra seccionada consiste essencialmente em seccionar o barramento para evitar que uma falha provoque a sua completa paralisao, de forma a isolar apenas o elemento com falha da subestao.

    Quando o disjuntor de seccionamento est fechado a SE opera com transformadores em paralelo alimentando uma nica barra. O arranjo da SE pode prover intertravamento entre os disjuntores de linha de modo que previna o disjuntor de barra ser fechado quando ambos disjuntores de linha esto fechados. Neste caso, quando um

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    transformador est fora de servio, com o fechamento do disjuntor de barra o arranjo torna-se de barra simples suprida pelo transformador so e uma lgica de gerenciamento da carga deve ser provida com desligamento de cargas no prioritrias.

    Figura 4.15 Configurao Barra Simples com Disjuntor de Interligao.

    Caractersticas:

    Presena de um disjuntor de barra; Flexibilidade para manobras no ato da manuteno; Este arranjo indicado para funcionar com duas ou mais fontes

    de energia.

    Vantagens:

    Maior continuidade no fornecimento; Maior facilidade de execuo dos servios de manuteno; Em caso de falha na barra, somente so desligados os

    consumidores ligados seo afetada.

    Desvantagens:

    A manuteno de um disjuntor deixa fora de servio a linha correspondente;

    Esquema de proteo mais complexo.

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    D) Barramento Principal e de Transferncia

    O barramento principal da subestao ligado a um barramento auxiliar atravs de um disjuntor de transferncia. A finalidade do disjuntor de transferncia garantir a proteo de um vo (entrada de linha ou sada de linha) quando o equipamento de disjuno principal (disjuntor ou religador) associado a este vo retirado de servio para manuteno.

    Figura 4.16 Configurao Barra Principal (P) e de Transferncia (T).

    Em condies normais de funcionamento, o vo de entrada de linha supre a barra principal atravs do disjuntor principal e das chaves seccionadoras associadas a este disjuntor, que se encontram normalmente fechadas. Existe mais uma chave associada ao disjuntor de entrada de linha que a de by-pass que se encontra normalmente aberta.

    Em uma situao de emergncia, em que o disjuntor principal retirado de servio para manuteno, a entrada de linha conectada barra auxiliar atravs do fechamento da chave seccionadora de by-pass e do disjuntor de transferncia, aps uma seqncia de chaveamento pr-estabelecida pelo rgo de operao do sistema eltrico, assim o disjuntor de transferncia substitui o disjuntor principal.

    A transferncia da proteo do disjuntor principal do vo para o disjuntor de transferncia pode ser realizada atravs de uma funo da transferncia da proteo (funo 43) ou atravs de mudana no ajuste do rel associado ao disjuntor de transferncia.

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    A funo de transferncia da proteo, genericamente denominada funo 43, pode assumir um dos seguintes estados: Normal (N), Em Transferncia (ET) e Transferido (T). Se o comando de abertura enviado pelo rel encontra a funo 43 no estado N, o rel atua diretamente sobre o disjuntor principal. Caso a funo 43 esteja na posio ET, o sinal de abertura enviado para o disjuntor principal e para o disjuntor de transferncia, e quando a funo 43 est na posio T, o sinal enviado comanda a abertura somente do disjuntor de transferncia.

    O rel multifuno de entrada de linha quando sente uma falta e esta atinge o valor de atuao da proteo (corrente de pick-up), envia um sinal de abertura (trip) para o disjuntor associado (disjuntor principal e/ou disjuntor de transferncia), de acordo com a posio da funo de transferncia da proteo, Normal, Em Transferncia e Transferido.

    Vantagens:

    Qualquer disjuntor pode ser retirado de servio para manuteno.

    Desvantagens:

    Requer um disjuntor extra para conexo com a outra barra. Falha no barramento principal resulta no desligamento da

    subestao. As manobras so relativamente complicadas quando se deseja

    colocar um disjuntor em manuteno.

    E) Barramento Duplo com um Disjuntor

    Arranjo para instalaes de grande porte e importncia. A manuteno feita sem a perda dos circuitos de linha de sada. Cada linha pode ser conectada a qualquer barra.

    Normalmente o disjuntor entre barras fechado mantendo a barra 2 com tenso ("quente") e com carga divididas entre as barras.

    Em caso de falta na barra 1, os disjuntores de linha de entrada abrem isolando a falta. O disjuntor de interligao de barras ento aberto e as chaves comandadas adequadamente de modo a transferir suprimento e carga para a barra 2. Se a falta ocorre na barra 2, o disjuntor de interligao de barras abre isolando a falta.

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    Figura 4.17 Barramento Duplo com um Disjuntor de Interligao de Barramento.

    Vantagens:

    Permite alguma flexibilidade com ambas as barras em operao. Qualquer uma das barras poder ser isolada para manuteno. Facilidade de transferncia dos circuitos de uma barra para a outra

    com o uso de um nico disjuntor de transferncia e manobras com chaves.

    Desvantagens:

    Requer um disjuntor extra de transferncia para conexo com a outra barra;

    So necessrias quatro chaves por circuito; Falha no disjuntor de transferncia pode colocar a subestao fora

    de servio.

    F) Barramento Duplo com Disjuntor Duplo

    Cada circuito protegido por dois disjuntores separados. Isto significa que a operao de qualquer disjuntor no afetar mais de um circuito.

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    4-23

    Figura 4.18 Configurao de Barramento Duplo Dupla Proteo.

    Este tipo de arranjo tem um alto nvel de confiabilidade, mas mais caro sua construo. A SE suprida por linhas de subtransmisso que alimentam a SE atravs de transformador com disjuntor de alta tenso. H duas barras nesse arranjo de SE. O alimentador pode ser suprido por qualquer uma das barras. A barra principal energizada durante operao normal e a barra de reserva usada durante situaes de manuteno e emergncia. Se uma falta ocorre na barra principal, o disjuntor do lado de baixa tenso do transformador operar desenergizando a barra. O disjuntor normalmente fechado do alimentador primrio ligado barra principal ento manualmente aberto pela equipe de campo. Subsequentemente o suprimento transferido para a barra reserva pelo fechamento do disjuntor alternativo do lado de baixa tenso do transformador e o correspondente disjuntor do alimentador primrio. O servio interrompido durante o tempo em que realizada a manobra manual.

    Caractersticas:

    Aplica-se em instalaes de grande potncia; Continuidade de fornecimento; Utilizado em subestaes de EHV (extra-alta tenso).

    4 Barramento

    5 Barramento

    Alimentador

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    4-24

    Vantagens:

    Arranjo mais completo; Muito mais flexvel; Maior confiabilidade; Qualquer uma das barras pode ser retirada de servio a

    qualquer tempo para manuteno sem retirada de circuitos de servio.

    Desvantagem:

    Alto custo. G) Barramento de Disjuntor e Meio

    Para subestao de transmisso, a configurao disjuntor e meio a soluo tradicional utilizada na maioria dos pases. No arranjo em disjuntor e meio so trs disjuntores em srie ligando uma barra dupla, sendo que cada dois circuitos so ligados de um lado e outro do disjuntor central de um grupo. Trs disjuntores protegem dois circuitos (isto , existem 1 disjuntores por circuito) em uma configurao com dois barramentos. Neste caso, como existem duas barras, a ocorrncia de uma falha em uma delas no provocar o desligamento de equipamento, mas apenas retirar de operao a barra defeituosa.

    Figura 4.19 Configurao Disjuntor e Meio.

    A vantagem deste esquema que qualquer disjuntor ou qualquer uma das duas barras pode ser colocado fora de operao sem interrupo do fornecimento. Para uma melhor compreenso da configurao de disjuntor e meio, imagine um circuito de entrada e um circuito de sada em que duas barras esto presentes, semelhana da configurao anterior barramento duplo. A fim de garantir uma confiabilidade maior para o sistema, seriam necessrios quatro disjuntores para dois

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    4-25

    circuitos com duas barras quando a configurao disjuntor e no for adotada.

    Caractersticas:

    Equivalente ao barramento duplo anterior, mas com uma importante simplificao;

    Utilizao de um disjuntor e meio para cada entrada e sada, ao contrrio de dois disjuntores por circuito no arranjo anterior;

    Mais econmico e tem praticamente a mesma confiabilidade; mais utilizado no Brasil nos sistemas de 500 kV e 765 kV.

