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2.RELÉS DE PROTEÇÃO
2.1 CONCEITUAÇÃO DE UM RELÉ DE PROTEÇÃO
Como se vê na figura abaixo, o relé também é um dos dubsistemas
integrantes do sistema de proteção.
Figura 8: Subsistemas de um sistema de proteção; relés, transdutores (TC e TP),
disjuntores e bateria da estação.
O relé é o último e mais importante componente para nossa discussão de
sistema de proteção. Trata-se de um dispositivo que responde à condição de suas
entradas (tensões, correntes ou estados de contatos), de tal maneira que ele
proporciona sinais de saída apropriados para abrir disjuntores quando as
condições de entrada correspondem a faltas para as quais o relé tenha sido
programado para operar. Os relés são os elementos lógicos de decisão em todo o
sistema de proteção.
O projeto de um relé (tanto analógico quanto digital) deve ser tal que todas
as condições de falta para as quais ele seja responsável, deve produzir uma saída
de disparo, enquanto que nenhuma outra condição deve gerar saída. As técnicas
de projeto e os algoritmos devem ser desenvolvidos de modo que estes requisitos
sejam satisfeitos.
Estes requisitos se relacionam com o conceito de confiabilidade. Para um
profissional de proteção, um relé confiável tem dois atributos: ele é preciso e
seguro. Precisão implica que o relé sempre operará para as condições
correspondentes àquelas programadas para sua operação. Um relé é dito ser
seguro se ele não operar para qualquer outro distúrbio no sistema de potência.
Dos dois atributos, precisão e segurança, o último é o mais difícil de se alcançar.
Toda falta nas vizinhanças da característica de um relé perturbará suas correntes
e tensões de entrada. Entretanto, o relé deveria desconsiderar aquelas condições
de tensão e corrente produzidas por faltas que não são de sua responsabilidade.
2.2 HISTÓRICO
Os relés mais antigos eram dispositivos eletromecânicos que consistiam de
êmbolos de atração axial, charneiras em balanço, discos e tambores de indução.
Com raras exceções, todos os tipos de relés eletromecânicos ainda estão em uso.
Tratam-se de relés robustos, tanto mecanicamente quanto do ponto de vista de
interferência eletromagnética (EMI).
Embora possam ser muito rápidos (tempo de operação de um quarto de
ciclo), de modo geral, são lentos – sua velocidade de operação é medida em
ciclos ou segundos. Eles demandam também uma quantidade de energia
relativamente alta para operar, requerendo, portanto, transformadores de corrente
e potencial com capacidade volt-ampere relativamente alta.
No final da década de 50, começaram a aparecer os relés de estado sólido.
Eles eram projetados com componentes eletrônicos discretos tais como diodos,
transistores e amplificadores operacionais. Em pouco tempo, os relés de estado
sólido eram contaminados por falhas de componentes devido a EMI e por defeitos
causados pelo alto índice de falhas dos antigos componentes de estado sólido.
Até certo ponto, alguns profissionais de proteção ainda consideram os relés de
estado sólido menos confiáveis que seus equivalentes eletromecânicos.
Contudo, para a maioria dos usuários, os relés de estado sólido vem se
tornando um importante elemento de projetos de sistemas de proteção modernos.
Os relés de estado sólido modernos são relativamente isentos de manutenção e
oferecem uma grande flexibilidade , tanto quanto requer as aplicações de
proteção. Sua velocidade de operação é alta – da ordem de um ciclo ou menos.
Em muitos sistemas de potência, o esquema de proteção consiste de uma
combinação de relés de estado sólido e relés eletromecânicos, sendo estes
frequentemente usados nas aplicações mais simples tais como proteção de
sobrecorrente, ao passo que os relés de estado sólido são dominantes em
aplicações mais complexas, tais como proteção piloto (comparação direcional) ou
proteção de distância por zonas.
2.3 CARACTERÍSTICAS FUNCIONAIS
2.3.1 Exatidão e segurança de operação
O relé só opera e desopera de maneira definitiva, quando as condições do
sistema que foram impostas para sua operação ocorrerem. Fora dessas condições
ele permanece inativo e não deve ser afetado por condições perturbadoras tais
como temperatura ambiente, campos magnéticos, etc.
2.3.2 Seletividade de operação
O relé deve ser capaz de identificar as partes do sistema que efetivamente
operam em condições anormais ou com defeito, separando-as do sistema,
desligando o menor trecho possível.
2.3.3 Sensibilidade
O relé deve ser suficientemente sensível para distinguir entre uma condição
normal de operação e uma condição de falta, istó é, a margem de tolerância entre
as zonas de operação e de não operação deve ser reduzida ao mínimo.
2.3.4 Rapidez de operação
O relé deve operar o mais rapidamente possível de modo a diminuir os
danos que poderiam ser causados no sistema pela permanência do defeito e,
principalmente, evitar a perda de estabilidade do sistema.
2.4 CLASSIFICAÇÃO GERAL DOS RELÉS
Os relés podem ser classificados segundo diferentes critérios. Citaremos os
seguintes: quanto as grandezas elétricas, quanto à função, quanto ao tempo de
operação e quanto ao princío de funcionamento.
2.4.1 Quanto às grandezas elétricas
Basicamente, um relé é sensibilizado pelas gradezas da frequência, da
tensão e da corrente que atravessam. Porém, tomando-se como referência esses
valores básicos, pode-se construir relés que sejam ajustados para outros
parâmetros elétricos da rede, tais como impedância, relação entre as grandezas
anteriores, etc. De modo geral, os relés podem ser assim classificados:
• Relés de tensão;
• Relés de corrente;
• Relés de frequencia;
• Relés de potência;
• Relés de impedância.
Em geral, os relés de tensão utilizam a própria tensão do sistema e
comparam seu valor com aquele previamente ajustado para operação. O valor
medido pode estar acima ou abaixo daquele tomado como referência, originando,
daí, os relés de sobre e subtensão.
Os relés de corrente são, na realidade, os mais empregrados em qualquer
sistema elétrico, tornando-se obrigatório o seu uso, devido à grande variação com
que a corrente elétrica pode circular numa instalação, indo desde o estado a vazio,
(corrente basicamente nula), passando pela carga nominal, atingindo a sobrecarga
e, finalmente, alcançando o seu valor supremo, nos processos de curto-circuito
franco. Nestes dois últimos casos, os danos à instalação são muito grandes,
acarrentando, inclusive, prejuízo ao patrimônio, com incêndios em grandes
empreendimentos. Ao contrário da corrente, a tensão, de um modo geral, é
estável, atingindo somente valores elevados quando ocorrem fenômenos
normalmente externos à instalação, tais como descargas atmosféricas, pertubação
na geração, etc. São exceções a estes casos as sobretensões advindas dos curto-
circuitos monopolares em sistemas isolados ou aterrados sob uma alta
impedância, bem como as sobretensões resultantes de manobras de disjuntores.
Os relés de frequência utilizam essa grandeza do sistema, comparando-a
com o valor previamente ajustado para operação. Se há diferença, além dos
valores prescritos no ajuste, o relé acionará o mecanismo de desligamento do
disjuntor.
Já os relés de potência são acionados pelo fluxo de potência que circula em
seus bobinados. Ora, como grandezas naturais, somente a tensão, a corrente e a
frequência são parâmetros elétricos básicos. Para um relé de potência, é
necessário um par de bobinas, sendo uma de tensão e outra de corrente, para que
se obtenha o fluxo de demanda a cada instante. Os relés de potência são de
pouca utilização nas instalações industriais de pequeno e médio portes, chegando
a ter aplicação obrigatória em instalações de grande porte supridas por dois ou
mais alimentadores operando em paralelo. São utilizados, neste caso, os
conhecidos relés direcionais que atuam quando detectam o fluxo reverso de
corrente ou de potência no ponto de sua instalação. O mesmo uso é feito
largamente pelas companhias concessionárias de serviço público em suas
subestações de potência.
