0031178 PROTEO DE SOBRECORRENTE DE SISTEMAS DE DISTRIBUIO

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UNIVERSIDADE FEDERAL DE ITAJUB Pr-Diretoria de Pesquisa e Ps-Graduao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica PROTEO DE SOBRECORRENTE DE SISTEMAS DE DISTRIBUIO Otavio Henrique Salvi Vicentini Dissertao submetida ao Programa de Ps-Graduao em Engenharia Eltrica como requisito parcial obteno do ttulo de Mestre em Cincias em Engenharia Eltrica Orientador: Prof. Manuel Luis B. Martinez, Dr. Itajub, 05 de Abril de 2004 Anexo A Universidade Federal de Itajub Anexo A Principais Condutores Utilizados em Sistemas de Distribuio As tabelas abaixo apresentam as principais caractersticas de alguns condutores utilizados em sistemas de distribuio. N AWG [mm2] Formao (N de Fios) Peso Aproximado [g/m] Capacidade em Ampres 6 13,30 1 118 100 4 21,15 1 188 130 3 26,70 3 242 170 2 33,66 7 305 200 1/0 53,48 7 485 260 2/0 67,43 7 611 300 4/0 107,20 7 972 400 Tabela 1 Condutores de Cobre Nu(CC)[4]. 152Anexo A Universidade Federal de Itajub N AWG e MCM [mm2] Formao (N de Fios) Espessura da capa [mm] Peso aproximado com a capa [g/m] Capacidade em Ampres 10 5,26 1 0,3 50,4 47 8 8,36 1 0,4 80,2 75 6 13,30 1 0,5 128 100 4 21,15 1 0,6 202 130 3 33,63 7 0,6 336 200 1/0 53,48 7 0,7 531 260 2/0 67,43 19 0,7 657 300 4/0 107,20 19 0,7 1032 400 250 126,67 19 0,9 1230 500 253,35 37 1,0 2417 Tabela 2 Condutores de Cobre Encapados[4]. N AWG e MCM [mm2] Formao (N de Fios) Peso Aproximado [g/m] Capacidade em Ampres 4 21,15 7 57,7 110 1/0 53,48 7 146,1 200 3/0 85,00 7 232,1 275 336,4 170,40 19 467,8 430 Tabela 3 Condutores de Alumnio Nu[4]. 153Anexo A Universidade Federal de Itajub N AWG e MCM [mm2] Formao (N de Fios) Espessura da capa [mm] Peso aproximado com a capa [g/m] Capacidade em Ampres 4 21,15 7 0,6 71,7 110 1/0 53,48 7 0,7 192,1 200 3/0 58,00 7 0,7 285,0 275 336,4 170,40 19 0,9 550,0 430 Tabela 4 Condutores de Alumnio Encapados [4]. CA Carregamento (MVA) Condutor Bitola Capacidade em Ampres 13,8 kV 23,0 kV 6 AWG 4 AWG 114 2,72 4,54 2 AWG 152 3,63 6,06 1/0 AWG 203 4,85 8,09 2/0 AWG 235 5,62 9,36 3/0 AWG 271 6,48 10,80 4/0 AWG 314 7,51 12,51 266,8 MCM 363 8,65 14,42 366,4 MCM 419 10,02 16,69 477,0 MCM 519 12,41 20,68 Tabela 5 Carregamento de Condutores (CA) [9]. 154Anexo A Universidade Federal de Itajub CAA Carregamento (MVA) Condutor Bitola Capacidade em Ampres 13,8 kV 23,0 kV 6 AWG 4 AWG 125 2,99 4,98 2 AWG 180 3,82 6,37 1/0 AWG 220 5,26 8,76 2/0 AWG 250 5,98 9,96 3/0 AWG 290 6,93 11,55 4/0 AWG 330 7,89 13,15 266,8 MCM 369 8,82 14,70 366,4 MCM 428 10,23 17,05 477,0 MCM 523 12,50 20,83 Tabela 6 Carregamento de Condutores (CAA) [9]. CC Carregamento (MVA) Condutor Bitola Capacidade em Ampres 13,8 kV 23,0 kV 6 AWG 121 2,89 4,82 4 AWG 163 3,90 6,49 2 AWG 226 5,40 9,00 1/0 AWG 305 7,29 12,15 2/0 AWG 354 8,46 14,10 3/0 AWG 412 9,85 16,45 4/0 AWG 477 119,40 19,00 266,8 MCM 366,4 MCM 477,0 MCM Tabela 7 Carregamento de Condutores (CC) [9]. OBS.: Os valores de carregamento em MVA foram calculados para as tenses de 13,8 kV e 23,0 kV. Para diferentes tenses, este carregamento deve ser recalculado, tendo a corrente nominal (capacidade) do condutor como base. 155Anexo A Universidade Federal de Itajub Limite Trmico Coeficiente de Queda N Condutor 13,8 23,0 13,8 23,0 R1 X1 R0 X0 1 3 CC-8 1,7190 2,7400 1,2800 0,4580 2,3612 0,5289 2,5395 1,98012 3 CC-6 2,8922 4,8203 0,8630 0,3090 1,485 0,5115 1,6627 1,95903 3 CC-4 3,8959 6,4932 0,6010 0,2150 0,9341 0,4941 1,1119 1,94164 3 CC-2 5,4017 9,0029 0,4320 0,1550 0,5935 0,4705 0,7713 1,91805 3 CC-1/0 7,2899 12,1499 0,3250 0,1170 0,3773 0,4549 0,5550 1,90186 3 CC-2/0 8,4611 14,1019 0,2910 0,1040 0,2989 0,4462 0,4767 1,89377 3 CC-3/0 9,8474 16,4124 0,2560 0,0920 0,2374 0,4295 0,4152 1,87708 3 CC-4/0 11,4010 19,0017 0,2320 0,0820 0,1883 0,4245 0,3661 1,87209 3 CC-250 12,8920 20,5520 0,2170 0,0780 0,1597 0,4183 0,3375 1,865810 3 CC-300 14,5630 23,2160 0,2040 0,0730 0,1336 0,4114 0,3114 1,858911 3 CA-4 2,7247 4,5413 0,8720 0,3120 1,5295 0,4846 1,7073 1,937212 3 CA-2 3,6330 6,0550 0,6040 0,2160 0,9627 0,4686 2,1405 1,918113 3 CA-1/0 4,8520 8,0867 0,4330 0,1550 0,6053 0,4518 0,7831 1,899314 3 CA-2/0 5,6168 9,3614 0,3730 0,1340 0,4810 0,4419 0,6588 1,889415 3 CA-3/0 6,4773 10,7955 0,3250 0,1160 0,3804 0,4301 0,5587 1,876916 3 CA-4/0 7,5051 12,5085 0,2860 0,1020 0,3021 0,4214 0,4798 1,872617 3 CA-266,8 8,6523 14,4206 0,2540 0,0910 0,2399 0,4152 0,4177 1,862718 3 CA-300 8,4070 13,3970 0,2400 0,0860 0,2132 0,4108 0,3909 1,858319 3 CA-336,4 10,0147 16,6912 0,2270 0,0810 0,1902 0,4058 0,3679 1,853320 3 CA-397,5 11,1390 17,7740 0,2120 0,0760 0,1616 0,4003 0,3393 1,847721 3 CAA-6 1,9820 3,1590 1,3130 0,4680 2,4736 0,5339 2,6513 2,099022 3 CAA-4 2,9877 4,9795 0,9190 0,3280 1,5973 0,4788 1,7750 2,092023 3 CAA-2 3,8242 6,3737 0,6640 0,2380 1,0503 0,4614 1,2281 2,088324 3 CAA-1/0 5,2583 8,7639 0,4980 0,1780 0,6961 0,4439 0,8738 2,086425 3 CAA-2/0 5,9754 9,9590 0,4300 0,1540 0,5563 0,4352 0,7340 2,077026 3 CAA-3/0 6,9314 11,5524 0,3760 0,1350 0,4494 0,4264 0,6277 2,064627 3 CAA-4/0 7,3875 13,1458 0,3300 0,1180 0,3679 0,4177 0,5457 2,039828 3 CAA 266,8 8,8196 14,6994 0,2930 0,1050 0,2393 0,4046 0,4170 1,9677 156Anexo A Universidade Federal de Itajub 157 Limite Trmico Coeficiente de Queda N Condutor 13,8 23,0 13,8 23,0 R1 X1 R0 X0 29 3 CAA-300 8,8330 14,0820 0,2310 0,0330 0,2126 0,4003 0,3903 1,963330 3 CAA-336,4 10,2298 17,0498 0,2200 0,0790 0,1902 0,3959 0,3679 1,959031 3 CAA-397,5 11,5620 18,4210 0,2040 0,0730 0,1610 0,3898 0,3387 1,952832 2 CA-4 1,5732 2,6220 1,7880 0,6360 1,5295 0,5230 1,7073 1,937233 2 CAA-6 1,0570 1,6850 2,6890 0,9490 2,4736 0,5347 2,6513 2,097034 2 CAA-4 1,7250 2,8750 1,8860 0,6700 1,5973 0,5172 1,7750 2,092035 1 CAA-4 0,9959 1,6599 2,2010 0,8110 1,5976 0,7486 1,7762 1,525536 2 CC-6 1,6698 2,7830 1,7700 0,6290 1,4854 0,5448 1,6627 1,959037 2 CAA-2 2,2080 3,6800 1,3680 0,4880 1,0503 0,4998 1,2281 2,088338 2 CC-8 0,9170 1,4610 2,6250 0,9270 2,3612 0,5623 2,5395 1,980139 3 CC-500 SU 9,1310 16,5720 0,0670 0,0450 0,09050 0,0948 1,1096 0,150140 3 CA-750 SU 10,4930 17,4090 0,0800 0,0470 0,1080 0,1141 0,5744 0,051041 3 CA-477 12,4049 20,6748 0,1670 0,0600 0,1348 0,3921 0,3127 1,839242 3 309MMACO 0,1740 0,2900 13,4090 4,8270 16,0600 0,5285 25,6800 1,920043 2 CAA-1/0 3,0360 5,0600 1,0310 0,3680 0,6961 0,4823 0,8738 2,086444 2 309 MACO 0,0970 0,1610 26,8380 9,6620 25,5000 1,0390 25,6800 1,920045 1 309 MMACO 0,0570 0,0930 40,2300 14,4920 25,5000 1,0390 25,6800 1,920046 1 225 MMACO 0,0570 0,0930 25,3060 9,0950 16,0600 1,0390 16,2400 1,920047 2 225 MMACO 0,0970 0,1610 16,8520 6,0720 16,0800 0,5320 