    Vantagens

    Maior flexibilidade de manobra; Rpida recomposio; Falha em um dos barramentos no retira os circuitos de servio.

    Desvantagens:

    Demasiado nmero de operaes envolvidas no ato de chaveamento e religamento dos equipamentos evolvidos.

    Os dois ltimos esquemas so mais confiveis por envolverem dois barramentos separados, em contrapartida aos custos envolvidos.

    H) Barramento em Anel

    Barramento que forma um circuito fechado por meio de dispositivos de manobras. Este esquema tambm seciona o barramento, com menos um disjuntor, se comparada com a configurao de barramento simples seccionado. O custo aproximadamente o mesmo que a de barramento simples e mais confivel, embora sua operao seja mais complicada. Cada equipamento (linha, alimentador, transformador) alimentado por dois disjuntores separados. Em caso de falha, somente o segmento em que a falha ocorre ficara isolado. A desvantagem que se um disjuntor estiver desligado para fins de manuteno, o anel estar aberto, e o restante do barramento e os disjuntores alternativos devero ser projetados para transportar toda a carga. Cada circuito de sada tem dois caminhos de alimentao, o tornado mais flexvel.

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    4-26

    Figura 4.20 Configurao de Barramento em Anel.

    Vantagens:

    Flexibilidade na manuteno dos disjuntores, podendo qualquer disjuntor ser removido para manuteno sem interrupo da carga;

    Necessita apenas um disjuntor por circuito; No utiliza conceito de barra principal; Grande confiabilidade.

    Desvantagens:

    Se uma falta ocorre durante a manuteno de um disjuntor o anel pode ser separado em duas sees;

    Religamento automtico e circuitos de proteo so relativamente complexos.

    Tabela 4.6 Sumrio de Caractersticas de Arranjos de Barras.

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    4-27

    4.3.3.2 Disjuntor Dispositivo de manobra e proteo que permite a abertura ou fechamento de circuitos de potncia em quaisquer condies de operao, normal e anormal, manual ou automtica. Os equipamentos de manobra so dimensionados para suportar correntes de carga e de curto-circuito nominais. Valores de Placa: Tenso nominal Freqncia nominal Corrente nominal Capacidade de interrupo em curto-circuito simtrico Tempo de interrupo em ciclos: 3-8 ciclos em 60 Hz A corrente de disparo (Id>1,25Inom). A corrente de disparo Id deve ser menor que a capacidade de conduo de corrente dos condutores do circuito (funo do condutor). A Figura 4.21 ilustra o circuito de acionamento de um disjuntor. O rel detecta a condio de anormalidade, usando para tanto os transformadores de instrumentos. Na Figura 4.21 o rel ligado ao secundrio de um TC. O primrio do TC conduz a corrente de linha da fase protegida. Quando a corrente de linha excede um valor pr-ajustado os contatos do rel so fechados. Neste instante a bobina de abertura do disjuntor (tripping coil), alimentada por uma fonte auxiliar, energizada abrindo os contatos principais do disjuntor.

    Figura 4.21 Circuito de Acionamento de um Disjuntor.

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    4-28

    Durante a abertura dos contatos principais do disjuntor so necessrios uma rpida desionizao e resfriamento do arco eltrico. Para que a interrupo da corrente seja bem sucedida necessrio que o meio extintor retire mais energia do arco eltrico estabelecido entre os contatos que a energia nele (arco) dissipada pela corrente normal ou de curto-circuito. Para que a corrente seja interrompida com sucesso necessrio que a tenso suportvel do dieltrico ao longo do tempo seja maior que a tenso de restabelecimento que ocorre nos terminais do dispositivo de interrupo.

    A tenso que cresce atravs dos contatos em separao denominada de tenso de restabelecimento (Recovery Voltage). Quando o restabelecimento do dieltrico crescer mais rapidamente do que a tenso de restabelecimento do sistema, o arco extinguir na prxima passagem por zero da corrente, e o circuito ser aberto com sucesso. Caso contrrio, a corrente ser re-estabelecida atravs de um arco entre os contatos.

    Para o circuito da Figura 4.22, predominantemente capacitivo (condio de abertura de disjuntor de linha longa a vazio), a corrente estar adiantada de 90o em relao tenso da fonte VG.

    Figura 4.22 Tenso de restabelecimento nos contatos do disjuntor.

    4321 5

    Tenso nos Contatos do Disjuntor

    VCH1=-VG-(-Vcap)=0 VCH2= 0- (-Vcap) =Vmax VCH3=VG-(Vcap) =2Vmax VCH4=0- (-Vcap) = Vmax VCH5=-VG-(-Vcap)=0

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    4-29

    O disjuntor interrompe a corrente no valor zero, quando as tenses VG e VC se encontram em um valor mximo negativo. O capacitor, isolado da fonte, retm sua carga, isto , sua tenso permanece constante em -1,0 p.u. durante algum tempo aps a interrupo. Os contatos levam em mdia 3 ciclos para abrir totalmente. Durante o processo de abertura a recuperao dieltrica do meio deve ser mais rpida que a elevao de tenso para que no haja reincio de circulao de corrente.

    Os disjuntores so classificados e denominados segundo a tecnologia empregada para a extino do arco eltrico. Os tipos comuns de disjuntores so:

    A) Disjuntores a sopro magntico Usados em mdia tenso at 24 kV, principalmente montados

    em cubculos. B) Disjuntores a leo

    Possuem cmaras de extino onde se fora o fluxo de leo sobre o arco;

    Os disjuntores a grande volume de leo (GVO) so empregados em mdia e alta tenso at 230 kV;

    Os disjuntores GVO tm grande capacidade de ruptura em curto-circuito;

    Os disjuntores a pequeno volume de leo (PVO) cobrem em mdia tenso praticamente toda a gama de capacidade de ruptura de at 63 kA.

    C) Disjuntores a vcuo

    Ausncia de meio extintor gasoso ou lquido; O vcuo apresenta excelentes propriedades dieltricas, portanto

    a extino do arco ser de forma mais rpida; A eroso de contato mnima devido curta durao do arco; Podem fazer religamentos automticos mltiplos; Grande relao de capacidade de ruptura / volume tornando-os

    apropriados para uso em cubculos.

    D) Disjuntores a ar comprimido

    As suas caractersticas de rapidez de operao (abertura e fecho) aliadas s boas propriedades extintoras e isolantes do ar comprimido, bem como a segurana de um meio extintor no

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    4-30

    inflamvel, quando comparado ao leo, garantem uma posio de destaque a estes disjuntores nos nveis de alta tenso.

    Tm como desvantagem o alto custo do sistema de gerao de ar comprimido e uso de silenciadores quando instalados prximos a residncias.

    E) Disjuntores a SF6 (Hexafluoreto de enxofre) SF6 um gs incolor, inodoro, no inflamvel, estvel e inerte

    at cerca de 5000oC comportando-se como um gs nobre. Durante o movimento de abertura forma-se um arco eltrico que

    deve ser extinto atravs de sopro do gs. A fora de separao dos contatos simultaneamente aciona o pisto que produz o sopro sobre o arco.

    Figura 4.23 Disjuntor a Gs SF6.

    4.3.3.3 Religador

    um dispositivo interruptor auto-controlado com capacidade para: Detectar condies de sobrecorrente; Interromper o circuito se a sobrecorrente persiste por um tempo

    pr-especificado, segundo a curva t x I; Automaticamente religar para re-energizar a linha; Bloquear depois de completada a seqncia de operao para o

    qual foi programado.

    Como o nome sugere um religador automaticamente religa aps a abertura, restaurando a continuidade do circuito mediante faltas de natureza temporria ou interrompendo o circuito mediante falta permanente.

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    4-31

    A Tabela 4.7 apresenta dados estatsticos de um sistema de distribuio para os tipos de faltas e a composio das mesmas.

    Tabela 4.7 Estatstica para os Tipos de Faltas e suas Composies. Tipo % de

    Ocorrncia Permanentes

    (%) Transitrias

    (%) Trifsicas 02 95 05 Bifsicas 11 70 30 Fase-terra 79 20 80 Outros 08 - -

    O princpio de funcionamento de um religador pode ser descrito como:

    Opera quando detecta correntes de curto-circuito, desligando e religando automaticamente os circuitos um nmero pr-determinado de vezes.