Os relés de impedância utilizam como parâmetros elétricos a tensão e a
corrente no ponto de sua instalação. Sabendo-se que a impedância, num
determinado ponto, é a relação entre a tensão e a corrente, o relé de impedância
nada mais afere do que o resulado desse quociente, para fazer atuar o seu
mecanismo de acionamento. É largamente aplicado nos sistemas de potência das
concessionárias de energia elétrica, na proteção de linhas de transmissão.
2.4.2 Classificação quanto à função
Os relés são classificados segundo uma numeração padronizada pelo
instituto de normas amaricano ANSI para simbolizar funções particulares,
conforme listagem a seguir:
2 - Relé de temperatura de partida ou fechamento
3 - Relé de verificação ou intertravamento
4 - Contator ou relé mestre
5 - Dispositivo de parada
12 - Dispositivo de sobrevelocidade
13 - Dispositivo de rotação síncrona
14 - Dispositivo de subvelocidade
15 - Dispositivo equalizador de velocidade e freqüência
16 - Dispositivo de controle de carga para bateria
21 - Relé de distância
25 - Dispositivo de sincronização ou verificação de sincronismo
26 - Dispositivo térmico (termômetros, termostato)
27 - Relé de subtensão
30 - Relé anunciador
31 - Dispositivo de excitação separada
32 - Relé direcional de potência
37 - Relé de sucorrente ou de subpotência
38 - Dispositivo de proteção do mancal
40 - Relé de campo
44 - Relé de partida
45 - Controlador de condições atmosféricas
46 - Relé de corrente de inversão de fase ou desequilíbrio de corrente
47 - Relé de seqüência de fase de tensão
48 - Relé de seqüência incompleta
49 - Relé térmico
50 - Relé de sobrecorrente instantâneo
51 - Relé de sobrecorrente temporizado
52 - Disjuntor de corrente alternada
53 - Relé de excitatriz ou gerador de CC
57 - Dispositivo de curto circuito ou de aterramento
58 - Relé de falta de retificação
59 - Relé de sobretensão
60 - Relé de equilíbrio de tensão
61 - Relé de equilíbrio de corrente
62 - Relé de temporização
63 - Relé de pressão de líquido ou gás - relé de vácuo
64 - Relé de proteção de terra
65 - Regulador de velocidade
67 - Relé de sobrecorrente direcional
68 - Relé de bloqueio
74 - Relé de alarme
78 - Relé de perda de sincronismo
79 - Relé de religamento em circuito CA
81 - Relé de freqüência
85 - Relé receptor de onda portadora
86 - Relé de bloqueio de religamento
87 - Relé diferencial
89 - Seccionadora CA
91 - Relé direcional de tensão
92 - Relé direcional de tensão e potência
94 - Relé de desligamento ou permissão de desligamento
95 - Chave de transferência
96 - 99 Futuras aplicações
2.4.3 Classificação quanto ao tempo de operação
Quanto ao tempo de operação, temos as seguintes classes de relés:
• Instantâneo
• Temporizado
Tempo definido
Tempo inverso
Tempo muito inverso
Tempo extremamente inverso
Tempo inverso, com mínimo definido.
A figura abaixo mostra exemplos das características de tempo de operação
dos relés.
Figura 9: Características tempo x corrente dos relés
2.4.4 Classificação quanto ao princípio de funcionamento
2.4.4.1 Relés de atração eletromagnética
Há, basicamente, dois tipos de relés de atração eletromagnética: armadura
axial e armadura em charneira. Esses relés são do tipo instantâneo e funcionam
tanto com grandezas contínuas quanto alternadas. A figura abaixo mostra as
armaduras axial e charneira.
Figura 10: Relés de atração axial e em charneira
A armadura axial consiste de uma bobina solenóide, a qual, energizada
eletricamente, atrai para o seu interior um núcleo de ferro. O movimento desta
peça atua direta ou indiretamente para o disparo do disjuntor.
A armadura em charneira consiste de uma armadura magnética móvel em
torno de um eixo, fechando um circuito magnético quando este for estabelecido
pela corrente elétrica no enrolamento da bobina do relé.
O conjugado de operação deste tipo de relé é proporcional ao quadrado da
força magnetomotriz desenvolvida no entreferro. Um conjugado de restrição
também está presente devido a atritos, gravidade e mola de restrição. Assim, a
equação do conjugado para este relé, será:
2
2
1KIKC −= , onde:
C=conjugado de operação;
I=corrente aplicada à bobina do relé;
1K =constante proporcional ao quadrado do número de espiras da bobina e outras
variáveis construtivas;
2K =constante proporcional às variáveis de restrição.
Este tipo de relé é bastante rápido e é usado geralmente guando não se
requer retardo. Os relés de atração magnética C.A não são apropriados para
funcionarem continuamente operados. Nesta condição há excessiva vibração,
provocando ruído e aquecimento. Esta vibração deve-se ao fato de que o relé
tende a desoperar a cada meio ciclo, quando o fluxo passa por zero.
2.4.4.2 Relés de indução eletromagnética
Os relés eletromagnéticos tipo indução, baseiam-se no princípio do motor de
indução. O conjugado de operação é desenvolvido pela ação de campos
magnéticos alternados sobre as correntes induzidas por esses campos em um
condutor móvel (rotor), constituído por um disco ou copo metálico. Estes relés só
operam em corrente alternada.
Há duas formas básicas de relés de indução: os relés temporizados, usando
um disco de alumínio como condutor móvel, e os de alta velocidade (ou
instantâneos), usando um copo ou tambor.
No relé tipo disco, este se movimenta no entreferro de um núcleo magnético,
excitado pelos enrolamentos do relé. Em geral, solidário com o eixo do disco,
existe um contato móvel para disparo do disjuntor. Podemos modificar o tempo de
operação através de um dial, variando-se o percurso total do contato móvel. A
figura abaixo ilustra a estrutura tipo disco de indução.
Figura 11: Relé tipo disco de indução e conjugado desenvolvido no disco do relé
O relé tipo tambor de indução consiste de um tambor ou copo condutor,
geralmente de alumínio, que se move no entreferro de um circuito magnético
múltiplo. O grande conjugado produzido neste tipo de relé e a pequena inércia do
rotor, proporcionam alta velocidade de operação. A figura a seguir mostra esse
tipo de estrutura.
Figura 12: Estrutura tipo tambor de indução
O conjugado de operação deste tipo de relé é proporcional aos fluxos e ao
ângulo de fase entre eles. Um fluxo só não produz conjugado: são necessários
pelo menos dois fluxos, defasados entre si. O conjugado resultante é máximo
quando o ângulo entre os dois fluxos é igual a 90°. Um conjugado de restrição
também está presente devido a atritos e mola de restrição. Assim, a equação do
conjugado para este relé, será:
2211KsenKC −= θφφ
ou
2211
KsenIIKC −= θ ,onde:
=C conjugado de operação ( FC ≈ );
1φ e
2φ = fluxos no entreferro;
1I e
2I = correntes aplicadas ao relé, responsáveis pelos fluxos
1φ e
2φ ;
=1
K constante proporcional a variáveis construtivas do relé;
=2
K constante proporcional às variáveis de restrição.