16,2400 1,920048 3 225 MMACO 0,1740 0,2900 8,4350 3,0320 16,0600 0,4942 16,2400 1,920029 3 CAA-300 8,8330 14,0820 0,2310 0,0330 0,2126 0,4003 0,3903 1,963330 3 CAA-336,4 10,2298 17,0498 0,2200 0,0790 0,1902 0,3959 0,3679 1,959031 3 CAA-397,5 11,5620 18,4210 0,2040 0,0730 0,1610 0,3898 0,3387 1,952832 2 CA-4 1,5732 2,6220 1,7880 0,6360 1,5295 0,5230 1,7073 1,937233 2 CAA-6 1,0570 1,6850 2,6890 0,9490 2,4736 0,5347 2,6513 2,097034 2 CAA-4 1,7250 2,8750 1,8860 0,6700 1,5973 0,5172 1,7750 2,092035 1 CAA-4 0,9959 1,6599 2,2010 0,8110 1,5976 0,7486 1,7762 1,525536 2 CC-6 1,6698 2,7830 1,7700 0,6290 1,4854 0,5448 1,6627 1,9590Tabela 6 Tabela de Impedncia de Condutores [9]. Referncias [1] IEEE Tuturial Course, Application and Coordination of Reclosers, Sectionalizers, and Fuses, 1982. [2] Amadeu C. Caminha, Introduo Proteo dos Sistemas Eltricos, Escola Federal de Engenharia de Itajub-EFEI, 1977, Editora Edgard Blcher Ltda. [3] Comit de Distribuio, Proteo de Sistemas Areos de Distribuio, Coleo Distribuio de Energia Eltrica, Editora Campus Eletrobrs, Vol. 2, 1982. [4] Jos Marcio de Melo Costa, Apostila de Gerao, Transmisso e Distribuio de Energia Eltrica II, Escola Federal de Engenharia de Itajub-EFEI, 1986. [5] Curso de Treinamento da AES Sul, Proteo de Sistemas Eltricos de Distribuio, AES Sul, 2000. [6] Cludio Ferreira, Apostila de Anlise de Sistemas Eltricos de Potncia, Universidade Federal de Engenharia de Itajub-UNIFEI, 2002. [7] Jos Adolfo Cipoli, Engenharia de Distribuio, Editora Qualitymark, 1986 [8] William H. Kersting, Distribution System Modeling and Analysis, Universidade do Novo Mxico, 2002. [9] Sergio Giguer, Proteo de Sistemas de Distribuio, Editora SAGRA, Porto Alegre-RS, 1988. Normas Tcnicas [10] Norma Brasileira NBR 6546 da ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas. 150 151[11] Norma Brasileira NBR 6856 da ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas. [12] Norma nacional americana (ANSI - American National Standards Institute) ANSI C37.60. [13] Norma Brasileira NBR 8177 da ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas. [14] Norma nacional americana (ANSI - American National Standards Institute) ANSI C37.63. [15] Norma internacional (IEEE Institute of Electrical and Electronic Engineers) IEEE C6211. [16] Norma brasileira NBR 5359 de 1989 da ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas. [17] Norma brasileira ABNT PB-995 de 1990 da ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas. Artigos [18] Fortescue C. L., Method of Simmetrical Coordinates Applied to the Solution of Polyphase Networks, Trans A.I.E.E., 1918, Vol. 37, p 1027) [19] John R. Carson, Wave Propagation in Overhead Wires With Ground Return, Bell System Technical Journal, Vol. 5, New York, 1926. [20] Otavio H. S. Vicentini, Airton Violin, Manuel L. B. Martinez, Renato Oling, Hermes R. P. M. de Oliveira, Analyze of Short Circuit in Secondary Lines of Distribution System, SCC2002 10th International Symposium on Short Circuit Currents in Power System, IEE, Lodz, Polnia, 27 a 29 de Outubro de 2002. Captulo 6 UNIFEI Captulo 7 Concluses Finais Para entender um pouco sobre proteo de sobrecorrente de sistemas de distribuio no basta apenas conhecer os critrios e condies importantes para o funcionamento apropriado deste tipo de sistema, cuja finalidade garantir a segurana, confiabilidade e integridade dos equipamentos e do sistema de eltrico como um todo. necessrio compreender como funcionam os equipamentos e dispositivos de proteo e como so calculados os parmetros que determinam e orientam o ajuste e seleo destes mesmos. Neste intuito, foram reunidas e apresentadas nesta dissertao todas as informaes consideradas como indispensveis para avaliao de um sistema de proteo de sobrecorrente, desde o clculo de parmetros de linha e correntes de curto-circuito, funcionamento e caractersticas dos principais equipamentos utilizados at os principais critrios para seleo, aplicao e ajuste da seletividade e coordenao destes equipamentos e dispositivos, sendo apresentados tambm alguns exemplos hipotticos da aplicao de alguns destes critrios. Todas essas informaes podem auxiliar no treinamento tcnico de profissionais e na elaborao de futuros trabalhos que contemplem proteo e sistemas de distribuio. A maior parte das referncias citadas e utilizadas neste trabalho so da dcada de 80, mas ainda muito utilizadas, pois desde ento, poucos trabalhos foram escrito nesta rea. Com a extino do CODI Comit de Distribuio, cabe agora ABRADE Associao Brasileira de Distribuio a responsabilidade sobre novas publicaes e recomendaes tcnicas. Algumas das dificuldades encontradas na elaborao desta dissertao foram: definir as informaes bsicas indispensveis, utilizar um vocabulrio comum e prtico e apresentar as regras mais importantes sobre a seletividade e coordenao de dispositivos de proteo, sendo que informaes adicionais podem ser encontradas nos Anexos A e B e nas referncias utilizadas para elaborao deste trabalho. 149Captulo 6 Universidade Federal de Itajub Captulo 6 Aplicaes Prticas 6.1 Introduo Para consolidar as informaes e critrios de coordenao e seletividade de dispositivos de proteo de sobrecorrente de sistemas de distribuio apresentados nos captulos anteriores, so apresentados neste captulo alguns exemplos e aplicaes prticas de estudos de proteo, com muitas consideraes e limitaes importantes, assim como os benefcios de uma abordagem metdica e estruturada. 6.2 Estudo N1 Neste projeto [9] so especificados os dispositivos de proteo (religador, elos) e o ajuste do rel de sobrecorrente, sendo fornecidos os nveis de curto-circuito e as correntes de carga de diferentes pontos do sistema de distribuio mostrado na figura (6.1). Este projeto estimado para 5 anos com crescimento anual mdio da carga de 3,2%. Pode-se assim calcular um fator multiplicador K dado pela expresso (4.4) apresentada no captulo 4: 17 , 11002 , 31100%15= + = + = nCK 6.2.1 Dimensionamento dos Equipamentos de Proteo Considerando o curto-circuito fase-terra mnimo como uns dos curtos-circuitos mais comuns em circuitos eltricos, esse valor utilizado como base nesse estudo. Em caso de faltas trifsicas, bifsicas e monofsicas (mximas) podem ocorrer descoordenaes, considerando que os valores desses curtos-circuitos so mais elevados. 133Captulo 6 Universidade Federal de Itajub Figura 6.1 Sistema de Distribuio (Estudo 1). 6.2.1.1 Dimensionamento das Chaves-Fusveis Todas as chaves fusveis devem apresentar as seguintes especificaes: Chave de 50 A e 24,2 kV com capacidade de interrupo de 1250 ampres. Para segurana de atuao dos elos fusveis, o valor destes no deve ser superior a 25% do valor de curto-circuito no final do trecho protegido. 