    A falta eliminada em tempo definido pela curva de operao do rel, instantnea ou temporizada.

    Os contatos so mantidos abertos durante determinado tempo, chamado tempo de religamento, aps o qual se fecham automaticamente para re-energizao da linha. Na operao instantnea (fast tripping) em geral no h contagem de tempo para fechamento dos contatos do rel (fast reclosing) - tempo tpico de 12 a 30 ciclos, tempo mnimo de 3 a 6 ciclos. Muitos relgios digitais so capazes de suportar interrupes de durao de at 30 ciclos. A operao instantnea visa economizar a queima de fusveis.

    Se, com o fechamento dos contatos, a corrente de falta persistir, a seqncia abertura/fechamento repetida at trs vezes consecutivas e, aps a quarta abertura, os contatos ficam abertos e travados ou bloqueados.

    O novo fechamento s poder ser manual. A prtica comum de uso de religadores automticos pelas concessionrias de energia eltrica tem reduzido a durao das interrupes de patamares de 1h para menos de 1 min, acarretando em benefcios para as concessionrias quanto aos valores de seus indicadores de continuidade.

    Os religadores podem ser instalados quer em subestaes de distribuio ou em circuitos de distribuio, basicamente em circuitos radiais.

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    4-32

    Normalmente os religadores so projetados para ter uma seqncia de religamento de no mnimo uma at quatro operaes e ao fim da seqncia completa a abertura final bloquear a seqncia.

    Se ajustado para quatro operaes, com seqncia tpica de quatro disparos e trs religamentos, a seqncia de operao pode ser:

    Uma rpida ou instantnea (1I) e trs retardadas ou temporizadas (3T);

    Duas rpidas (2I) e duas retardadas (2T); Trs rpidas (3I) e uma retardada (1T); Todas rpidas (4I); Todas retardadas (4T);

    Figura 4.24 Seqncia de Operao do Religador Automtico.

    possvel ser ajustado no rel de proteo qual funo ser a responsvel pela ativao dos ciclos de religamento. Ou seja, possvel definir, por exemplo, que o primeiro ciclo de religamento ser ativado pela unidade de sobrecorrente instantnea de fase e que os demais ciclos sero ativados pela unidade de sobrecorrente temporizada de fase. Analogamente o mesmo comentrio pode ser estendido s unidades de neutro, ou de terra de alta sensibilidade.

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    4-33

    Figura 4.25 Seqncia de Operao de Religador.

    Observe que a operao rpida (ou instantnea) e retardada refere-se ao tempo em que os contatos permanecem fechados.

    Operao Instantnea A falta eliminada em tempo definido pela curva tempo x

    corrente de operao instantnea. O tempo de religamento ou tempo morto o menor possvel,

    com durao tpica de 18 a 30 ciclos no h contagem de tempo para o fechamento dos contatos.

    Elimina a falta antes que qualquer fusvel a jusante tenha a chance de operar.

    Operao Temporizada Elimina a falta em tempo definido pela curva corrente x tempo

    de operao temporizada. Oferece tempo para atuao do fusvel isolando a seo em

    falta contatos fechados.

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    4-34

    Figura 4.26 Curvas Caractersticas de Religador: tempos dependentes.

    Em uma seqncia de operao real tem-se:

    Figura 4.27 Seqncia de Religamento com Bloqueio.

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    4-35

    O intervalo tpico de ajuste para o tempo de religamento (R) est entre 0,1s e 300 s1. O tempo de religamento permite a regenerao do meio dieltrico para extino do arco eltrico no decorrer do ciclo de operao do religador. A Figura 4.28 apresenta um ciclo de operao com 4 tentativas e intervalos de 5s, 15s e 30s entre religamentos.

    Figura 4.28 Diagrama Unifilar de um Sistema de Distribuio

    Filosofia de Proteo. Um arranjo comumente adotado pelas concessionrias de distribuio de energia eltrica para alimentadores primrios consiste na alocao de religadores automticos no alimentador principal e de fusveis de expulso de ao retardada nos ramos laterais.

    Uma falta temporria quer no alimentador principal quer no ramal ser eliminada pelo religador, e o suprimento ser automaticamente restaurado.

    Uma falta permanente no ramal ser eliminada pelo fusvel de expulso.

    Uma falta permanente no alimentador principal ser eliminada pelo religador pela ao de bloqueio.

    1 Schneider Electric Industries SAS. Sepam Series 40 Merlin Gerin Installation and Users manual Ref PCRED 301006EN/2 ART. 08556, Grenoble, Frana, 2003.

    tempo morto

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    4-36

    Figura 4.29 Diagrama Unifilar de Alimentador.

    4.3.3.4 Fusveis

    O mais bsico elemento de proteo de sobrecorrente um fusvel. Os fusveis so relativamente baratos e isentos de manuteno. Por estas razes, eles so largamente usados por muitas concessionrias de distribuio para proteger transformadores e ramais de alimentadores laterais.

    A funo principal dos fusveis operar mediante faltas permanentes e isolar (seccionar) a seo faltosa da poro sem defeito. Os fusveis so posicionados de modo que a menor seo do alimentador separada.

    Consiste em filamento ou lmina de um metal ou liga metlica de baixo ponto de fuso, intercalado em um ponto determinado do circuito. E este se funde por efeito Joule quando a intensidade de corrente eltrica aumenta em razo de um curto-circuito ou sobrecarga.

    As principais caractersticas dos fusveis so: o Corrente nominal - corrente que o fusvel suporta continuamente

    sem interromper. Esse valor marcado no corpo do fusvel. o Corrente de curto circuito - corrente mxima que deve circular no

    circuito e que deve ser interrompida instantaneamente. o Capacidade de ruptura (kA) - valor de corrente que o fusvel

    capaz de interromper com segurana. No depende da tenso nominal da instalao.

    o Tenso nominal - tenso para a qual o fusvel foi construdo. o Resistncia de contato valor de resistncia entre o contato da

    base e o fusvel. Normalmente, eventuais aquecimentos que podem provocar a queima do fusvel.

    Ramal Defeituoso

    Alimentador Principal

    Ramal

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    4-37

    Tipos de fusveis:

    Segundo a caracterstica de desligamento: o Efeito rpido - so destinados proteo de circuitos em

    que no ocorre variao considervel de corrente quando do acionamento do circuito. Ex. circuitos puramente resistivos.

    o Efeito retardado - suportam por alguns segundo a elevao do valor da corrente, caso tpico que ocorre na partida de motores em que a corrente de partida pode atingir de 5 a 7 vezes a corrente nominal.

    Segundo a tenso de alimentao: o Baixa tenso o Alta tenso

    Figura 4.30 Fusveis de baixa tenso.

    Segundo a tecnologia de fuso:

    o Fusveis de expulso o Fusveis limitadores de corrente

    A diferena essencial entre as duas tecnologias est na maneira em que o arco eltrico extinto. A maioria dos fusveis usados em sistemas de distribuio do tipo expulso. Os fusveis de expulso so basicamente formados por uma estrutura de suporte, o elo fusvel, e um tubo para confinar o arco eltrico. O elo fusvel diretamente aquecido pela passagem de corrente sendo destrudo quando a corrente excede um valor pr-determinado. O interior do tubo preenchido por uma fibra desionizante. Na presena de uma falta, o elo fusvel funde produzindo um arco eltrico e gases desionizantes. Os gases ao serem expelidos pelos terminais do tubo arrastam e

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    4-38

    expelem as partculas que mantm o arco. Desta forma, o arco extinto no momento em que o zero da corrente alcanado.

    Um fusvel limitador de corrente dissipa a energia no arco em um ambiente fechado, tipicamente fundindo uma areia especial dentro de um tubo isolante. Este processo extingue o arco rapidamente, forando a corrente para zero de forma antecipada em cerca de de ciclo. O tubo construdo de resina composto de fibra de vidro epxi capaz de suportar as presses durante o processo de interrupo sem ruptura do encapsulamento.