O relé pode funcionar com uma só grandeza (uma única tensão ou uma
única corrente), empregando-se uma estrutura tipo pólo dividido, de modo a obter-
se dois fluxos produzidos a partir de uma única corrente.
2.4.4.3 Relés térmicos
Os relés térmicos são aparelhos sensíveis à temperatura. Podem ser do
tipo em termopar, a bulbo, a lâminas bimetálicas e à imagem térmica.
Os relés a termopar baseiam-se no princípio que uma diferença de
temperatura pode se traduzir em uma variação de f.e.m. Um par termoelétrico é
constituído de dois condutores metálicos de naturezas distintas (cobre-constantã,
ferro-constantã, etc.) soldados entre si em uma das extremidades, conforme
podemos visualizar na figura abaixo. Se a temperatura entre os pontos A e B for
diferente, entre os terminais de termopar se manifesta uma diferença de potencial
(e), que pode ser, em primeira aproximação, considerada proporcional à diferença
de temperatura (∆θ), segundo um coeficiente (k) que depende da natureza dos
materiais empregados. Pode-se, portanto, escrever:
θ∆= .ke
As forças eletromotrizes que podem ser geradas com este método são
muito pequenas (40 a 50 µV/°C) pelo que, o sinal que se obtém não está em
condições de fornecer potência suficiente para uma ação direta em um órgão de
comando e, por isso, é necessário recorrer-se a dispositivos auxiliares do tipo
eletrônico para amplificar a tensão.
Figura 13: Relé térmico a termopar
Os relés a bulbo são baseados, ao invés, na dilatação que a temperatura
provoca nos líquidos. O princípio de funcionamento é indicado na figura 14:
quando ampola contendo o líquido é aquecida, o nível do líquido no capilar
aumenta e provoca o fechamento de dois contatos. Para este tipo de relé usa-se,
geralmente, o mercúrio. Seja para os relés em termopar, como para os de bulbo, o
elemento sensível é posto no ponto em que se quer controlar a temperatura, por
exemplo, no interior das máquinas.
Figura 14: Relé térmico a bulbo
Os relés de lâmina bimetálica utilizam o seguinte princípio: duas lâminas
metálicas de material diferente, são soldadas entre si e, visto que os materiais têm
coeficiente de dilatação diferente a cada variação de temperatura as lâminas
tendem a encurvar-se de uma parte ou de outra, e o movimento consequente
pode ser aproveitado para provocar direta ou indiretamente o movimento dos
contatos. A lâmina bimetálica pode ser percorrida diretamente pela corrente que a
aquece, ou pode ser colocada nas proximidades de condutores atravessados pela
corrente: em ambos os casos, a energia que se dissipa por efeito joule provoca o
movimento da lâmina. Um relé deste tipo apresenta uma característica de
intervenção que depende da função tI2 e, portanto, reproduz o que se verifica
nos condutores das máquinas elétricas, constituindo-se uma proteção contra as
sobrecargas.
Figura 15: Relé térmico à lâmina bimetálica
O relé de imagem térmica exerce esta função de modo mais preciso. O
elemento sensível não controla diretamente a temperatura de uma parte da
máquina elétrica, mas representa uma imagem térmica desta última. Isto significa
que os seus componentes são escolhidos de modo a reproduzir fielmente a
temperatura de um ponto particularmente importante da máquina (por exemplo, o
cobre das camadas mais altas do enrolamento de um transformador).
As soluções construtivas podem ser diversas e, por simplicidade de
exposição, apresentamos a figura abaixo como exemplo. A parte sensível do relé
é constituída de um cilindro metálico A, no qual está contido o aquecedor B, que é
percorrido por uma corrente proporcional à do enrolamento de máquina que se
quer controlar. O sistema de molas C e D permite converter a expansão
longitudinal do cilindro A em ação de fechamento de contatos K. Se a temperatura
aumenta lentamente, o calor tem tempo de propagar-se do cilindro A à massa
metálica E e o alongamento do cilindro A se dá segundo uma constante de tempo
que é função da massa total. Se, ao contrário, a sobrecorrente é muito elevada,
ela provoca o aquecimento rápido somente no cilindro A, com uma lei regida por
uma constante de tempo mais curta.
Figura 16: Relé à imagem térmica
2.4.4.4 Relés eletrônicos
Os relés eletrônicos são fruto do desenvolvimento tecnológico na área de
eletrônica dos sistemas de potência. São fabricados para atender todas as
necessidades de proteção dos sistemas elétricos, subdividindo-se em estáticos e
digitais.
• Relés estáticos
Os relés tipo estático, que sucederam os relés tipo eletromecânicos,
operam com base no funcionamento de circuitos lógicos eletrônicos de estado
sólido. O desenvolvimento dos relés estáticos acelerou-se com o advento dos
modernos componentes eletrônicos utilizando semicondutores e com a evolução
da técnica de circuitos impressos.
Funcionalmente, os relés estáticos são aplicados de maneira idêntica aos
relés eletromecânicos, entretanto, apresentam-se como equipamento de maior
operacionalidade, permitindo não só melhorar a atuação dos esquemas de
proteção tradicionais mas também desenvolver esquemas de proteção mais
avançados. Podemos visualisar na figura abaixo um exemplo de relé estático.
Figura 17: Relé estático
• Relés digitais
Os relés digitais surgiram como sucessores dos relés tipo estático. Os
primeiros trabalhos na área digital surgiram nos anos 60, quando s computadores
começaram a substituir ferramentas tradicionais na análise dos sistemas de
potência. Resolvidos os problemas de cálculo de curto-circuito, fluxo de potência e
estabilidade, as atenções voltaram-se para os relés de proteção que prometiam
ser um campo promissor. Mas logo ficou claro que o desenvolvimento tecnológico
dos computadores desta época, ainda não podia atender às necessidades das
funções de proteção, nem era economicamente atraente. O interesse sobre o
assunto ficou então restrito à área acadêmica onde os pesquisadores mantiveram
o desenvolvimento dos algoritmos de proteção, até que a aportunidade surgisse.
Com a evolução rápida dos computadores, a sofisticada demanda dos
programas de proteção pode ser atendida com velocidade e economia pelos
atuais microcomputadores. A tecnologia digital tem se tornado a base da maioria
dos sistemas de uma subestação, atuando nas funções de medição,
comunicação, proteção e controle. Desta forma, além das funções de proteção, o
relé digital pode ser programado para desempenhar outras tarefas, como por
exemplo, medir correntes e tensões dos circuitos.
Outra importante função deste tipo de relé é o autodiagnóstico (autoteste).
Esta função faz com que o relé realize uma supervisão contínua de seu hardware
e software, detectando qualquer anormalidade que surja e que possa ser reparada
antes que o relé opere incorretamente ou deixe de fazê-lo na ocasião certa.
Os relés digitais apresentam, ainda, as seguintes vantagens:
Oscilografia e análise de sequência de eventos – a habilidade dos sistemas de
proteção em armazenar amostras de quantidades analógicas e o status de
contatos em um intervalo de tempo possibilita a análise de perturbações.
Localização de defeitos – o principal benefício obtido é a redução do número de
faltas permanentes, através da manutenção corretiva em pontos indicados pela
reincidência de faltas transitórias, tais como as causadas por queimadas,
descargas atmosféricas ou isoladores danificados.
Deteção de defeitos incipientes em transformadores – a maioria dos defeitos
internos em transformadores começa com descargas parciais que podem ser
detectados através da monitoração de espectro de frequência de TC’s ligados
nestes transformadores.
Monitoração de disjuntores – o tempo de abertura e fechamento de um disjuntor
também pode ser monitorado através dos relés usados para disparo e
religamento. Podemos observar na figura abaixo alguns tipos de relés digitais.