134Captulo 6 Universidade Federal de Itajub 6.2.1.2 Dimensionamento dos Elos-Fusveis Fusvel F1 O curto-circuito mnimo (fase-terra mnimo) no final desse trecho de 35 A, para o qual, o nico elo recomendado o elo de 6K. 35 25 , 0 1 17 , 1 3 x Elo x ELO 1 = 6K OBS.: Pode-se optar por este elo ou deixar o ramal desprotegido. Fusvel F2 O curto-circuito mnimo (fase-terra mnimo) no final desse trecho de 45 A, para o qual pode-se utilizar o elo 6K ou 10K. Considerando o crescimento de carga de 3,2%, tem-se que: 45 25 , 0 2 17 , 1 6 x Elo x ELO 2 = 10 K A opo do elo de 10 K recomendada pelo fato desse ser mais reforado, o que uma vantagem contra os efeitos de descargas atmosfricas. Fusvel F3 O fusvel 3 deve ser simultaneamente seletivo com os elos 1 e 2, at o ponto de instalao destes elos, ou seja: 200 25 , 0 3 17 , 1 9 x Elo x Recomenda-se neste caso o elo 15 K, que seletivo com os elos 6K e 10K at respectivamente 510 A e 300 A. Como estes limites de seletividade so superiores aos valores de curto-circuito mnimo no ponto de instalao dos elos 1 e 2. Ento: 135Captulo 6 Universidade Federal de Itajub ELO 3 = 15 K O limite de seletividade o maior dos valores de curto-circuito fase-terra (mnimo) entre os elos 1 e 2. Fusvel F4 O curto-circuito mnimo (fase-terra mnimo) no final desse trecho de 100 A. O elo a ser escolhido nesse caso pode ser o elo 6 K , 10 K, 15 K ou 25 K. Considerando o crescimento de carga previsto (3,2%), tem-se que: 100 25 , 0 4 17 , 1 6 x Elo x ELO 4 = 10 K Fusvel F5 O curto-circuito mnimo (fase-terra mnimo) no final desse trecho de 120 A. Pode-se escolher nesse caso o elo 6 K , 10 K, 15 K ou 25 K. Considerando o crescimento de carga de 3,2%, tem-se que: 120 25 , 0 5 17 , 1 6 x Elo x ELO 5 = 10 K Fusvel F6 Este elo-fusvel deve ser simultaneamente seletivo com os elos F4 e F5, at o ponto de instalao destes elos.Assim: 320 25 , 0 6 17 , 1 12 x Elo x Para esta condio, o elo F6 deve ser igual ou superior a 25K. O elo 25 K seletivo com o elo 10 K at 840 A. ELO 6 = 25 K 136Captulo 6 Universidade Federal de Itajub Fusvel F4A O fusvel F4A deve ser seletivo com os elos 3 e 6 at o ponto de instalao destes elos. 350 25 , 0 4 17 , 1 21 x A Elo x Com esta condio, o elo 4A deve ser igual ou superior a 25K. Os elos a jusante so os elos 3 (15 K) e 6 (25 K) e curto-circuito mnimo de 380 A no ponto de instalao do elo 3. Como a seletividade entre os elos 40 K e 15 K limitada a 1340 A, enquanto que entre os elos 40K e 25K limitado a 660 A, pode-se adotar um elo de 40 K, uma vez que satisfaz a condio do projeto, embora a corrente no ponto de instalao seja de apenas 21 A. ELO 4A = 40 K Fusvel F7 O curto-circuito mnimo (fase-terra mnimo) no final desse trecho de 60 A. Pode-se escolher nesse caso o elos 6 K , 10 K, ou 15 K. Considerando o crescimento de carga de 3,2%, tem-se que: 65 25 , 0 7 17 , 1 6 x Elo x Pode-se adotar o elo 10 K ou 15 K. Verificando a coordenao com o religador tipo RV com bobina-srie de 50 A, bobina de disparo de terra (GTS Ground Trip Solenoid) de 63,5 A, o valor de curto-circuito fase-terra mnimo e a segurana, tem-se ento que: ELO 7 = 10 K 137Captulo 6 Universidade Federal de Itajub Fusvel F8 O curto-circuito mnimo (fase-terra mnimo) no final desse trecho de 70 A. Pode-se escolher nesse caso o elo 6 K , 10 K ou 15 K. Considerando o crescimento de carga previsto (3,2%), tem-se que: 70 25 , 0 8 17 , 1 8 x Elo x Com esta condio o elo 8 fica limitado a 10 K e 15 K. Verificando a coordenao com o religador tipo RV com bobina-srie de 50 A, bobina de disparo de terra de 63,5 A, o valor de curto-circuito fase-terra mnimo e a segurana, tem-se ento que: ELO 8 = 10 K Fusvel F9 O curto-circuito mnimo (fase-terra mnimo) no final desse trecho de 210 A. Pode-se escolher nesse caso o elo 6 K , 10 K, 15 K, 25 K ou 40 K. Considerando o crescimento de carga de 3,2%, tem-se que: 210 25 , 0 9 17 , 1 16 x Elo x Com esta condio o elo 9 fica limitado a 15K (se considerar 150% de sobrecarga), 25 K e 40 K. Verificando a coordenao com o religador tipo RV com bobina srie de 50 A, GTS 63,5 A, o valor de curto-circuito fase-terra mnimo e a segurana, pode-se optar entre o elo 15 K e o elo 25 K. Porm, deve-se observar que o elo 25 K no garante 0,2 segundos de afastamento em relao a corrente de atuao da bobina srie do religador, no havendo coordenao tambm o rel de neutro. Assim, tem-se que: ELO 9 = 15 K 138Captulo 6 Universidade Federal de Itajub Fusvel F10 O curto-circuito mnimo (fase-terra mnimo) no final desse trecho de 230 A. Pode-se escolher nesse caso o elo 6 K , 10 K, 15 K ou 40 K. Considerando o crescimento de carga de 3,2%, tem-se que: 230 25 , 0 10 17 , 1 10 x Elo x Com esta condio o elo 10 fica limitado a 10 K (se considerar 150% de sobrecarga), 15 K, 25K e 40 K. Verificando a coordenao com o religador tipo RV com bobina srie de 50 A, bobina de disparo de terra de 63,5 A, e o valor de curto-circuito fase-terra mnimo, deve-se optar pelo elo de 15 K considerando que para curtos-circuitos inferiores a 140 A, no h coordenao entre o elo 25 K e o rel de neutro. ELO 10 = 15 K 6.2.1.3 Dimensionamento dos Religadores Considerando que a classe de tenso no alimentador de 24,2 kV, pode-se utilizar um religador tipo RV, cuja classe de tenso de 34,5 kV. Religador R1 A corrente de carga atual no ponto de instalao do religador de 40 A, considerando um aumento de carga de 3,2%, tem-se que: A x Ifuturo8 , 46 17 , 1 40 = = Para essa corrente, pode-se utilizar um religador com bobina-srie de 50 A, bobina de disparo de terra de 63,5 A e TC com relao de 100/5, e cuja capacidade de interrupo de 6 kA, superior a todos os curtos-circuitos no ponto de instalao. A seqncia de operao sugerida neste caso tanto para fase (GS) quanto disparo de terra (GTS) a seqncia (2A,2B = duas operaes na curva rpida A e duas na curva temporizada B). 139Captulo 6 Universidade Federal de Itajub Religador R2 Este religador tem a finalidade de proteger o transformador de rede (abaixador) e como ser instalado no lado de 13,8 kV, deve-se escolher um religador com classe de tenso compatvel com esta tenso. Como a corrente de carga atual no ponto de instalao do religador de 84 A, para este valor pode-se descartar o religador tipo 6H, que no possui disparo de terra e cuja bobina-srie muito elevada (100 A) para esse nvel de curto-circuito, possibilitando a perda de sensibilidade e seletividade. O religador a ser escolhido neste caso dever ser o religador tipo KF, com bobina srie de 100 A, disparo eletrnico de 20 A (permitindo sensibilidade), com seqncia de operao (1A,2B = uma operao na curva rpida A e duas na curva temporizada B) tanto para a bobina-srie (GS)como para bobina de terra (GTS). As curvas de disparo de terra so as curvas 1 e 4 mostradas na figura (7.2). 