    Os fusveis limitadores de corrente so em geral usados em equipamentos eltricos em que a corrente de falta muito alta e uma falta interna resulta em uma sria falha. Como so mais caros que os fusveis de expulso, a aplicao dos fusveis limitadores de corrente em geral limitada a locais em que a corrente de falta excede 2000 a 3000 A.

    Figura 4.31 Fusveis limitadores de corrente para circuitos e transformadores.

    O principal objetivo de fusveis limitadores de corrente prevenir danos devido ao excesso de corrente de falta.

    Os fusveis de sistemas de potncia so montados em chaves com contatos fixos e mveis alm do elo fusvel que protege o circuito contra correntes de faltas.

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    4-39

    Figura 4.32 (a) Chave Fusvel em Circuitos de Distribuio (b) Chave com Fusvel em SE.

    A curva caracterstica inversa de tempo x corrente de um fusvel define o tempo para o fusvel operar para diferentes nveis de corrente de falta. O tempo decresce quando o nvel de corrente aumenta. A curva caracterstica tempo x corrente de um fusvel normalmente dada como uma banda entre duas curvas como mostra a Figura 4.33. A curva mais a esquerda o tempo de fuso mnimo, enquanto que a curva mais a direita representa o tempo de eliminao mximo para diferentes nveis de corrente.

    Figura 4.33 A caracterstica inversa tempo x corrente de um fusvel dita a forma da caracterstica de

    outros dispositivos para coordenao serie de sobrecorrente.

    Os fusveis apresentam vantagem sobre os disjuntores quanto ao custo. Outra vantagem que os fusveis podem interromper com segurana correntes de curto-circuitos mais altas que os disjuntores e

    Isolador

    Conexo da carga

    Conexo da fonte

    Fusvel

    Olhal Fixao

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    4-40

    em menor tempo. Uma desvantagem a necessidade de reposio do fusvel aps isolao da falta.

    4.3.3.5 Chaves Seccionalizadoras

    Os seccionalizadores automticos so dispositivos projetados para operar em conjunto com religadores, ou com disjuntor comandado por rels de sobrecorrente dotados da funo de religamento (funo 79).

    Diferentemente do religador/disjuntor, o seccionalizador automtico no interrompe a corrente de defeito. O seccionalizador automtico abre seus contatos quando o circuito desenergizado pelo religador/disjuntor situado sua retaguarda (montante). O seccionalizador ligado a certa distncia do religador/disjuntor no seu lado de carga. A cada vez que o religador interrompe a corrente de falta, o seccionalizador conta a interrupo e, aps um pr-determinado nmero de interrupes, abre seus contatos antes da abertura definitiva do religador. Desta forma, um trecho sob condies de falta permanente isolado, permanecendo o religador e os demais trechos em operao normal.

    Considere a seguinte situao para o circuito representado na Figura 4.34. Uma falta permanente F ocorre no alimentador principal, na zona de proteo do religador e do seccionalizador. O religador est ajustado para quatro disparos, e o seccionalizador est ajustado para trs contagens.

    Figura 4.34 Seccionalizador Ligado Jusante do Religador.

    O seccionalizador dever isolar a rea defeituosa (toda a rea a sua jusante) logo aps o religador efetuar o terceiro desligamento conforme Figura 4.35.

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    4-41

    Figura 4.35 Princpio de Coordenao Religador x Seccionador.

    importante observar que na abertura do seccionalizador (aps a terceira contagem), o circuito est desenergizado pelo religador dispensando dotar o seccionalizador de capacidade de interrupo de corrente de curto-circuito, o que o torna mais barato do que um religador ou disjuntor.

    4.3.3.6 Chaves Eltricas

    As chaves eltricas so dispositivos de manobra, destinadas a estabelecer ou interromper a corrente em um circuito eltrico. So dotadas de contatos mveis e contatos fixos e podem ou no ser comandadas com carga.

    As chaves para operao sem carga so denominadas de chaves a seco e embora no interrompem correntes de carga, as chaves a seco podem interromper correntes de excitao de transformadores (a vazio) e pequenas correntes capacitivas de linhas sem carga.

    Figura 4.36 Chave Seccionadora Unipolar de SE com Acionamento por Vara de Manobra.

    As chaves seccionadoras so normalmente fornecidas para comando por basto de manobra. As chaves podem ser comandadas remotamente e acionadas a motor.

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    4-42

    Figura 4.37 Arco Eltrico durante Abertura sem Carga de Chave Seccionadora

    na SE Luiz Gonzaga (500 kV). A presena de arco eltrico durante a abertura da chave seccionadora na subestao Luiz Gonzaga da CHESF decorrente do efeito de induo presente na subestao.

    4.3.3.7 Chaves de Aterramento

    So chaves de segurana que garantem que uma linha seja aterrada durante operao de manuteno na linha. As chaves de aterramento so operadas (abrir e fechar) somente quando a linha est desenergizada e utilizada para que se evitem energizaes indesejadas do bay, localizado no extremo oposto, como tambm para eliminao das indues devido proximidade de linhas ou em funo de sobretenses de origem atmosfricas, as quais podem assumir valores perigosos.

    4.3.3.8 Pra-Raios

    So em geral localizados nas entradas de linha, sadas de linhas e na extremidade de algumas barras de mdia tenso de subestaes para proteo contra sobretenses promovidas por chaveamentos e descargas atmosfricas no sistema. Os pra-raios so tambm localizados nos transformadores de distribuio.

    Pra-raios e supressores de surtos de tenso so ambos dispositivos para proteo de equipamentos contra sobretenses transitrias. Os supressores de surtos (TVSS Transient Voltage Surge Suppressors)

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    4-43

    so em geral dispositivos usados na carga. Um pra-raio em geral tem maior capacidade de energia.

    Originalmente, os pra-raios eram constitudos apenas de espaamentos (gaps) preenchidos por ar ou um gs especial. Mediante um transitrio de tenso a isolao do meio rompida e corrente flui atravs dos gaps estabelecendo uma condio de falta com tenso prxima a zero por um intervalo de tempo de no mnimo ciclo. Posteriormente resistores no lineares de SiC (silicon carbide) foram introduzidos em srie aos espaamentos dos pra-raios como elementos dissipadores de energia. Os resistores no-lineares diminuem rapidamente sua impedncia com o aumento da tenso. O uso de resistores no-lineares melhorou o desempenho dos pra-raios limitando a tenso, i.e., evitando que casse prximo a zero. O desenvolvimento da tecnologia MOV (Metal Oxide Varistor) permitiu melhorar as caractersticas da descarga sem o desenvolvimento de transitrios impulsivos que levava falha de isolao dos equipamentos. A vantagem dos MOV sobre os dispositivos baseados em gaps que a tenso no reduzida abaixo do nvel de conduo quando se inicia a conduo da corrente de surto.

    Figura 4.38. Pra-raios de Estao Polimrico e de Porcelana.

    4.3.3.9 Cargas

    H diversas abordagens para modelagem das cargas em um sistema de distribuio, que podem ser:

    - Carga de Potncia Constante

    - Carga de Corrente Constante

    - Carga de Impedncia Constante

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    4-44

    A Tabela 4.8 mostra as aproximaes recomendadas para modelagens de carga segundo o tipo de alimentador.

    Tabela 4.8 Modelos de Carga

    4.4 Sistema de Proteo A funo de um esquema de proteo em um sistema eltrico de potncia detectar falta e isolar a rea afetada no menor tempo possvel, de forma confivel e com mnima interrupo possvel.

    Os objetivos de um Sistema de Proteo so: Segurana pessoal; Manter a integridade dos equipamentos; Isolar a parte afetada do restante do sistema; Assegurar a continuidade de fornecimento.

    4.4.1 Requisitos do Sistema de Proteo

    As propriedades que descrevem as caractersticas funcionais de um sistema de proteo so:

    Seletividade Rapidez ou Velocidade Sensibilidade Confiabilidade Custo

    A) Seletividade: a propriedade da proteo em discriminar e

    somente desconectar do sistema a parte atingida pelo defeito. A seletividade a principal condio para assegurar ao consumidor um servio seguro e contnuo por desconectar a menor seo da

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    4-45

    rede necessria para isolar a falta. A seletividade determina a coordenao da proteo.