Figura 18: Relés digitais (Siemens, Alstom e GE)
2.5 CARACTERÍSTICAS COMUNS DOS RELÉS
2.5.1 Regime de contatos
Os contatos do relé que fecham ou abrem circuitos externos para atuar os
disjuntores, energizar relés auxialires, acionar alarmes, etc., devem ser adequados
para o nível de corrente previsto para o circuito que será acionado por eles. O
contato é dito normalmente aberto ou tipo “a”, quando permanece aberto com o
relé desoperado e, fechado com o relé operado, como mosta a figura abaixo.
Figura 19: Contato normalmente aberto (tipo a)
Por outro lado, um contato é dito normalmente fechado ou tipo “b”, quando
permanece fechado com o relé desoperado e, aberto com o relé operado, como
mostra a figura abaixo.
Figura 20: Contato normalmente fechado (tipo b)
2.5.2 Bandeirola e contato de selo
A maioria dos relés terá um indicador de operação. Este é geralmente
referido a uma bandeirola (targeta) e pode ser combinado com um elemento de
selo. Quando o relé opera, a bandeirola muda para uma posição na qual é
facilmente visualizada pelo operador. A bandeirola em geral é recomposta
manualmente, uma vez que o operador deve tomar conhecimento da operação do
relé.
Para proteger o contato principal do relé contra danos resultantes de uma
interrupção acidental de corrente da bobina de disparo do disjuntor, alguns relés
são equipados com bobina e contato de selo. A figura abaixo mostra o contato de
selo e a bandeirola do relé, inseridos no circuito de abertura do disjuntor.
Figura 21: Diagrama esquemático com bandeirola e contato de selo
2.5.3 Pick-up
É o menor valor da grandeza atuante capaz de operar o relé, abrindo seus
contatos tipo “b” e fechando seus contatos tipo “a”.
2.5.4 Drop-out
É o maio valor da grandeza atuante capaz de desoperar o relé, abrindo
seus contatos tipo “a” e fechando seus contatos tipo “b”.
2.5.5 Reset
Resetear um relé é colocá-lo em condições de uma nova operação, isto é,
voltar o relé à sua condição inicial. O reset pode ser mecânico ou elétrico.
2.6 TIPOS DE RELÉS MAIS UTILIZADOS 2.6.1 Relés de Sobrecorrente 2.6.1.1 Introdução
Os relés de sobrecorrente são fabricados em unidades monofásicas e
alimentados por transformadores de corrente ligados ao circuito que se quer
proteger. São utilizados na proteção de subestações industriais de médio e grande
porte, na proteção de motores e geradores de potência elevada, banco de
capacitores e principalmente, na proteção de subestações de sistemas de
potência das concessionárias de energia elétrica.
Os relés de sobrecorrente podem ser classificados quanto à construção
como:
• Relés de sobrecorrente de indução
• Relés de sobrecorrente estáticos
• Relés microprocessados
2.6.1.2 Relés de sobrecorrente de indução
Características construtivas:
Construtivamente o relé de indução é composto por um disco de alumínio
que pode girar com um mínimo de atrito sobre o seu próprio eixo, quando a sua
bobina de indução é percorrida por uma corrente de magnitude compatível com o
valor do ajuste realizado. Uma mola de tensão mecânica adequada se contrapõe
ao movimento do disco, formando um par antagônico de forças, cuja resultante é
função da intensidade da corrente. Os relés de indução são compostos de
unidades que serão vistas a seguir.
• Unidade de indução
Também conhecida como unidade de sobrecorrente, é constituída de uma
bobina provida de várias derivações, montada sobre a coluna central de um
núcleo de ferro laminado, responsável pelo fluxo magnético principal. Um segundo
fluxo defasado do fluxo principal é produzido por um anel divisor, cujo resultado é
o aparecimento de um conjugado mecânico que impulsiona o disco numa direção
preestabelecida. A figura abaixo mostra as principais partes componentes da
unidade de indução.
Figura 22: Principais partes de uma unidade de indução
Na estrutura do disco de indução há um contato que é o responsável pelo
fechamento do circuito de abertura da bobina do disjuntor. A posição inicial do
disco é ajustada a partir de um dial provido de uma escala circular, contendo, em
geral, dez divisões, cada uma delas correspondendo a uma curva da família das
curvas consideradas. Essas curvas de temporização são obtidas projetando-se
adequada-mente a quantidade de ferro e o número de espiras da bobina da
unidade de indução. Dessa forma, cada relé é fabricado para uma família de
curvas, cujas características básicas de atuação são adequadas a cada projeto
específico de atuação.
As derivações da unidade de indução, ou simplesmente tapes, são desti-
nadas a adequar o relé a uma larga faixa de corrente de carga do circuito que se
quer proteger. Cada tape corresponde a uma corrente mínima de atuação.
As derivações não modificam as curvas de atuação dos relés. A figura
abaixo mostra esquematicamente uma unidade de indução com a respectiva
bobina, destacando-se a posição dos tapes.
Figura 23: Unidade de indução com os enrolamentos divididos em tapes
A unidade de indução é também conhecida como unidade de sobrecorrente
temporizada. Seu funcionamento se baseia nos mesmos princípios do motor de
indução. O disco de indução da unidade de sobrecorrente temporizada contém,
além do seu eixo, uma saliência periférica de fim de curso. O disco leva consigo
um contato móvel e sua rotação é frenada por uma mola. O ajuste de tempo é
obtido variando-se a abertura do ângulo entre o contato fixo do relé e o contato
móvel, fixado ao disco. Quanto maior este ângulo, maior será a distância angular
entre estes dois contatos e, conseqüentemente, maior será o tempo de atuação.
Cada posição ajustada do ângulo corresponde a uma curva de temporização
registrada num pequeno dial com a numeração correspondente. O ajuste é obtido
girando-se o dial num ângulo que corresponda à curva de temporização desejada.
A figura abaixo mostra o disco de indução e os seus elementos básicos de
operação.
Figura 24: Disco de indução e seus elementos básicos de operação
A bobina da unidade de indução geralmente está em série com a bobina da
unidade instantânea. É comercializada com faixas de operação compreendidas
normalmente entre 0.5 a 16A, encontrando-se em alguns casos unidades com até
0,10A como limite de corrente de tape.
• Unidade de bandeirola e selagem
Também conhecida como unidade de chaveamento, é constituída por uma
estrutura em forma de charneira, um núcleo e uma armadura móvel que contém
um contato duplo, operando normalmente aberto por ação de uma mola.
Essa unidade tem a sua bobina em série, e seus contatos, em paralelo com
os contatos da unidade de sobrecorrente temporizada, conforme pode ser
observado pelo esquema abaixo. A atuação desta unidade provoca o acionamento
da bandeirola indicadora, que só pode ser rearmada manualmente.
A unidade de bandeirola e selagem possui um contato em paralelo com um
contato da unidade temporizada, cuja função é curto-circuitar esse contato,
impedindo, para uma pequena corrente de acionamento, a formação de um arco
entre os contatos fixo e móvel, em virtude da pequena pressão que possa existir
entre eles.
Essa unidade, como se pode observar através da figura abaixo, é
alimentada em corrente contínua através de uma fonte, que pode compreender
um banco de baterias ligado a uma unidade retificadora ou a um grupo gerador de
corrente contínua. O mais comum, no entanto, é a utilização da primeira
alternativa. As tensões contínuas, em geral, adotadas são: 24 – 48 – 125 e 220V.