6.2.1.4 Dimensionamento dos Rels de Sobrecorrente 1) Escolha do TC A demanda atual do alimentador de 111 A enquanto que a demanda futura prevista de 130 A (111x1,17=130). O TC deve ser especificado de forma que a corrente nominal do primrio seja compatvel com a demanda atual e prevista e possa suportar uma corrente de curto-circuito 20 vezes superior ao nvel de curto-circuito do alimentador. TC (escolhido) = 200/5 (RTC do transformador de corrente). 2) Escolha do Rel Pode-se adotar diferentes rels, como por exemplo, o rel IACE normalmente inverso (NI). 140Captulo 6 Universidade Federal de Itajub 3) Ajuste de Fase Como o TC escolhido o 200/5, a relao 40 e a demanda 111 A, pode-se escolher a derivao (tap) 5 permitindo assim eventuais manobras e proteo do transformador e do condutor troncal utilizado (3 1/0 CAA) cuja capacidade de 220 A. 4) Ajuste de Neutro O ajuste de neutro deve ser tal que o rel no fique demasiadamente sensvel ou demasiadamente insensvel, proporcionando segurana e confiabilidade, permitindo a coordenao com os dispositivos de proteo ao longo do alimentador e seletividade com os demais rels de neutro instalados montante. ) (mn n n Icc o RTCxDeriva xI K Onde: Kn Valor mximo de desequilbrio permitido. Normalmente adotado 20%. In Valor da mxima corrente do alimentador. Neste caso, o curto-circuito mnimo ou limite trmico do condutor de 100 ampres (os valores de 35 A e 45 A levaria a uma derivao muito baixa) A xDerivao x 100 40 111 2 , 0 Logo, a derivao escolhida 1,5. 141Captulo 6 Universidade Federal de Itajub 5) Escolha da Curva de Neutro A escolha da curva de neutro deve permitir seletividade a montante (mnimo 0,4 segundo) e a jusante (mnimo 0,2 segundo). Verificando o grfico de coordenao mostrado na figura (7.2), pode-se adotar a curva de nmero 3, com essa curva garantida a seletividade entre a bobina-srie do religador e a curva do rel de neutro para correntes de curto-circuito superiores a 200 ampres, devendo ser verificado um afastamento de 0,2 segundos. A seletividade entre o rel de neutro e o elo 15 K obtida para . A Icc 120 A seletividade entre o rel de neutro e o elo 25 K obtida para . A Icc 220 A seletividade com os elos 6 K e 10 K integral. A curva lenta do GTS (100/5, 63,5 A) por ser demasiadamente retardada perde a coordenao normalmente com rel de neutro para faltas permanentes. 6) Escolha da Curva de Fase A escolha da curva de fase deve tambm permitir seletividade a montante (mnimo 0,4 segundo) e a jusante (mnimo 0,2 segundo). Verificando o grfico de coordenao mostrado na figura (6.2), pode-se adotar a curva de nmero 2, com essa curva garantida a seletividade com a curva de fase do religador, os elos 6, 10, 15, 25 e 40 K para correntes de curtos-circuitos superiores 350 ampres, e o elo 65 K para correntes de curtos-circuitos superiores 650 ampres. 7) Escolha da Unidade Instantnea de Fase Neste caso, devido a existncia de uma area rural a partir da chave F4A, recomendado o Modelo 1, no qual a unidade instantnea a proteo de retaguarda nas zonas de proteo a jusante. Assim, a unidade instantnea proteo primria at o dispositivo de proteo F4A. 142Captulo 6 Universidade Federal de Itajub Neste caso, a corrente de curto-circuito bifsico de 520 ampres e a relao entre esta falta e a RTC(520/40) 13. No entanto, como o a corrente de energizao deve ser de 4 a 6 vezes a corrente de carga deste alimentador (rural/urbano), ou seja, uma corrente de 444 a 666 ampres, deve-se adotar a maior relao RTC(666/40) = 17 para unidade instantnea de fase. 8) Escolha da Unidade Instantnea de Neutro Da mesma forma que a unidade instantnea de fase, a unidade instantnea de neutro deve proteger at o dispositivo de proteo F4A, ou seja, at o elo 40 K. Neste caso, o curto-circuito fase-terra mnimo 400 A e a relao entre esta falta e a RTC (400/40) 10, deste modo, deve-se adotar esse valor no caso do rel ter uma unidade de neutro. A figura (6.2) mostra o diagrama de coordenao elaborado para este estudo. 143Captulo 6 Universidade Federal de Itajub Figura 6.2 Diagrama de Coordenao (Estudo 1). 144Captulo 6 Universidade Federal de Itajub 6.3 Estudo N2 A figura (6.3) mostra o diagrama unifilar de dois alimentadores de distribuio [4] onde se deseja instalar trs chaves fusveis (nos pontos A, B e C) e um religador (no ponto D), sendo conhecidas as extenses dos trechos e apenas as correntes mximas de carga e curto-circuito nos pontos de interesse do sistema (estudo simplificado). 6.3.1 Dimensionamento dos Equipamentos de Proteo As chaves fusveis a serem instaladas nos pontos A, B e C devem ser especificadas segundos as regras: Ponto A Chave de 50 A e 15 kV, com capacidade de interrupo de 1250 A; Ponto B Chave de 50 A e 15 kV, com capacidade de interrupo de 1250 A; Ponto C Chave de 100 A e 15 kV, com capacidade de interrupo de 2000 A; O religador a ser instalado no ponto D deve ser trifsico (tipo 6H, por exemplo), com bobina-srie de 50 A, capacidade de interrupo de 2000 A e seqncia de operao (2A,2B = duas operaes na curva rpida A e duas na curva temporizada B). Os elos fusveis devem ser dimensionados de acordo com os critrios da coordenao da proteo apresentados no captulo 5 e no estudo anterior (com estudo completo). 6.3.2 Coordenao da Proteo Inicialmente, o elo fusvel a ser instalado no ponto A deve coordenar com o religador tipo R da subestao. De acordo com os critrios apresentados no captulo 5, independente da carga, pode-se adotar um elo fusvel 25K que coordena com o religador de 50 A da subestao na faixa de 100 a 460 A, sendo que para correntes de curto-circuito de 460 a 740 A no h coordenao, mas apenas seletividade, uma vez que o fusvel deve isolar apenas o ramal defeituoso. 145Captulo 6 Universidade Federal de Itajub Pode-se recomendar tambm um elo de 20T cuja faixa de coordenao com o religador da subestao mais ampla (de 100 a 700 A). Figura 6.3 Sistema de Distribuio (Estudo 2). Com relao ao elo que deve ser instalado no ponto B, independente da corrente de carga, pode-se recomendar um elo de 25K ou 20T de modo a facilitar a coordenao com o religador da subestao. Considerando que a corrente nominal da bobina-srie do religador de 70 A, o elo fusvel a ser instalado no ponto C deve ser de 30K ou 25T, conforme apresentado no captulo 5, sendo que o elo de 25T proporciona uma faixa mais ampla de coordenao (140 a 890 A). 