    Figura 4.39 Esquema de Seletividade da Proteo.

    Premissas da seletividade:

    Solicitao de todas as protees situadas entre a fonte e o ponto de defeito.

    No solicitao das protees que se encontram do ponto de defeito em diante.

    Somente a proteo mais prxima ao ponto de defeito deve atuar:

    o Isolando completamente o componente defeituoso. o Desligando a menor poro do sistema eltrico.

    B) Rapidez e Velocidade - capacidade de resposta do sistema de

    proteo dentro do menor tempo possvel de modo a:

    Minimizar o tempo de durao da falta e conseqente perigo para os equipamentos.

    Assegurar a continuidade do suprimento e a manuteno de condies normais de operao nas partes no afetadas do sistema.

    Auxiliar na manuteno da estabilidade do sistema pela remoo do distrbio antes que este se espalhe e conduza a uma perda de sincronismo e conseqentemente ao colapso do sistema de potncia.

    D6

    SL

    D5

    EL

    D4

    D2

    R4 R2 R1 R3

    D3

    TR

    AL

    BC

    B2

    B1

    F2

    F1

    F4 F3

    F5

    F7 F6

    F1 - R1 deve interromper a falta. F2 - D2 deve interromper a falta. F3 - D3 deve interromper a falta. F4 - D4 deve interromper a falta. F5 - D5 deve interromper a falta. F6 - D5 deve interromper a falta. F7 - D6 deve interromper a falta.

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    4-46

    Evitar ou diminuir a extenso dos danos no sistema dado que a energia liberada durante uma falta proporcional ao quadrado da corrente e durao da falta (R.I2.t).

    Quanto menor o tempo de permanncia da falta, maior poder ser o carregamento do sistema.

    Figura 4.40 Curva de potncia versus tempo de atuao da proteo. C) Sensibilidade - a capacidade do sistema de proteo de

    identificar uma condio anormal que excede um valor limite ou de pick-up para a qual inicia uma ao de proteo quando as quantidades sentidas excedem o valor limite. A sensibilidade refere-se ao nvel mnimo de operao - corrente, tenso, potncia, etc. - de rels ou de esquemas de proteo. a capacidade de resposta dentro de uma faixa esperada de ajuste, ou seja, a capacidade da proteo responder s anormalidades nas condies de operao, e aos curtos-circuitos para os quais foi projetada.

    ,minSCS

    pick up

    IF

    I = (4.1)

    em que FS Fator de sensibilidade da proteo. Isc,min Valor de corrente de curto-circuito no extremo mais afastado

    da falta. Ipick-up Valor mnimo de corrente especificada no rel, que

    sensibiliza a proteo causando o incio da operao em rels eletrnicos e digitais, ou causando a partida dos contatos mveis em rels eletromecnicos. O valor de pick-up o valor determinado para o rel operar.

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    4-47

    O rel ou esquema de proteo2 considerado sensvel se os parmetros de operao so baixos Fs alto.

    A sensibilidade deve ser tal que a proteo perceba um curto-circuito que ocorra na extremidade do circuito mesmo que o defeito seja de pequena intensidade.

    D) Confiabilidade - probabilidade que a proteo atuar corretamente quando requerida, distinguindo entre situaes de falta e condies normais de operao.

    Confiabilidade: i. a certeza de uma operao correta mediante

    ocorrncia de uma falta - o rel deve operar na presena de falta que est dentro da zona de proteo;

    ii. o grau de certeza de no omisso de disparo. Segurana - o grau de certeza de no haver operao indesejada - o rel no deve operar desnecessariamente para falta fora da zona de proteo ou na ausncia de falta no sistema.

    Segurana a probabilidade de uma funo ser executada quando desejada. O sistema de proteo deve ser seguro, ou seja, em caso de defeito ou condio anormal, a proteo nunca deve falhar ou realizar uma operao falsa.

    A operao incorreta ou intempestiva de um dispositivo pode ser atribuda a:

    Projeto incorreto: i. Do sistema de proteo. ii. Do rel.

    Ajuste incorreto. Testes incorretos. Instalao incorreta. Degradao em servio.

    E) Custo mxima proteo ao menor custo possvel.

    2 Esquema de proteo coleo de equipamentos de proteo incumbidos de uma determinada funo e inclui todos os equipamentos (rels, TCs, TPs, baterias, etc.) necessrios para o funcionamento do esquema de proteo.

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    4-48

    4.4.2 Rels

    Os rels de proteo so dispositivos responsveis pelo gerenciamento e monitoramento das grandezas eltricas em um determinado circuito. Os rels so projetados para sentir perturbaes no sistema eltrico e automaticamente executar aes de controle sobre dispositivos de disjuno a fim de proteger pessoas e equipamentos.

    O sistema de proteo no composto apenas pelo rel, mas por um conjunto de subsistemas integrados que interagem entre si com o objetivo de produzir a melhor atuao sobre o sistema, ou seja, isolar a rea defeituosa sem que esta comprometa o restante do SEP. Estes subsistemas so formados basicamente por rels, disjuntores, transformadores de instrumentao e pelo sistema de suprimento de energia. A Figura 4.41 mostra a associao entre um rel de proteo e os demais componentes do sistema de proteo.

    Figura 4. 41 Equipamentos de um sistema de proteo.

    As principais funes de cada componente supracitado so:

    Rels: responsveis pela lgica de atuao do sistema de proteo, que atravs das condies dos sinais de entrada, sejam tenso e/ou corrente, atuam ou no sobre os disjuntores locais ou remotos associados.

    Disjuntores: interrompem a passagem de corrente e isolam o ramo defeituoso do resto do sistema eltrico. Estes so caracterizados como as chaves de disjuno que interligam todo o sistema.

    Transformadores de instrumentao (transdutores): realizam a reduo dos nveis de tenso e/ou corrente, reproduzem as formas

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    4-49

    de onda presentes no sistema eltrico e isolam os equipamentos a estes conectados, sem que haja perda de informao.

    Baterias (suprimento auxiliar): fornecem energia ao sistema de proteo em caso de falha do sistema supridor, de modo a garantir o funcionamento dos outros subsistemas associados.

    Na realidade, os rels de proteo so considerados os mais importantes componentes do sistema de proteo, uma vez que a deciso lgica sobre a atuao em uma determinada regio feita por estes equipamentos. Por causa dessa importncia para o sistema, os rels devem ser equipamentos extremamente confiveis e robustos, pois suas funes s sero exigidas em condies anormais de operao, no sendo requeridos durante a operao normal do SEP. Contudo, o funcionamento dos rels depende diretamente dos transformadores de instrumentao a estes associados, ou seja, dos sinais fornecidos nos secundrios dos transdutores que so a base de operao dos rels, sejam estes analgicos (TCs e TPs) ou digitais (TCs pticos).

    A funo principal de um rel de proteo enviar um sinal de disparo, atravs de um contato seco (SD), para uma bobina de abertura ou de mnima tenso dos disjuntores associados.

    Figura 4.42 Terminais de Entrada e Sada do Rel.

    Os rels de proteo atuam a partir da comparao dos dados medidos no sistema eltrico com valores pr-ajustados no prprio rel. Os rels recebem sinais de tenso e/ou sinais de corrente atravs de transformadores de instrumentos, TP e TC, respectivamente, compara com valores pr-definidos, e caso identifiquem a existncia de alguma anormalidade, ou seja, as grandezas medidas pelo rel na zona de proteo sob a sua responsabilidade atingir valores acima ou abaixo dos valores pr-

    + -

    125 Vcc

    Rel

    + -

    Bobina de Abertura do Disjuntor

    SD

    125 Vcc

    EA

    EA

    TP

    TC

    FO - Fibra tica

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    4-50

    definidos, os rels enviam comandos de abertura (trip) para o(s) disjuntor(es) e este isola a parte do sistema eltrico sob falta, do restante do sistema. A parte do sistema eltrico a qual o rel dever atuar no sentido de proteg-la conhecida como zona de proteo.

    Figura 4.43 Associao entre Rel e Disjuntor.

    As condies para atuao do rel so: Grandezas medidas ultrapassam os limites pr-definidos para

    partida do rel e, Tempo de durao da falta ultrapassa o valor de tempo pr-

    definido no rel.