É importante lembrar que a escolha do tape da bobina de selo pode resultar
numa queda de tensão elevada e, consequentemente, numa tensão abaixo da
mínima admitida nos terminais da bobina do disjuntor. Em geral, a unidade de
bandeirola e selagem fica localizada na parte frontal do relé, juntamente com o
bloco de tapes. Podemos observar na figura abaixo um circuito básico de um relé
de sobrecorrente; contendo as bobinas de bandeirola, unidade temporizada e
instantânea.
Figura 25: circuito básico de um relé de sobrecorrente
• Unidade Instantânea
Também conhecida como unidade de chaveamento instantâneo, é
constituída por uma estrutura em forma de charneira, um núcleo e uma armadura
móvel que contém um contato duplo, geralmente operando aberto por ação de
uma mola. Esta unidade tem seus contatos, normalmente, ligados em paralelo
com os contatos da unidade temporizada e sua bobina está em série com a
mesma.
A bobina da unidade instantânea é alimentada em corrente alternada, pois
está em série com a unidade de indução. Ao contrário desta, a unidade
instantânea é sensível ao componente contínuo da corrente de curto-circuito de
valor assimétrico que deve ser considerada na determinação do seu ajuste.
Temos abaixo a uma imagem do relé de sobrecorrente.
Figura 26: funcionamento básico de uma unidade instantânea
Figura 27: Relé de sobrecorrente temporizado / instantâneo
Características elétricas:
Os relés de indução, como elementos de proteção, são dotados de
características definidas a fim de se ajustarem às várias condições impostas pelo
sistema de proteção. Uma dessas características mais importantes são as curvas
de temporização.
A partir da declividade e do tempo de operação em função da grandeza da
corrente de atuação, pode-se especificar o relé adequadamente para o esquema
de proteção desejado. As curvas de operação de um relé de sobrecorrente podem
operar por tempo definido ou inverso. Observamos nas figuras a seguir exemplos
desses dois casos.
Figura 28: Gráfico de operação de um relé com tempo definido
Figura 29: Gráfico de operação de um relé com tempo inverso
2.6.1.3 Relés de sobrecorrente estáticos
O desenvolvimento da tecnologia de componentes estáticos de alta
confiabilidade permitiu a fabricação dos relés de sobrecorrente eletrônicos, cuja
simplicidade das partes mecânicas e elétricas confere ao relé grande facilidade de
instalação, nenhum cuidado maior para sua manutenção e possibilidade de testes,
mesmo quando em funcionamento.
Os relés de sobrecorrente estáticos apresentam algumas vantagens sobre
os relés de indução:
• Baixo consumo;
• Faixas de ajustes contínuos;
• Compacticidade;
• Circuito de alimentação auxiliar não polarizado;
• Precisão nas grandezas aferidas;
• Corrente de atuação independente da forma de onda, peculiar aos casos
em que ocorre saturação do transformador de corrente.
• Contêm, numa só unidade, todas as funções 50/51 e 50/51N relativas às
fases e ao neutro.
Podemos observar na figura abaixo um exemplo de relé de sobrecorrente
estático.
Figura 30: Relé de sobrecorrente estático
2.6.1.4 Relés de sobrecorrente microprocessados
São relés de última geração, em que todas as suas funções são
microprocessadas, dispondo ainda de memória de massa para registro de
determinados eventos. A figura 30 apresenta a imagem de um relé
microprocessado de sobrecorrente.
Figura 31: Relé de sobrecorrente microprocessado
2.6.2 RELÉS DE TENSÃO
2.6.2.1 Relé de tensão temporizado
São aplicados tanto em instalações industriais como em sistema de
potência e apresentados com disco de indução em unidades monofásicas
extraíveis. Os relés de tensão são acionados por uma bobina operada por tensão,
montada em um imã laminado em forma de U. No eixo do disco, à semelhança
dos demais relés eletromecânicos, está montado o contato móvel. O eixo tem a
sua rotação controlada por uma mola em forma espiralada que fornece uma força
em oposição à força do campo. Preso ao eixo, se acha um disco de indução que
se movimenta sob efeito de um imã permanente, cuja ação fornece a
temporização adequada. Além do mais, apresenta uma unidade de bandeirola e
selagem. Essa unidade tem a sua bobina em série e os seus contatos em paralelo
com os contatos principais, semelhante ao que já foi exposto para o relé de
sobrecorrente.
• Relés de sobretensão
Quando utilizados nessas circunstâncias, os relés de sobretensão protegem
o circuito para um excesso de tensão em condições operacionais ou em defeitos
de fase-terra. Como se sabe, esse tipo de faltas provoca sobretensões no sistema
que devem ser eliminadas rapidamente. São ligados ao sistema através de um
transformador de potencial que deve suportar pelo menos três vezes a tensão
nominal da rede, fato que ocorre devido à tensão de sequência zero nos sistemas
trifásicos não aterrados.
Uma das principais aplicações dos relés de sobretensão é na proteção de
sistemas isolados ou aterrados com alta impedância, quando da ocorrência de um
defeito para a terra.
Os relés de sobretensão são ajustados para atuar somente com a elevação
de tensão, fechando os seus contatos para a tensão determinada por uma
percentagem do valor do tape. Atuam de acordo com uma curva característica de
tempo x tensão dada na figura abaixo. O ajuste do seletor de tempo permite que
se afaste o contato fixo do móvel a uma certa distância que determina o tempo de
atuação.
Figura 32: Curva característica tempo x tensão de um relé de sobretensão
A figura 33 apresenta o diagrama simplificado de ligação de um relé de
sobretensão, enquanto na figura 34 está representado o diagrama unifilar
correspondente. As ligações internas do relé podem ser vistas na figura 35.
Figura 33: Diagrama simplificado de ligação de um relé de sobretensão
Figura 34: Diagrama unifilar de um relé de sobretensão
Figura 35: Ligações internas do relé de sobretensão
• Relés de subtensão
São aplicados ao sistema que não pode operar em condições de tensão
inferior a um determinado valor. É comum a sua aplicação no caso de motores de
grande porte, quando se quer impedir o seu funcionamento, a partir de uma queda
de tensão no sistema que possa trazer perigo à integridade da máquina. Os relés
de subtensão, na maioria dos casos, são dotados de uma unidade de
sobretensão.
• Relés de sub e sobretensão
Nos relés de sub e sobretensão a tensão de operação para um determinado
tape é a tensão mínima para a qual os contatos do lado esquerdo se fecham. Já
os contatos do lado direito se fecham para uma determinada percentagem da
tensão de operação. As curvas da figura abaixo mostram as características de
operação desses relés de fabricação GE.
Figura 36: Curvas características de um relé de fabricação GE
Os relés de sub e sobretensão apresentam normalmente contatos de dupla
posição. Os contatos da esquerda se fecham quando a tensão se eleva a um valor
predeterminado. Já os contatos da direita se fecham quando a tensão do sistema
cai a um determinado valor também predefinido. Se a tensão do sistema variar
entre os dois valores de tensão definidos nos ajustes anteriores, o relé não atua.
2.6.2.2 Relé de tensão instantâneo
É um relé eletromagnético dotado de armadura articulada. Os relés de
tensão instantâneos eletromecânicos são oferecidos em dois modelos distintos;
subtensão e sobretensão.
• Relé de subtensão instantâneo
Seu campo de aplicação compreende, entre outros, a atuação em casos de
subtensão por afundamento da tensão de serviço, transferências de cargas etc.
Quando utilizado em circuitos industriais providos de motores de grande porte,
deve-se tomar precauções durante o seu arranque devido à queda de tensão
correspondente, que poderá fazer o relé atuar, já que não existe possibilidade de
introduzir qualquer retardo adicional.