146Captulo 6 Universidade Federal de Itajub Na instalao do religador de 50 A no ponto D deve-se considerar sua coordenao com o religador da subestao. Sendo que atravs das curvas de atuao (Figura 4.19) desses equipamentos pode-se observar que para uma corrente de curto-circuito mxima de 830 A, o religador de 50 A deve operar na sua curva temporizada B em aproximadamente 0,16 segundos, enquanto que o religador de 70 A atuaria em aproximadamente 0,26 segundos, no obedecendo assim regra fundamental da coordenao entre religadores. Entretanto, se o religador de 70 A da subestao tiver a sua seqncia de operao alterada para (1A,3C = uma operao na curva rpida A e trs na curva temporizada C), esse deve operar em aproximadamente 0,48 segundos, resolvendo assim esse problema ( 0,48 0,16 0,20 s). Ao alterar a seqncia de operao do religador da subestao deve-se reconsiderar o elo fusvel a ser instalado no ponto C. Nesse caso, recomenda-se um elo de 40K (faixa de 140 a 780 A) ou 30T (faixa de 140 a 1150 A) para coordenar com o religador da subestao, havendo assim uma ampliao da faixa de coordenao para ambos os elos. No contemplou-se neste estudo a coordenao entre os elos das chaves A e B. A figura (6.4) mostra a faixa de coordenao entre as curvas de atuao do religador e do elo fusvel. 147Captulo 6 Universidade Federal de Itajub 148 Figura 6.4 Diagrama de Coordenao Religador x Elo-Fusvel. Captulo 5 Critrios de Seletividade e Coordenao de Equipamentos de Proteo de Sistemas de Distribuio 5.1 Introduo O principal objetivo do estudo da coordenao e seletividade de dispositivos de proteo melhorar a qualidade do servio de fornecimento de energia eltrica prestado ao consumidor. Para isso, necessrio um amplo conhecimento do sistema eltrico que se deseja proteger e dos dispositivos de proteo disponveis. O ponto de partida normalmente o diagrama unifilar do circuito que mostra todas as informaes necessrias, como a localizao dos transformadores, disjuntores, religadores, chaves de manobra e chaves fusveis, com as principais caractersticas de cada dispositivo. O comprimento das linhas e a bitola dos condutores utilizados devem ser informados tambm, assim como a potncia e a demanda das cargas conectadas. A figura (5.1) mostra um diagrama unifilar tpico de um sistema de distribuio. As linhas slidas ilustram o tronco principal e os ramais trifsicos, enquanto que as linhas pontilhadas representam os ramais monofsicos. 104 Captulo 5 Universidade Federal de Itajub Figura 5.1 Diagrama Unifilar Tpico de um Sistema de Distribuio [1]. 5.2 Filosofia Bsica de Sistemas de Distribuio Para garantir a qualidade do fornecimento de energia e a confiabilidade do sistema, a proteo deve isolar uma linha ou equipamento em falta o mais rpido possvel e com o mnimo de distrbio para o resto do sistema. Porm, deve-se considerar que, segundo estudos, 90% das faltas que ocorrem em sistemas de distribuio so faltas transitrias ou temporrias, devido queda de rvores, ventanias, raios, etc. Desse modo, os estudos de coordenao e seletividade dos dispositivos de proteo devem considerar procedimentos especficos desenvolvidos para minimizar os efeitos dessas faltas no sistema. O primeiro passo necessrio para o estudo da coordenao da proteo em sistemas de distribuio determinar os critrios a serem aplicados para cada dispositivo de proteo de sobrecorrente. A prxima tarefa a criao de um diagrama detalhado que mostre, alm das informaes bsicas do sistema, as correntes de falta (mxima e mnima), as correntes de carga e a localizao das cargas crticas e mais importantes. 105Captulo 5 Universidade Federal de Itajub Alguns dos critrios normalmente utilizados na especificao de equipamentos e dispositivos de proteo de sobrecorrente so: a) Curvas de Tempo-Corrente dos dispositivos. b) Condies especiais de circuito com consideraes de terreno, densidade de carga, natureza crtica da carga, etc. c) Definio da zona de proteo de cada dispositivo de proteo, evitando a invaso de zonas e a existncias de zonas desprotegidas. A figura (5.2) mostra um diagrama unifilar com as zonas de proteo de diferentes dispositivos: do disjuntor na sada do alimentador (em azul), do religador no tronco principal (em verde) e das chaves fusveis nos ramais laterais (em vermelho). Figura 5.2 Diagrama Unifilar com Diferentes Zonas de Proteo. 106Captulo 5 Universidade Federal de Itajub Uma zona de proteo uma pequena ou grande parte do circuito protegida por um determinado equipamento de proteo que denominado protetor. A proteo dos dispositivos protetores realizada por um outro dispositivo denominado como proteo de retaguarda, cuja zona de proteo envolve parcialmente ou totalmente a zonas dos dispositivos protegidos por esse equipamento de retaguarda. Na sua zona de proteo, o equipamento protetor deve extinguir uma falta temporria ou permanente, antes que o equipamento de retaguarda interrompa o circuito (no caso do elo fusvel), ou desarme (no caso do religador ou disjuntor) depois de efetuar um nmero pr-determinado de desligamentos e religamentos. A definio das zonas de proteo de cada dispositivo deve assegurar que interrupes causadas por faltas permanentes sejam restringidas menor seo do sistema num perodo de tempo mnimo. Com base nesses princpios, so apresentados a seguir diversos critrios de coordenao para os diferentes equipamentos de proteo existentes em sistemas de distribuio. 5.3 Coordenao entre Elos-Fusveis 5.3.1 Consideraes Gerais A coordenao entre diferentes fusveis realizada atravs de suas curvas de tempo e corrente (TCCs) disponibilizadas pelos fabricantes. Nesse tipo de proteo, por norma (ABNT NBR 5359/1989 [16]), o tempo total de interrupo do elo protetor no deve exceder a 75% do tempo mnimo de fuso do elo de retaguarda. A figura (5.3) mostra um circuito protegido por dois fusveis coordenados entre si. 107Captulo 5 Universidade Federal de Itajub Figura 5.3 Coordenao de Fusveis [1]. 5.3.2 Critrios de Ajuste Para que a coordenao entre elos fusveis seja realizada, deve-se obedecer, na medida do possvel, aos critrios relacionados a seguir [3]: a) Idealmente, o elo fusvel protegido (lado da carga) deve coordenar com o elo protetor (lado da fonte) para a mxima corrente de curto-circuito no ponto de instalao do elo protetor. Entretanto, tendo em vista a grande probabilidade de ocorrncia de faltas fase-terra (valor de curto-circuito mnimo), o elo protegido deve estar coordenado com o protetor para a corrente de curto-circuito fase-terra mnima no ponto de instalao do elo protetor. No caso do elo protetor ser o elo do transformador, deve-se desprezar este critrio de coordenao caso o valor do elo protegido recomendado seja muito elevado, pois assim, pode-se prejudicar a coordenao do alimentador como um todo. b) No permitir elevado nmero de elos fusveis em srie, o que compromete a coordenao seletiva do sistema. Neste caso, deve-se reduzir a quantidade de elos ou optar pela instalao de um religador ou chave seccionalizadora. c) Nunca utilizar elos tipo H para a proteo de ramais ou circuitos primrios, reservando esse tipo de elo somente para proteo de transformadores de distribuio e redes secundrias. d) Para ampliar a faixa de coordenao entre os elos-fusveis e reduzir os tipos de elos utilizados, deve-se optar sempre que possvel por: - somente elos preferenciais (6, 10, 15, 25, 40, 65, 100, 140 e 200 K); - somente elos no-preferenciais (8, 12, 20, 30, 50 e 80 K). 