    4.4.3 Funes de Proteo Os rels tm as suas funes de proteo identificadas por nmeros, de acordo com a as normas IEEE (Institute of Electrical and Electronics Engineers), ANSI (American National Standards Institute) e IEC (International Electrotechnical Commission). A Tabela 4.9 apresenta alguns dos cdigos de funes de proteo padro praticados pelo IEEE/ANSI.

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    4-51

    Tabela 4.9 Principais Funes de Proteo Aplicadas em SE Distribuidora. Funo Descrio 50 Funo de sobrecorrente instantnea de fase 51 Funo de sobrecorrente temporizada de fase 50N Funo de sobrecorrente instantnea de neutro 51N Funo de sobrecorrente temporizada de neutro 50/51NS Funo de sobrecorrente neutro sensvel3 51BF Funo de falha de disjuntor 46 Funo de seqncia negativa 67 Funo de sobrecorrente direcional de fase 67N Funo de sobrecorrente direcional de neutro 21 Funo de proteo de distncia 27 Funo de subtenso 59 Funo de sobretenso 79 Funo de religamento 50BF Funo de falha do disjuntor 51G Funo de sobrecorrente de terra 87 Funo de diferencial 61 Funo de desequilbrio de corrente 25 Funo de sincronismo 26 Funo temperatura do leo 49 Funo temperatura do enrolamento 63 Funo de presso do gs do transformador de potncia 71 Funo de nvel do leo 98 Funo de oscilografia 43 Funo transferncia da proteo 86 Funo de bloqueio 90 Funo regulao automtica de tenso

    A filosofia geral de aplicao de rels em uma subestao dividir o sistema eltrico em zonas separadas, que podem ser protegidas e desconectadas individualmente na ocorrncia de uma falta, para permitir ao resto do sistema continuar em servio se possvel. A lgica de operao do sistema de proteo divide o sistema de potncia em vrias zonas de proteo, cada uma requerendo seu prprio grupo de rels.

    3 A referncia zero do sistema para linhas de dados e outros sinais em geral representa o neutro sensvel do sistema.

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    4-52

    Figura 4.44. Zonas da Proteo Principal.

    Alguns rels operam somente para faltas dentro de sua zona de proteo principal. Porm, existem rels que so capazes de detectar faltas dentro de uma zona particular e tambm fora dela, usualmente em zonas adjacentes, podendo ser usados como proteo de retaguarda da proteo principal. Um ponto essencial para garantir a confiabilidade do sistema, o sistema de proteo que deve ser capaz de isolar qualquer que seja a falta, mesmo que a proteo principal associada no opere. Portanto, se possvel, todo vo deve ser protegido pelos rels de proteo principal e de retaguarda.

    Zona de Proteo da SL Zona de Proteo da EL

    Zona de Proteo do B2

    Zona de Proteo do TR

    Zona de Proteo da B1

    Zona de Proteo do AL

    Zona de Proteo do BC Falta

    D2

    SL

    D1

    EL

    D3

    D4

    D5 D7 D8 D6

    D9

    TR

    BC

    B2

    B1

    AL3 AL1 AL2 AL4

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    4-53

    Figura 4.45 Zonas de Proteo Principal e de Retaguarda.

    A proteo de retaguarda pode ser local ou remota, e corresponde a um equipamento ou sistema de proteo destinado a operar quando uma falta no sistema eltrico, por qualquer razo, no isolada no devido tempo, pela proteo principal. Para realizar isto, o rel de proteo de retaguarda tem um elemento sensor que pode ser similar ou no ao do sistema de proteo principal, mas que tambm inclui um retardo de tempo que facilita reduzir a velocidade de operao do rel e deste modo permite a proteo principal operar primeiro. Em uma subestao de distribuio as protees normalmente encontradas nos vos so: a) Proteo de Entrada de Linha:

    Sobrecorrente: 50/51, 50/51N, 67, 67N, 27, 59, medio e oscilografia.

    b) Proteo de Sada de Linha:

    Sobrecorrente: 50/51, 50/51N, 46, 67, 67N, 79, 50BF, medio e oscilografia. Distncia: 21, 50/51, 50/51N, 67, 67N, 79, 46, 50BF.

    c) Proteo do Transformador:

    Sobrecorrente - retaguarda: 50/51, 50/51N, 50BF, medio e oscilografia. Diferencial: 87, 50/51, 50/51N, 51G, 50BF, medio e oscilografia.

    AL3 AL1 AL2 AL4

    Zona de Proteo Principal do AL

    D4

    Zona de Proteo de Retaguarda (backup)

    Falta

    D5

    R5

    D6

    R6

    D7

    R7

    D8

    R8

    R4

    TR

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    4-54

    Protees intrnsecas do transformador: 63, 63A, 80, 49, 26, 71. d) Proteo do Barramento de 15 kV:

    Sobrecorrente: 50/51, 50/51N, 50BF, medio e oscilografia. e) Proteo de Alimentadores:

    Sobrecorrente: 50/51, 50/51N, 50/51NS, 46, 27, 79, 50BF, medio e oscilografia.

    f) Proteo de Banco de Capacitores:

    Sobrecorrente + Desequilbrio: 50/51, 50/51N, 50/51NS, 46, 27, 59, 50BF, 61.

    A Tabela 4.10 mostra um resumo dos vos de uma subestao de distribuio tpica e as funes de proteo mnimas associadas a cada vo.

    Tabela 4.10 Funes de Proteo Associadas em Cada vo de uma SE Tpica. Vo Funes de Proteo Mnimas

    Entrada de Linha 50/51, 50/51N, 67/67N, 27, 59 e 50BF Sada de Linha 21, 50/51, 50/51N, 67/67N, 46A, 79 e 50BF Transformador 26, 49, 63, 63A, 71, 80, 50/51, 50/51N e 87 Barra de 15kV 50/51, 50/51N, 50BF Alimentador 50/51, 50/51N, 50/51NS, 46, 46A, 27, 79 e 50BF Uma das principais funes de proteo a funo de sobrecorrente. Segundo a norma IEC 60255-3, 1992 as curvas caractersticas de corrente so do tipo:

    Normal inversa, Muito inversa, Extremamente inversa, Tempo longo inverso e Moderadamente inversa.

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    4-55

    Figura 4.46 Exemplo de aplicao dos elementos de sobrecorrente.

    Legenda: NI - Curva normal inversa MI - Curva muito inversa EI - Curva extremamente inversa TD - Tempo definido Pelas curvas acima, desenhadas em um mesmo grfico, observa-se que no intervalo entre 1,5 M

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    4-56

    Na Tabela 4.11 as variveis Tt refere-se ao tempo para disparar (trip) em segundos, Td o tempo do dial, e M os mltiplos de pickup. As curvas mais utilizadas so as IEC normal inversa, muito inversa e extremamente inversa. Na Figura 4.47 tem-se um exemplo do esquema de proteo das funes de sobrecorrente instantnea e temporizada 50/51, respectivamente, de fase e de neutro da sada de um alimentador radial. Os rels enviam sinal para o disjuntor 52.

    Figura 4.47 Diagrama Unifilar do Esquema de Proteo da Sada de um Alimentador Radial.

    4.4.4 Coordenao de Dispositivos de Proteo de Sobrecorrente A seletividade determina a coordenao da proteo. A coordenao da proteo o relacionamento adequado entre as caractersticas e os tempos de operao dos dispositivos de proteo de um sistema ou parte de um sistema eltrico, ou de um equipamento eltrico de forma a garantir a seletividade (NBR 5660, 1996). O princpio bsico de proteo a tcnica de selecionar, coordenar, ajustar e aplicar os vrios equipamentos e dispositivos protetores a um sistema eltrico, de forma a guardar entre si uma determinada relao, tal que uma anormalidade no sistema possa ser isolada, sem que outras partes do mesmo sejam afetadas. A coordenao o ato ou efeito de dispor dois ou mais dispositivos de proteo em srie, segundo certa ordem, de forma a atuarem em uma seqncia de operao pr-estabelecida.

    4.4.4.1 Coordenao de Fusveis Srie O elo fusvel protetor deve atuar primeiro, para isso o tempo total de interrupo dele deve ser menor que o tempo mnimo para a fuso do elo fusvel protegido.