• Relé de sobretensão instantâneo
Este relé atua quando a tensão aumenta de um valor preestabelecido na
regulagem. Sua aplicação se faz sentir principalmente na proteção de linhas de
transmissão com defeito à terra em sistemas não aterrados ou aterrados com alta
impedância.
2.6.2.3 Relé de tensão microprocessado
É um aparelho composto por relés eletrônicos de medição de tensão a
tempo independente, com operação instantânea ou temporizada. Na mesma
unidade podem-se ajustar os valores de sub ou sobretensão para disparo do
disjuntor. A figuras 37 e 38, mostram o esquema funcional básico de um relé
microprocessado e sua imagem, respectivamente.
Figura 37: Esquema funcional de um relé microprocessado
Figura 38: Relé de tensão microprocessado
2.6.3 RELÉ DIFERENCIAL DE CORRENTE
Por definição, um relé diferencial é aquele que opera quando o vetor da
diferença de duas ou mais grandezas elétricas semelhantes excede uma
quantidade pré-determinada. Assim sendo, quase que qualquer tipo de relé,
quando conectado de uma certa maneira, pode operar como um relé diferencial.
Há, basicamente, os relés diferenciais amperimétricos e a porcentagem.
A proteção diferencial não é sensibilizada pelas correntes de defeito
resultantes de falhas ocorridas fora da zona protegida, podendo atuar devido aos
erros inerentes aos transformadores de corrente. Em suma, um relé diferencial é
aquele que compara as correntes que entram e saem dos seus terminais. Caso
haja uma diferença entre essas correntes, superior a um determinado valor
ajustado, o relé é sensibilizado, enviando ao disjuntor o sinal de disparo. O
princípio de funcionamento do relé diferencial para uma falta externa à zona
protegida pode ser entendido analisando-se 39 e 40.
Figura 39: Falta fora da zona de proteção diferencial
Para uma falta no ponto F da figura 39, resulta uma corrente de defeito
elevada, de valor Icc. Em correspondência, surge nos secundários do TC uma
corrente de valor Is, que percorre o circuito diferencial, conforme indicado na
figura. Como as correntes nos secundários dos TC’s são praticamente iguais e de
mesmo sentido e percorrem as duas metades da bobina de restrição (BR), não há
nenhuma corrente circulando na bobina de operação (BO), o que resulta na não-
operação do relé diferencial, como é desejado, ou seja: ∆I=0, já que Is≈Ip. Neste
caso, a bobina de restrição age fortemente no sentido de manter o relé inoperante
devido ao conjugado proporcionado pelas correntes Is e Ip atuando no mesmo
sentido de restrição.
Figura 40: Falta dentro da zona de proteção diferencial
Já na figura 40, o defeito se verifica no interior da zona protegida. Neste
caso, a corrente Icc alimenta a falta no ponto F e percorre o transformador de
corrente primário TCp, resultando no seu secundário uma corrente Ip. Assim, a
bobina de restrição é percorrida pelas correntes Is e Ip, e a bobina de operação
pela corrente ∆I=Is+Ip, fazendo atuar os disjuntores do transformador. Vale
observar que, no primário do transformador de corrente secundário TCs, não
circula nenhuma corrente, a não ser aquela que responde à contribuição da carga.
Neste caso, a bobina de restrição é atravessada pelas correntes Is e Ip em
sentidos opostos, enfraquecendo o conjugado de restrição. Como a corrente que
percorre a bobina de operação é elevada, já que Is e Ip se somam (∆I=Is+Ip), o
conjugado desta unidade é grande, fazendo operar o relé.
Os transformadores de corrente não devem apresentar erro superior a 20%
até uma corrente correspondente a oito vezes a corrente do tape a que o relé está
ligado, a fim de evitar uma atuação intempestiva do disjuntor. A ligação do
transformador de corrente deve ser executada de forma que, para o regime de
operação normal, não circule nenhuma corrente na bonina de operação.
2.6.3.1 Relé diferencial amperimétrico
Conforme a figura abaixo, trata-se simplesmente de um relé de
sobrecorrente instantâneo, conectado diferencialmente, e cuja zona de proteção é
limitada pelos TCs. Ainda que bastante usada esta conexão, devemos lembrar
que há erros quase sistemáticos na proteção diferencial amperimétrica e devidos,
principalmente:
• Ao casamento imperfeito dos TCs;
• Existência de componente contínua da corrente de curto-circuito, não-nula
em pelo menos duas fases;
• Ao erro próprios dos TCs
• Além disso, no caso de transformadores, deve-se considerar a corrente de
magnetização inicial e a existência de dispositivo trocador automático de
tapes.
Nessas condições, é necessário utilizar uma conexão menos sensível, ou
seja, menos susceptível de falsas operações que o relé diferencial amperimétrico.
Figura 41: Relé diferencial amperimétrico
2.6.3.2 Relé diferencial com restrição percentual
Com o objetivo de contornar as limitações do relé amperimétrico, foi
desenvolvido o relé diferencial percentual que tem como finalidade desensibilizar,
de forma controlada, a unidade amperimétrica de operação, para que ela não
opere devido aos fatores mencionados anteriormente. A filosofia da unidade
diferencial percentual é criar um pickup variável em função da corrente passante
no relé. Abordaremos o modo de funcionamento do relé diferencial e suas
principais características no próximo capítulo.
O relé diferencial percentual é utilizado para prover alta sensibilidade para
faltas internas de pequena intensidade, porém, mantendo alta seletividade quanto
a faltas externas. Conforme observa-se na figura 42, os circuitos secundários dos
TCs são conectados nas bobinas de restrição. Correntes passando por estas
bobinas inibem a operação do relé. Associada com as bobinas de restrição, tem-
se a bobina de operação, sendo que, dependendo do nível de corrente passando,
pode-se ter a operação do relé.
Figura 42: Ligação básica da proteção diferencial percentual
O princípio de funcionamento da unidade diferencial percentual pode ser
entendido a partir da balança de conjugados, como mostrado na figura 43 a
seguir.
• a bobina de operação de NO espiras age no sentido de fechar os contatos;
• a bobina de restrição de NR espiras age no sentido de abrir os contatos;
• a mola age no sentido de abrir os contatos.
A C
B i1
i2
operação
restrição
i1 - i2 mola
No
NR/2
NR/2
contatos
Figura 43: balança de conjugados (modelo de funcionamento) O conjugado (C) na balança pode ser escrito como:
MOLARESTRIÇÃOOPERAÇÃOTOTAL CCCC −−=
Passando a expressão em função da força magneto motriz (ampéres espiras) do circuito magnético, tem-se:
( )[ ] MOLA
2
2R
1R2
21O1TOTAL Ci2
Ni
2N
2kiiNkC −
+⋅−−⋅⋅=
Onde k1 e k2 são constantes de proporcionalidade. Como NO e NR são constantes, a expressão pode ser escrita como:
( ) MOLA
221
22
211TOTAL C2
iikiikC −
+⋅′−−⋅′=
Ou ainda:
MOLA2R2
2O1TOTAL CikikC −⋅′−⋅′=
Onde:
• iO é chamada de corrente de operação ⇒ 21O iii −=
• iR é chamada de corrente de restrição ⇒ 2
iii 21R
+=
Para o levantamento da característica de operação supõe-se inicialmente
duas condições:
• despreza-se o efeito de mola (CMOLA = 0);
• verifica-se o limiar de operação (CTOTAL = 0).