108Captulo 5 Universidade Federal de Itajub e) Evitar a utilizao de elos 6K e 6T para a proteo de ramais em virtude da sua sensibilidade para descargas atmosfricas. Prefere-se a utilizao de elos 10K, ou at mesmo, elos de 15K, pois alm de menos sensvel a oscilaes transitrias correntes, estes elos ampliam a faixa de coordenao com os elos de transformadores e com religadores instalados a montante [5]. f) Para a coordenao de elos-fusveis, pode-se utilizar as Tabelas de Coordenao apresentadas nas tabelas (5.1) e (5.2). g) Os valores limites de coordenao mostrados nas tabelas (5.1) e (5.2) podem ser determinados atravs das curvas de tempo corrente dos elos-fusveis, lembrando-se, que o tempo total de interrupo do elo protetor no deve exceder 75% do tempo mnimo de fuso do elo protegido. NOTA: Em pontos muito distantes da fonte, deve-se analisar criteriosamente o valor do curto-circuito fase-terra mnimo, pois este pode ser de pequena intensidade e no ser visto pelas protees do alimentador caso o elo instalado seja superior ao 6K [5]. As tabelas (5.1) e (5.2) mostram valores de coordenao de elos fusveis tipo K e tipo T respectivamente, enquanto que as tabelas (5.3) e (5.4) mostram valores de coordenao entre elos fusveis do tipo K e H e elos fusveis do tipo T e H respectivamente. 109Captulo 5 Universidade Federal de Itajub Elo Fusvel Protegido Elo Fusvel Protetor 8K 10K 12K 15K 20K 25K 30K 40K 50K 65K 80K 100K 140K 200K 6k 190 350 510 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 8k 210 440 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 10k 300 540 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 12k 320 710 1050 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 15k 430 870 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 20k 500 1100 1700 2200 2800 3900 5800 9200 25k 660 1350 2200 2800 3900 5800 9200 30k 850 1700 2800 3900 5800 9200 40k 1100 2200 3900 5800 9200 50k 1450 3500 5800 9200 65k 2400 5800 9200 80k 4500 9200 100k 2000 9100 140k 4000 Tabela 5.1 Coordenao de Elos Fusveis Tipo K. Elo Fusvel Protegido Elo Fusvel Protetor 8T 10T 12T 15T 20T 25T 30T 40T 50T 65T 80T 100T 140T 200T 6t 350 680 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 8t 375 800 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 10t 530 1100 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 12t 680 1280 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 15t 730 1700 2500 3200 4100 5000 6100 9700 15200 20t 990 2100 3200 4100 5000 6100 9700 15200 25t 1400 2600 4100 5000 6100 9700 15200 30t 1500 3100 5000 6100 9700 15200 40t 1700 3800 6100 9700 15200 50t 1750 4400 9700 15200 65t 2200 9700 15200 80t 7200 15200 100t 4000 15200 140t 7500 Tabela 5.2 Coordenao de Elos Fusveis Tipo T. 110Captulo 5 Universidade Federal de Itajub Elo Fusvel Protegido Elo Fusvel Protetor 8K 10K 12K 15K 20K 25K 30K 40K 50K 65K 80K 100K 140K 200K 1H 125 230 380 510 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 2H 45 220 450 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 3H 45 220 450 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 5H 45 220 450 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 8H 45 220 450 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 Tabela 5.3 Coordenao de Elos Fusveis Tipo H com Elos Tipo K. Elo Fusvel Protegido Elo Fusvel Protetor 8T 10T 12T 15T 20T 25T 30T 40T 50T 65T 80T 100T 140T 200T 1H 400 520 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 2H 240 500 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 3H 240 500 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 5H 240 500 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 8H 240 500 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 Tabela 5.4 Coordenao de Elos Fusveis Tipo H com Elos Tipo T. 5.4. Coordenao entre Religadores e Elos-Fusveis 5.4.1 Primeira Condio: Elos do Lado da Carga A figura (5.4) mostra um circuito protegido por um religador e um elo fusvel coordenados entre si. Figura 5.4 Posicionamento do Religador e do Elo-Fusvel na Rede [4]. 111Captulo 5 Universidade Federal de Itajub 5.4.1.1 Critrios de Ajuste Para que esse tipo de coordenao seja realizado com sucesso, deve-se obedecer aos seguintes critrios: a) Consegue-se melhor coordenao entre religadores e elos fusveis com o religador ajustado para quatro operaes at o bloqueio, sendo duas operaes instantneas (rpidas) e duas operaes temporizadas (lentas); b) Para todos os valores de falhas possveis dentro do trecho de circuito protegido pelo elo fusvel, o tempo mnimo de fuso do elo deve ser maior que o tempo de abertura do religador multiplicado por um fator K (conforme tabela 5.5) caracterstico do religador, que varia em funo do nmero de operaes rpidas ajustado no religador e do tempo de religamento do circuito; Fator multiplicador K Tempo de Religamento [s] Uma Operao Rpida Duas Operaes Rpidas 0.50 1.20 1.80 1.00 1.20 1.35 1.50 1.20 1.35 2.00 1.20 1.35 Tabela 5.5 Fator Multiplicador das Operaes Rpidas do Religador. c) Para todos os valores de falhas possveis dentro do trecho de circuito protegido pelo elo fusvel, o tempo total de interrupo do elo deve ser inferior ao tempo mnimo de abertura do religador na sua curva lenta, ajustando o religador para duas ou mais operaes temporizadas; Os critrios (b) e (c) definem a faixa de corrente onde os dois equipamentos esto coordenados. O limite inferior definido pela interseco da curva de tempo total de interrupo do elo com a curva lenta do religador, enquanto o limite superior definido pela interseco da curva de tempo mnimo de fuso do elo com a curva rpida do religador multiplicado pelo fator K, conforme mostrado na figura (5.5). 112Captulo 5 Universidade Federal de Itajub Figura 5.5 Coordenao Religador Elo-Fusvel [4]. No caso do religador possuir dispositivo de disparo de terra (ground trip), a coordenao torna-se mais complicada, entretanto sempre recomendvel a utilizao desse acessrio visando proteo do circuito para falhas de menor intensidade (fase-terra mnimo terico e menores valores). Dificilmente consegue-se coordenao entre religador e elos para toda a faixa de correntes de curto, e nessas situaes, recomenda-se que a coordenao satisfaa, prioritariamente, a condio de falta mnima. 