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    4-57

    Figura 4.48 Coordenao entre Fusveis.

    4.4.4.2 Coordenao entre Religador e Fusvel O elo fusvel no deve atuar durante a operao rpida do religador, mas na primeira operao temporizada deve ocorrer a fuso.

    Figura 4.49 Coordenao entre Religador e Fusvel.

    4.4.4.3 Coordenao entre Disjuntor e Fusvel A Figura 4.50 apresenta, por exemplo, duas curvas de funcionamento, a de um disjuntor (D) e a de um fusvel (F), coordenadas de modo que o fusvel atue primeiro em caso de curto-circuito, mas que no atue em caso de pequena sobrecorrente, deixando que o disjuntor assegure essa proteo.

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    4-58

    Figura 4.50 Coordenao entre Disjuntor e Fusvel.

    Pelo exame da Figura 4.50 verifica-se que, para qualquer corrente inferior a Io, o disjuntor funciona primeiro, ao passo que, para intensidades superiores, o tempo de funcionamento do fusvel mais curto que o do disjuntor.

    4.4.4.4 Coordenao entre Religador e Seccionalizador A coordenao feita a partir do nmero de disparos do religador. Um seccionalizador programado para operar aps 3 disparos do religador, ao ocorrer o quarto disparo, o religador voltar a funcionar normalmente, pois a zona em que a falta ocorreu foi desligada pelo seccionalizador.

    Figura 4.51 Coordenao entre Religador e Seccionalizador.

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    4-59

    4.5 Transformador Os transformadores so equipamentos empregados para elevar ou abaixar as tenses entre os subsistemas de um sistema eltrico. O transformador um conversor de energia eletromagntica, cuja operao pode ser explicada em termos do comportamento de um circuito magntico excitado por uma corrente alternada. Consiste de duas ou mais bobinas de mltiplas espiras enroladas no mesmo ncleo magntico, isoladas deste. Uma tenso varivel aplicada bobina de entrada (primrio) provoca o fluxo de uma corrente varivel, criando assim um fluxo magntico varivel no ncleo. Devido a este induzida uma tenso na bobina de sada (ou secundrio). No existe conexo eltrica entre a entrada e a sada do transformador. Os transformadores so os equipamentos mais caros em uma subestao de transmisso ou de distribuio. As principais partes componentes de um transformador de distribuio so: tanque com aletas de refrigerao, leo isolante e refrigerante (leo mineral); buchas de alta e baixa tenso, ncleo magntico, enrolamentos de alta e baixa tenso, tapes das bobinas do transformador (manual ou automtico), e papel isolante envolvendo os condutores (bobinas) e as cabeas das bobinas.

    Figura 4.52 Transformador de distribuio trifsico.

    Os transformadores podem ser projetados para diferentes aplicaes: Transformador de potncia que ser estudado com mais detalhe

    como unidade monofsica e trifsica. Transformador de instrumentao projetado para aplicaes de

    proteo, medio e faturamento, sendo construdos, em geral, de modo a garantir preciso e linearidade.

    Transformadores de comando e controle so os transformadores de pulso, utilizados para disparar (gatilhar) tiristores ou comandar outros tipos de interruptores eletrnicos. Normalmente possuem relao 1:1 e seu objetivo principal fornecer isolao galvnica.

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    4-60

    Transformadores para baixa e alta freqncia. A Tabela 4.12 resume as caractersticas comparativas dos transformadores:

    Tabela 4.12 Caractersticas comparativas de Transformadores Tipo

    Caractersticas Alta Freqncia Baixa Freqncia Freqncia de operao kHz ou MHz 50/60 Hz Material do ncleo Ferrite4 ou ar Ao-silcio laminado ou

    ligas amorfas Aplicaes Fontes chaveadas

    Conversores de alta freqncia

    Sistemas de potncia: Gerao, transmisso e distribuio.

    Um transformador real apresenta os seguintes pressupostos: Os enrolamentos tm resistncia. A permeabilidade do ncleo c finita, o que implica na existncia

    de relutncia magntica. Para uma permeabilidade do ncleo muito alta significa que uma quantidade desprezvel de FMM (fora magnetomotriz) necessria para estabelecer o fluxo.

    O fluxo magntico no se mantm inteiramente confinado ao ncleo.

    O ncleo apresenta perdas de potncia ativa e reativa.

    4.5.1 Transformadores Monofsicos O transformador, representado esquematicamente na Figura 4.53, um equipamento esttico que transporta energia eltrica, por induo eletromagntica, do primrio (entrada) para o secundrio (sada). Os valores da tenso e da corrente so alterados, porm, a potncia, no caso do transformador ideal, e a freqncia se mantm inalterados. 4 Ferrite um material ferromagntico, composto de ferro, boro, brio, estrncio ou molibdeno. Ferrite tem alta permeabilidade magntica, que forma ligas que guarda suas propriedades magnticas bem melhor que ferro. So conhecidas como magnticos cermicos.

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    4-61

    Figura 4.53 Representao Esquemtica de um Transformador.

    A Figura 4.54 apresenta um modelo de transformador em que todas as perdas so alocadas externamente aos enrolamentos e ncleo da mquina. Portanto, no modelo, enrolamentos e ncleo so ideais.

    Figura 4.54 Circuito Equivalente de um Transformador Monofsico com Dois Enrolamentos. Os enrolamentos de primrio e secundrio esto representados pelas bobinas N1 e N2 com seus respectivos nmeros de espiras. O primrio de um transformador designado como aquele que recebe alimentao, i.., est conectado fonte. O secundrio, por sua vez, alimenta ou supre a carga. Normalmente em um transformador real os dois enrolamentos so colocados juntos, abraando o mesmo fluxo. Para maior clareza, representa-se na figura acima os enrolamentos primrios e secundrios separados, embora o fluxo seja o mesmo para ambos. Os enrolamentos dos transformadores de potncia so isolados e normalmente imersos em leo. O leo exerce duas funes: Agente refrigerante - dissipa calor do ncleo e dos enrolamentos. Agente isolante - impede as falhas entre espiras. A capacidade de sobrecarga (MVA) de um transformador limitada. possvel aumentar o valor de MVA de um transformador atravs de

    Enrolamento de Primrio Enrolamento de Secundrio

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    4-62

    mtodos de resfriamento: ventiladores de resfriamento e bombas de circulao de leo. O fluxo que enlaa os enrolamentos induz uma fora eletromotriz (f.e.m.) nestes enrolamentos. Sendo o fluxo magntico senoidal, tem-se que a f.e.m. induzida dada por:

    ( )( )

    max

    max2 cos

    d sen tde N Ndt dt

    N f t

    = ==

    (4.2)

    O valor eficaz da f.e.m. induzida dado por:

    max max2 4,44

    2E N f N f = = (4.3)

    Seja E1 o valor eficaz da f.e.m. (fora eletromotriz) induzida de primrio e E2 o valor eficaz da f.e.m. induzida de secundrio, as quais so definidas como:

    1 1 max4,44E N f= (4.4)

    2 2 max4,44E N f= (4.5) A relao entre E1 e E2 resulta em:

    2

    1

    2

    1

    NN

    EE = (4.6)

    Em um transformador ideal, sem perdas, a potncia aparente de primrio, S1, igual potncia aparente de secundrio, S2. Isto significa que toda energia de primrio transferida ao secundrio. Assim,

    *222*111 IESIES === (4.7)

    1 2 1

    2 1 2

    E I N aE I N

    = = = (4.8)

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    4-63

    Portanto, a relao de transformao a constante e igual relao direta de tenses induzidas sendo inversamente proporcional ao conjugado da relao de correntes. Em um transformador monofsico, a relao de transformao de tenso igual relao de nmero de espiras. A relao de transformao a embora definida como sendo o nmero de espiras da bobina de primrio pelo nmero de espiras da bobina de secundrio no universal. Alguns autores a definem como sendo a=N2/N1. Ambas as definies esto corretas desde que usadas com clareza e consistncia. importante ressaltar que as tenses induzidas so aproximadamente iguais s tenses terminais do transformador a vazio. Com o secundrio aberto a f.e.m. E2 exatamente igual a V2, e a tenso V1 aproximadamente igual a E1 conforme ser apresentado a seguir. Para calcular a relao de transformao utiliza-se, portanto, as tenses terminais nominais. As tenses terminais sob condio de carga variam substancialmente de seus valores nominais devido queda de tenso na impedncia do transformador.