Então:
0ikik0 2R2
2O1 −⋅′−⋅′= ⇒ tetancons
kk
ii
1
2
R
O =′
′=
A equação anterior é do tipo y = ax, ou seja, uma reta que passa pela
origem, conforme mostra a figura 44 a seguir.
iO
iR
operação
bloqueio
limiar operação/ bloqueio do relé
Figura 44: característica operação/bloqueio sem efeito de mola
A partir da característica mostrada na figura anterior, defini-se a declividade
do relé (slope) que é dada por:
%100ii
%eDeclividadR
O ×=
Para considerar o efeito da mola, acha-se inicialmente o ponto que, para a
corrente de restrição igual a zero, ou seja, a corrente de operação mínima
necessária para fechar os contatos do relé (chamada de corrente de pickup
mínima), ou seja, o limiar de operação:
MOLA2O1 C0ik0 −−⋅′=
mínimapickup1
MOLAMINO itetancons
kC
i ==′
=
A corrente de pickup mínima (iO MIN) é aquela necessária para vencer
exclusivamente o efeito de mola na ausência da corrente de restrição (iR). A mola
é utilizada para evitar que o relé opere com baixas correntes presentes no circuito
primário, como por exemplo a corrente a vazio de transformadores.
No caso dos relés eletromecânicos, evita-se também a operação indevida face a
trepidações mecânicas que possam ocorrer com o relé.
À medida que a corrente de restrição aumenta, para o fechamento dos
contatos do relé, necessita-se de uma maior corrente de operação. Dessa forma,
uma vez que o conjugado de mola é um valor constante e pequeno face aos
conjugados de restrição e de operação na presença de altas correntes, este efeito
de mola tende a desaparecer. Colocando-se o efeito de mola superposto à
característica operação/bloqueio do relé, obtém-se uma nova característica,
conforme mostra a figura 45 a seguir.
iO
iR
operação
bloqueio
limiar operação/ bloqueio do relé
ipickup mínima →→→→
δ (declividade)
Figura 45: característica operação/bloqueio com efeito de mola Assim, concluí-se que:
⇒
>
×δ
>
aminmípickupO
RO
ii
ei100
%i
o relé opera
⇒×δ
< RO i100
%i o relé bloqueia
⇒×δ
= RO i100
%i o relé encontra-se no limiar
operação
Na figura 45, a abscissa é a corrente de restrição e, na ordenada, temos a
corrente de operação ( Iop ), requerida para operar o relé. Nos relés
eletromecânicos, pode-se encontrar desde ajustes fixos até ajustes variáveis,
através de tapes. Nos relés digitais, estes ajustes passam a ser parâmetros,
podendo-se parametrizar praticamente qualquer valor para a curva de restrição
(dentro, é claro, dos limites estabelecidos pelo fabricante). A relação entre
ordenada e abscissa é chamada de declividade, ou slope, do relé. Normalmente, a
declividade é dada em valor percentual. Podemos visualizar na figura abaixo um
exemplo de relé diferencial digital.
Figura 46: Relé diferencial digital
Teoricamente, a corrente diferencial é nula em caso de falta externa à
região protegida, sendo uma imagem da corrente total em caso de falta interna.
Na prática, os inevitáveis erros intrínsecos ao relé e aos transformadores de
corrente aliados aos erros impostos pelo sistema elétrico inviabilizam qualquer
aplicação simplória do conceito diferencial. O erro intrínseco ao relé é quantificado
por sua classe de exatidão. Os erros intrínsecos aos transformadores de corrente
advêm inevitável-ente da corrente de excitação (o que determina a exatidão), o
que remete a seu comportamento transitório, bem como à possibilidade de
relações de transformação diferentes, sendo facilmente compensáveis neste caso.
2.6.4 RELÉ DIRECIONAL
2.6.4.1 Introdução
A proteção direcional é feita com relés que só "enxergam" as correntes de
falta em um determinado sentido previamente ajustado (sentido de atuação do
relé) . Se a falta provocar uma corrente no sentido contrário (corrente inversa ou
reversa), estes não "vêem" , portanto não atuará.
Alguns relés são inerentementes direcionais, isto é, são projetados e
fabricados para desenvolverem esta característica. Outros não são, portanto nece-
ssitam que unidades direcinonais sejam acopladas. A característica direcional é
necessária em relés de sistema que permite a inversão de corrente de falta, caso
de linhas em anel, como visto na figuta abaixo. Esta inversão cria dificuldade de
seletividade entre os relés não direcionais, impossibilitando a eliminação
sequencial de faltas. Os relés direcionais inibem as medições de corrente reversas,
evitando atuações indevidas.
Figura 47: Circuito em anel protegido por relés de sobrecorrente direcionais, com excessão de “e” e “5”
Na Figura 47, considerando-se os relés com os sentidos de atuação dados
pelas setas e com a temporização: t5 > t4 > t3 > t2 > t1 (sentido horário) e te > td >
tc > tb > ta (sentido antihorário), pode-se observar que o sistema de proteção é
seletivo, pois uma falta em qualquer trecho será eliminada pela ação de dois relés
mais próximos desta. Uma falta em F1, por exemplo, será limpa pela atuação dos
relés de 4 e b.
Os relés direcionais caracterizam-se por duas grandezas de entrada, uma
de operação ou atuação e outra de polarização ou referência. A identificação da
"direção de atuação" é feita utilizando o ângulo de defasagem da grandeza de
operação em relação à grandeza de polarização. As unidades direcionais mais
comuns são do tipo corrente-corrente (as grandezas de polarização e atuação são
duas correntes) e tensão-corrente (a grandeza de polarização é a tensão e a de
atuação é a corrente).
2.6.4.2 Equação característica de um relé direcional
O relé direcional é basicamente composto de uma balança de torques, na
qual no lado da operação (que produz conjugado positivo, no sentido de fechar os
contatos) tem-se um elemento direcional e no lado de bloqueio (para abrir os
contatos) tem-se uma mola, conforme a figura 48.
Figura 48:Balança de torques para o relé direcional 67
A equação de torques deste relé é dada por:
KmolaKVIT −−= )cos( τθ
Onde;
T é o torque resultante na balança - se “+” o relé opera, se “-” o relé bloqueia)
K é uma constante de proporcionalidade
V é o valor eficaz da tensão na bobina de potencial
θ é o ângulo de defasamento entre a tensão e a corrente
τ é o ângulo de máximo torque do relé
2.6.4.3 Tipos de polarização
• Corrente-corrente
É alimentado por duas correntes retiradas do sistema protegito através de
TCs (figura 49).Uma será tomada como grandeza de referência e a outra como
grandeza de atuação (figura 50).Tipicamente é aplicado na proteção de neutro ou
terra de linhas de transmissão ou alimentadores com múltiplas fontes de corrente
de sequência zero.
Figura 49: Esquema de alimentação de um relé direcional tipo corrente-corrente
Figura 50: Diagrama fasorial funcional de um relé corrente-corrente
• Tensão – corrente
Este é o tipo de relé direcional mais comum. É conectado ao sistema prote-
gido por meio de TPs e TCs (figura 51). A corrente é a grandeza de operação e a
tensão, a grandeza de polarização. Geralmente é empregado para a proteção de
faltas envolvendo somente as fases. A figura 52 representa fasorialmente essa
relação.
Figura 51: Esquema de alimentação de um relé direcional monofásico tipo tensão-corrente
Figura 52: Diagrama fasorial funcional de um relé tensão-corrente
2.6.4.4 Conexões de relés direcionais
As polaridades dos circuitos de corrente e potencial, através dos correspon-
dentes TCs e TPs determinam as condições de operação dos relés direcionais.