113Captulo 5 Universidade Federal de Itajub As tabelas (5.6) e (5.7) mostram respectivamente os elos fusveis recomendados para coordenao com religador tipo 6H e religador tipo R, ambos com seqncia de operao (2A,2B = duas operaes na curva rpida A e duas na curva temporizada B). Bobina Srie [A] 10 15 25 35 50 70 100 Elo Fusvel 6K 8K 12K 15K 25K 30K 40K Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Limites de Corrente [A] 20 80 30 100 50 180 70 220 100 400 140 500 200 510 Elo Fusvel 6T 8T 10T 12T 15T 25T 30T Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Limites de Corrente [A] 90 165 30 150 50 280 70 390 100 490 140 620 200 1000Tabela 5.6 Elos Fusveis Recomendados para Coordenao com Religadores Tipo 6H com Seqncia de Operao (2A,2B) [4]. Bobina Srie [A] 25 35 50 70 100 Elo Fusvel 12K 20K 25K 30K 50K Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Limites de Corrente [A] 50 205 70 360 100 460 140 570 200 950 Elo Fusvel 10T 12T 20T 25T 40T Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Limites de Corrente [A] 50 300 70 415 100 700 140 890 200 1500 Tabela 5.7 Elos Fusveis Recomendados para Coordenao com Religadores Tipo R com Seqncia de Operao (2A,2B) [4]. As tabelas (5.8) e (5.9) mostram respectivamente elos fusveis recomendados para a coordenao com religadores do tipo 6H e religadores do tipo R, ambos com seqncia de operao (1A,3C = uma operao na curva rpida A e trs na curva temporizada C). 114Captulo 5 Universidade Federal de Itajub Bobina Srie [A] 10 15 25 35 50 70 100 Elo Fusvel 6K 10K 15K 20K 25K 40K 50K Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Limites de Corrente [A] 20 80 33 160 60 275 70 330 100 400 140 720 200 630 Elo Fusvel 6T 6T 12T 15T 20T 30T 40T Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Limites de Corrente [A] 30 165 30 230 50 420 70 550 100 680 140 1200 200 1400Tabela 5.8 Elos Fusveis Recomendados para Coordenao com Religadores Tipo 6H com Seqncia de Operao (1A,3B) [4]. Bobina Srie [A] 25 35 50 70 100 Elo Fusvel 15K 25K 30K 40K 50K Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Limites de Corrente [A] 50 290 70 365 400 600 140 780 200 950 Elo Fusvel 10T 12T 20T 25T 40T Min Max Min Max Min Max Min Max Min Max Limites de Corrente [A] 50 300 70 720 100 900 140 1150 200 1900 Tabela 5.9 Elos Fusveis Recomendados para Coordenao com Religadores Tipo R com Seqncia de Operao (1A,3B) [4]. 5.4.2 Segunda Condio: Religador do Lado da Carga A figura (5.6) mostra um circuito e um transformador de rede protegidos por um elo-fusvel e um religador coordenados entre si. Figura 5.6 Posicionamento do Religador e Elo Fusvel na Rede [4]. 115Captulo 5 Universidade Federal de Itajub 5.4.2.1 Critrios de Ajuste Esse tipo de configurao, por vezes existente em subestaes rurais, onde normalmente o fusvel encarrega-se da proteo de um transformador rebaixador, conforme mostrado na figura anterior, deve-se obedecer aos seguintes critrios de ajuste: O tempo associado ao mximo valor de falta no ponto de instalao do elo deve ser superior ao tempo estabelecido para a curva lenta do religador multiplicada por um fator K1, conforme tabela (5.10), definido em funo do tempo de religamento e da seqncia de operaes ajustado no religador. Fator multiplicador K1 Seqncia de operao do religador Tempo de religamento [s] 2 rpidas e2 lentas 1 rpida e3 lentas 4 lentas 0.5 2.6 3.1 3.5 1.0 2.1 2.5 2.7 1.5 1.85 2.1 2.2 2.0 1.7 1.8 1.9 Tabela 5.10 Fator Multiplicador de Operaes Lentas do Religador. NOTA: Deve-se lembrar que o elemento fusvel no est no mesmo nvel de tenso do religador. Portanto, para comparao das curvas de tempo-corrente do religador e do elo, deve-se rebater a curva do elo para o mesmo nvel de tenso do religador. A faixa de corrente em que o elo e o religador esto coordenados situa-se entre a corrente mnima de fuso do elo e a corrente que define o ponto de interseco da curva lenta do religador multiplicada por K1 com a curva de tempo mnimo de fuso do elo, conforme mostrado na figura (5.7). 116Captulo 5 Universidade Federal de Itajub Figura 5.7 Coordenao Religador Elo-Fusvel [4]. 5.5 Coordenao entre Religadores 5.5.1 Consideraes Gerais Essa coordenao pode ser obtida atravs da pesquisa da curvas de tempo-corrente fornecida pelos fabricantes dos religadores, e deve obedecer a seguinte regra: Para a mxima corrente de falta no ponto de instalao do religador da rede, as curvas temporizadas dos religadores devem distar entre si de no mnimo 0,2 segundos, com o religador protetor atuando antes que o religador de retaguarda. Assim, estando dimensionado o religador a ser instalado no sistema de distribuio e conhecendo as caractersticas do religador (ou disjuntor) da subestao (bobina srie e seqncia de operaes). Se o intervalo de tempo de 0,2 segundos no tiver sido alcanado, pode-se alterar a seqncia de operaes do religador de 117Captulo 5 Universidade Federal de Itajub retaguarda de (2A,2B = duas operaes na curva rpida A e duas na curva temporizada B) para (1A,3C = uma operao na curva rpida A e trs na curva temporizada C) para solucionar esse problema. Deve-se observar que a regra acima no exclui a possibilidade dos religadores atuarem simultaneamente nas curvas rpidas, o que, todavia, no compromete a coordenao do sistema. Se os equipamentos de proteo forem religador-religador-fusvel, no sentido de afastamento da subestao, comum coordenar inicialmente religador com religador, e posteriormente coordenar religador mais afastado da subestao com o fusvel [2]. 5.5.2 Religadores Operados apenas por Bobina-Srie A figura (5.8) mostra um circuito protegido por 3 religadores com bobinas srie com diferentes ajustes, coordenados entre si. Figura 5.8 Coordenao de Religadores com Bobinas Srie Diferentes [4]. 118Captulo 5 Universidade Federal de Itajub 5.5.2.1 Critrios de Ajuste Os critrios para coordenao com religadores operados apenas por bobinas srie so os seguintes: Utilizar bobinas de capacidades nominais diferentes e mesmas seqncias de operao. Naturalmente, quanto mais distantes as bobinas da fonte, menores so os seus valores nominais. No circuito mostrado na Figura (5.8) pode-se adotar, por exemplo, os seguintes ajustes: Religador R1: Bobina srie de 100A, (2A-2B) - 2 rpidas e 2 lentas; Religador R2: Bobina srie de 50A, (2A-2B) - 2 rpidas e 2 lentas; Religador R3: Bobina srie de 35A, (2A-2B) - 2 rpidas e 2 lentas; Utilizar bobinas de mesma capacidade nominal e adotando seqncias de operao deferentes da seguinte maneira: - Religador protetor com um nmero maior de operaes rpidas em relao ao protegido; - Religador protetor com um nmero menor de operaes em relao ao protegido; Nessas condies, para um circuito como o da figura (5.8), pode-se adotar os seguintes ajustes: Religador R1: Bobina srie de 50A, 3 rpidas e 1 lenta (3A,1B); Religador R2: Bobina srie de 50A, 2 rpidas e 2 lentas (2A,2B); Religador R3: Bobina srie de 50A, 1 rpida e 3 lentas (1A,3B); Utilizar combinaes de capacidades nominais das bobinas e de seqncia de operao, principalmente no caso de apenas dois religadores em srie, conforme figura (5.9). 