    1 2 1

    2 1 2

    V I NaV I N

    = = = (4.9) Portanto, em um transformador monofsico, a relao entre as tenses de fase de primrio e secundrio igual relao de nmero de espiras. Nos transformadores trifsicos esta condio no mantida, mas depende do tipo de conexo do transformador. Exemplo 4.1 Um transformador possui 1000 e 500 espiras nos enrolamentos de alta e baixa tenso. Utilizando o transformador como elevador de tenso pede-se determinar a tenso no secundrio quando se aplica no primrio uma tenso de 220 V. Soluo: Como o transformador usado para elevar a tenso, tem-se que: N1=500 e N2=1000. A tenso de secundrio ento obtida por:

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    [ ]22 11

    2 220 440NV V VN

    = = = 4.5.1.1 Correntes no Transformador O enrolamento do primrio tem resistncia R1 e ao ser percorrido por uma corrente apresenta uma queda de tenso que est em fase com a corrente. A corrente que circula o enrolamento primrio causa uma perda de potncia ativa dada por I2R1. Com o secundrio do transformador em aberto e V1 na referncia angular, a corrente que flui no primrio chamada de corrente de excitao Ie. Esta corrente constituda por duas componentes:

    Corrente de magnetizao Im, em fase com o fluxo, pois responsvel pelo estabelecimento do fluxo atravs do ncleo, podendo ser calculada pelas caractersticas do ncleo de ferro;

    Corrente de perda no ncleo Ic, que representa a potncia dissipada nas perdas por histerese e por corrente parasita, e que est em fase com a tenso E1.

    Um transformador real apresenta permeabilidade magntica finita, perdas por histerese e perdas por correntes parasitas. Essas imperfeies so representadas pelo ramo paralelo no lado primrio, assim descrito: Ie, corrente de excitao composta pelas correntes Im de magnetizao, responsvel por criar o fluxo mtuo m. Im est atrasada de 90o de E1 ou V1 para condio a vazio; e a corrente Ic que alimenta as perdas no ncleo est em fase com E1. O diagrama abaixo apresenta esta situao.

    Ie = Ic - jIm = (Gc jBm)E1= I1 -

    1

    2NN

    I2 (4.10)

    Figura 4.55 Diagrama Fasorial de um Transformador em Vazio.

    Gc ou seu inverso Rc representa a perda no ncleo e o calor resultante das perdas, e Bm, ou seu inverso Xm, representa a medida de

    Im

    IC V2, E2

    Ie

    V1, E1

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    permeabilidade do ncleo do transformador. A corrente Im que flui atravs de Xm representa a corrente de magnetizao necessria para criar o fluxo mtuo m no ncleo que induz as tenses E1 e E2. Se a permeabilidade alta, relutncia baixa, Xm alta e Bm baixa.

    Note que quando o enrolamento 2 aberto (I2 =0) e uma tenso V1 aplicada ao enrolamento 1, em (4.10) indica que I1 ter duas componentes, Ic e Im. sob esta condio em que as tenses terminais so aproximadamente iguais s tenses induzidas uma vez que a corrente que flui no transformador pequena produzindo uma pequena queda de tenso em sua impedncia srie. Quando um transformador opera com carga, uma corrente I2 circular pela carga induzindo uma FMM 2 no enrolamento conectado carga. Para que o fluxo no varie uma FMM 1 aparecer no outro enrolamento levando ao aparecimento da corrente I1, que uma corrente adicional no primrio. Para manter o fluxo no ncleo constante a nova FMM deve igualar FMM devida somente a corrente de excitao Ie, ou seja:

    ( )1 1 2 2 1e eN I I N I N I+ = (4.11) Portanto, tem-se no primrio a corrente I1 dada por: Ie + I1. Em um transformador, a componente do fluxo que concatena o prprio enrolamento primrio, porm no concatena o enrolamento secundrio denominado de fluxo de disperso. O fluxo de disperso contribui para uma reduo ou queda nas f.e.m. induzidas nos enrolamentos do transformador. Para modelar a queda de tenso devido ao fluxo de disperso, a reatncia de disperso X1 introduzida no modelo de circuito em srie com o enrolamento 1.

    ( )dtdiL

    dtdi

    did

    dtdt === (4.12)

    A queda de tenso dada pela variao do fluxo no tempo. Por ser o fluxo de disperso atravs do ar, o termo d/di linear, portanto constante e representado por L. A queda de tenso I1(jX1) proporcional a I1 e adiantada de I1 de 90o. Existe tambm uma perda de potncia reativa I12X1 associada com a reatncia de disperso.

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    Analogamente, a resistncia R2 e a reatncia de disperso X2 est representada em srie com o enrolamento 2.

    Associado corrente Ic est uma perda de potncia ativa no ncleo que leva em conta as perdas por histerese e por correntes parasitas (eddy current) ou correntes de Foucault.

    c21

    c

    2c

    c GEGI

    P == [W] (4.13)

    As perdas por histerese ocorrem devido variao cclica do fluxo no ncleo causando dissipao de calor. As perdas por histerese expressam o trabalho realizado pelo campo (H) para orientar os domnios de um material ferromagntico. Portanto, a energia gasta no alinhamento contnuo dos dipolos magnticos constitui as perdas de histerese. A relao entre B e H ( )B H= para os materiais ferromagnticos usados no ncleo de transformadores no linear, denotando que a permeabilidade do ncleo no constante. A Figura 4.56 mostra a curva de magnetizao de um material ferromagntico. Note que medida que H cresce, o ncleo torna-se saturado. Se a magnitude da tenso aplicada a um transformador muito alta, o ncleo saturar e fluir uma alta corrente de magnetizao. Em um transformador bem projetado, a tenso de pico aplicada causa o pico da densidade de fluxo em estado permanente ocorrer no joelho da curva B-H, com um correspondente baixo valor de corrente de magnetizao.

    Figura 4.56 Fluxo Magntico Versus Corrente de Magnetizao.

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    O ciclo traado pela curva de magnetizao chamado de ciclo de histerese. Para um mesmo valor do campo, a imantao tem valor maior quando o campo decresce do que quando o campo cresce. Esse fenmeno chamado histerese (histerese significa atraso). O valor de B quando o campo magntico H zero denominado de densidade de fluxo remanescente (Br). O valor de H requerido para reduzir a densidade de fluxo B a zero denominado de fora coercitiva ou coercitividade (Hc). As perdas podem ser expressas como:

    VolfBkP nMAXhh = (4.14) em que kh uma constante que depende das unidades usadas na equao e do material, f a freqncia, BMAX a densidade de fluxo mxima, e Vol o volume do material magntico. O expoente n conhecido como expoente de Steinmetz varia entre 1,5 e 2,5. O volume pode ser obtido pela massa do ncleo e a densidade do material magntico Vol=M/. As perdas por histerese podem ser reduzidas pelo uso de ligas de ao silcio de gros orientados. As perdas por correntes parasitas ocorrem devido s correntes induzidas no interior do ncleo, perpendiculares ao fluxo, resultantes de tenso induzida no material magntico pelo fluxo magntico variante no tempo. A fora eletromotriz ocasiona no ncleo uma circulao de corrente. Os materiais ferromagnticos do ncleo, por sua vez, so tambm condutores de eletricidade, embora de baixa condutividade quando comparada ao cobre. Devido resistncia finita do ncleo, ocorre dissipao de energia devido as perdas hmicas. Essas correntes no apenas resultam na perda de energia no material magntico, mas tambm exercem um efeito de desmagnetizao no ncleo. A desmagnetizao que mais acentuada no centro da superfcie transversal do ncleo aumenta a densidade do fluxo magntico na direo da superfcie do material magntico. O resultado a distribuio no uniforme do fluxo magntico no ncleo. Tais perdas podem ser reduzidas construindo o ncleo com lminas de liga de ao. As lminas do ncleo so recobertas com uma camada isolante a qual cria um caminho de alta resistncia entre as lminas. Quanto mais fina as lminas, menores sero as correntes parasitas.

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