Por exemplo, os relés direcionais tensão-corrente podem ser conectados a um
sistema elétrico trifásico de diversos maneiras. Isto é, o ângulo entre a tensão e a
corrente no relé define a tipo de ligação do mesmo.
O tipo de conexão ou ligação é determinado pelo ângulo entre a tensão
aplicada ao circuito de potencial e a corrente ao circuito de corrente, considerando
o sistema com fator de potência unitário e sequência direta. As conexões mais
usuais são: 90° , 30° , 60° e 0° , estão mostradas nas figuras 53 a 56, dadas a
seguir.
Figura 53: conexão 0°
Figura 54: conexão 90°
Figura 55: conexão 30°
Figura 56: conexão 60°
Os relés de sobrecorrente direcionais (67), têm ângulos de sensibilidade
máxima que podem ser ajustados numa faixa que varia geralmente entre 20° e 80°,
entretanto, as faixas de atuação vão de aproximadamente -120° a +120° , em
relação a reta de máxima sensibilidade.
Procura-se ajustar este ângulo em conjunto com o ângulo de ligação do
mesmo, a fim de que se possa obter o melhor desempenho possível na operação
do relé. A título de exemplo, considere-se o diagrama fasorial da figura 57, onde
estão representadas a característica de um relé 67, com τ = 45° , ligação 90° e as
correntes de curtos-circuitos de um sistema trifásico aterrado.
Figura 57: características de um relé 67 e correntes de curtos-circuitos
Observando-se a figura 57, concluí-se que o relé apresenta melhor
desempenho para o curto bifásico envolvendo as fases 1 e 2 e para o curto fase1-
terra (correntes próximas da reta de máxima sensibilidade). No caso do curto
bifásico entre as fases 1 e 3, não terá uma boa performance (corrente mais
afastada da reta de máxima sensibilidade).
2.6.5 RELÉ DE FREQUÊNCIA
Os relés de frequência podem ser ajustados tanto para atuação em
situações de subfrequência como no caso de sobrefrequência. Sabe-se que os
geradores quando operam em determinados instantes, fornecendo uma potência
inferior à exigida pela carga, podem fornecer ao sistema frequências abaixo do
valor nominal. Isso é comum quando se verifica um aumento brusco de carga.
Já o fenômeno de sobrefrequência ocorre, em geral, quando determinados
blocos de carga são desligados do sistema de forma intempestiva, provocando,
consequentemente, sobrevelocidade nos geradores da usina. Nesses casos, são
empregados esquemas de inserção de carga, através da entrada escalonada de
disjuntores dos circuitos atingidos, de forma a levar o sistema a sua condição
normal de operação.
Nesses dois casos utilizam-se os relés de frequência, cujos ajustes devem
ser feitos para as condições desejáveis.
2.6.6 RELÉ DE RELIGAMENTO
Os relés de religamento somente devem ser aplicados nas subestações de
potência para proteção de alimentador de distribuição ou em alguns casos linhas
de transmissão. Nesses sistemas é muito grande a percentagem de defeitos
transitórios como, por exemplo, o toque de galhos de árvore nos cabos condutores
aéreos durante a passagem de uma onda de vento mais forte. O defeito é logo
removido sem a necessidade de deslocamento de uma turma de manutenção.
Caso contrário, sem o emprego do relé de religamento, a turma de manutenção
deveria percorrer o alimentador à procura de anormalidades que geralmente não
iria encontrar neste caso específico.
Para reduzir as pertubações no fornecimento ao consumidor, torna-se
necessário ter-se um ciclo de religamento com o tempo de extinção do arco,
denominado ciclo rápido, que fica geralmente em cerca de 0,3 s. Com a
persistência do defeito, entra em ação o segundo ciclo, denominado ciclo longo.
Tem-se utilizado, mesmo que raramente, um terceiro ciclo longo, devendo-se,
neste caso, analisar as consequências negativas para o sistema. Nessas
condições, a capacidade de ruptura do disjuntor fica reduzida, os transformadores
de medida podem sofrer aquecimento exagerado, bem como as chaves
seccionadoras e outros equipamentos que estejam instalados no alimentador com
defeito.
Colocar a foto de um relé de religamento
2.6.7 RELÉ DE BLOQUEIO POR OSCILAÇÃO
Esse relé tem como função bloquear a atuação da proteção de distância,
para as variações dinâmicas do carregamento, ou seja, oscilações e perdas de
sincronis-mo.
Em essência, esse relé deve discriminar as condições de falta, das
condições de variações dinâmicas do carregamento :
• A impedância medida vai do ponto de operação para a posição de falta muito rapidamente, caracterizando situação de falta.;
• A impedância medida varia lentamente num fenômeno dinâmico, situação característica de transitório eletromecânico.
2.6.8 RELÉ DE GÁS OU RELÉ DE BUCHHOLZ
O relé de gás, também chamado de BUCHHOLZ, é empregado
normalmente em transformadores de força que possuem tanque auxiliar e tem a
finalidade de proteger o transformador contra defeitos internos que produzam
gases ou movimento brusco do óleo, tais como: descargas internas, avarias no
isolamento com formação de arco, perdas de isolamento entre chapas do núcleo
ou nos tirantes de amarração, alta resistência nas ligações, etc. O relé de gás
ainda atua quando o nível de óleo baixa além do ponto em que está situado. É
colocado entre o tanque do transformador e o conservador, como mostra a figura
abaixo.
Figura 59: Relé de gás
O buchholz consta essencialmente de duas bóias (vistas na figura abaixo),
cada qual possuindo um contato de mercúrio. O funcionamento das mesmas será
descrito a seguir.
Figura 60: Partes do relé de gás
2.6.8.1 Processo de operação do relé
• Bóia superior (flutuador): opera para defeitos que produzem gás
lentamente. Imagine uma falha no isolamento entre duas espiras ou uma
ligação que começa a apresentar defeito. Tais fatos ocasionam excessivo
calor nos pontos onde ocorrem. O calor produz a volatização do óleo, isto é,
transforma o óleo em gás. Este gás sobe e vai para a parte mais alta que é
o conservador. Ao passar pelo relé, no entanto, ele se acumula na parte
superior do mesmo, empurrando o óleo aí existente para baixo. Em
consequência, não havendo óleo, o flutuador baixa e fecha os contatos que
fazem soar o alarme e aparecer uma indicação visual.
• Bóia inferior: um curto-circuito entre as espiras do transformador ou ainda o
rompimento de uma espira, pode acarretar na formação de um arco. Neste
caso, forte calor desenvolvido ocasiona a formação de grandes bolhas de
gás, o que força o óleo a passar com grande velocidade pelo relé em
direção ao conservador. O fluxo de óleo e gás empurram a bóia inferior,
fazendo com que o contato de mercúrio feche o circuito de disparo da
proteção.
O relé buchholz ainda pode operar para baixo nível de óleo e para
sobrecargas elevadas.Quando o nível de óleo cai a um ponto abaixo da bóia
superior, soa um alarme. Quando o nível de óleo baixa mais ainda, a bóia inferior
se desloca e fecha o circuito de disparo da proteção do transformador.
Para o caso de sobrecargas violentas, que produzem grande aquecimento
nos enrolamentos do transformador, o relé de gás também pode operar. Isto
acontece porque, se a temperatura do enrolamento atingir cerca de 150° C ou
mais, o óleo começa a se volatilizar. Se isto ocorrer em boa parte dos
enrolamentos, haverá formação brusca de várias bolhas, acarretando o
deslocamento do óleo em direção ao conservador. Ao passar pelo relé de gás,
empurra a bóia inferior e fecha o contato de mercúrio.