119Captulo 5 Universidade Federal de Itajub Figura 5.9 Coordenao de Religadores com Bobinas e Seqncias de Operaes Diferentes [4]. Nessas condies pode-se ter: Religador R1: Bobina srie de 100A, 1 rpida e 3 lentas (1A,3B); Religador R2: Bobina srie de 50A, 2 rpidas e 2 lentas (2A,2B); 5.5.3. Religadores com Controle Eletrnico 5.5.3.1 Critrios de Ajuste Na coordenao de religadores dotados de controle eletrnico deve-se seguir os seguintes critrios de ajuste: a) Coordenar os equipamentos pelos nveis de disparo mnimo e seqncias de operao definidas para os religadores operados por bobinas srie; b) Os tempos de rearme devem ser escolhidos de maneira que cada religador possa cumprir sua seqncia pr-determinada de operaes, quaisquer que sejam as correntes de falta. Alm disso, o tempo de rearme do religador de retaguarda deve ser maior que o religador protetor. No caso de religador equipado com acessrio de disparo de terra, o tempo de abertura de suas curvas e nmeros de ajustes de disparo devem ser utilizadas para o clculo do intervalo de rearme; c) Deve-se escolher a corrente mnima de disparo do religador de retaguarda igual ou maior que o religador protetor; 120Captulo 5 Universidade Federal de Itajub d) Os intervalos de rearme devem ser coordenados com a seqncia de operao de cada religador eletrnico, de maneira a impedir rearme durante a seqncia de operaes com corrente mnima de disparo. O tempo de rearme pode ser calculado pela expresso: TEMPO DE REARME = 1.1 x tempo total de todas as operaes de abertura + 1.15 x total de intervalos de religamento. 5.6 Coordenao entre Rel e Religador 5.6.1 Consideraes Gerais Seguindo o ajuste desses dois equipamentos recomendados nos captulo 4, deve-se obedecer aos seguintes procedimentos: a) A corrente mnima de disparo do religador deve ser menor que a corrente mnima de disparo do rel; b) Em todas as correntes de defeito na zona de proteo do religador, o tempo de operao do religador nas curvas temporizadas devem ser menores que o tempo de operao do rel nas suas curvas temporizadas; Tipo Tempo de Religamento [s] H 1 4H, V4H, 6H, V6H 1.5 KF, KFE, KFVE 2 VW, VWV, RV 2 R, RX, W 2 Tabela 5.11 Tempos de Religamento de Religadores. Tipo Tempo de Rearme[s] Curva 100% AK (BBC) 0.03 a 0.07 ICM (BBC) 9.8 CO-8 (WESTINGHOUSE) 60 RIDI (ASEA) Instantneo IAC (GE) 10 Tabela 5.12 Tempos de Rearme de Rels. 121Captulo 5 Universidade Federal de Itajub As tabelas (5.11) e (5.12) mostram os tempos de religamento e rearme para alguns tipos e modelos de religadores usualmente utilizados em sistemas de distribuio. Para qualquer ajuste de coordenao, a corrente de disparo de fase do religador deve ser superior a corrente de energizao do trecho a ser protegido. Energ FASE I I A corrente de energizao depende da carga predominante no alimentador ou ramal: Carga predominantemente residencial: IEnerg = 2 a 4 vezes a corrente mxima de carga. Carga predominantemente rural: IEnerg = 4 a 6 vezes a corrente mxima de carga. Carga predominantemente industrial: IEnerg = 6 a 8 vezes a corrente mxima de carga. 5.7 Coordenao entre Rel e Elo-Fusvel 5.7.1 Rels de Sobrecorrente do Disjuntor da Subestao A proteo dos disjuntores das subestaes de distribuio normalmente realizada atravs de rels de sobrecorrente de fase e neutro, ambos com unidades temporizadas e instantneas. Os critrios definidos a seguir so vlidos para disjuntores e religadores do tipo PRM que so comandados por rels [3]. Os ajustes nas unidades instantneas e temporizadas do rel de sobrecorrente a serem implementados devem considerar o tipo de equipamento que utilizado a jusante do disjuntor-rel. Essas unidades podem ser ajustadas segundo dois modelos: 122Captulo 5 Universidade Federal de Itajub MODELO 1 : As unidades temporizadas e instantneas cobrindo toda a zona para qual o disjuntor proteo de retaguarda, ou seja, at o ponto C da figura (5.10). MODELO 2 : A unidade temporizada cobrindo a zona para a qual o disjuntor proteo de retaguarda (at o ponto C da figura 5.10) e a unidade instantnea cobrindo somente a zona na qual o disjuntor proteo primria (at o ponto B da figura 5.10). Figura 5.10 - Zonas de Proteo de um Alimentador 5.7.2 MODELO 1 Nesse modelo, as unidades temporizadas e instantneas dos rels cobrem at o ponto C (Zona 2), como mostra a figura (5.11). normalmente adotado para alimentadores rurais, sendo indispensvel a utilizao do rel de religamento no disjuntor com bloqueio da unidade instantnea durante as religaes. Esse modelo de ajuste permite coordenar os rels da subestao com os elos fusveis instalados em pontos situados dentro da zona de proteo na qual o disjuntor proteo de retaguarda. 123Captulo 5 Universidade Federal de Itajub Figura 5.11 - Zonas de Proteo para o Modelo 1. Para defeitos no trecho BC, a unidade instantnea atua desligando o disjuntor antes de fundir o elo fusvel; em seguida, o disjuntor rearma acionado pelo rel de religamento, sendo que nesse perodo a unidade instantnea do rel de sobrecorrente fica bloqueada. Caso o defeito e desaparea (falha transitria), a alimentao restabelecida, entretanto, se o defeito persistir (falha permanente), o rel de sobrecorrente opera na unidade temporizada, a qual possui tempos de operao superiores aos tempos de fuso do elo, portanto, ocorre a abertura da chave fusvel, isolando assim o trecho BC. 5.7.2.1 Ajuste dos Rels de Sobrecorrente A) Ajuste da Unidade Temporizada Para que a unidade temporizada no atue para a corrente de carga e seja sensvel aos defeitos at o ponto C da figura (5.11), so necessrios os seguintes ajustes: A1) Rel de Fase A derivao (tap) da unidade temporizada ou a corrente de partida (pick-up) de fase deve ser superior a 150% da mxima corrente de carga no ponto A e inferior a mnima corrente de curto-circuito fase-fase (Icc) na Zona 2 (no ponto C). 124Captulo 5 Universidade Federal de Itajub 150 % Icarga(mx) no ponto A < Ipartida (fase) < Icc(min) na Zona 2 (Icc no ponto C) O ajuste de tempo deve permitir seletividade do lado da fonte (na subestao) e do lado da carga (com os elos fusveis). A seletividade est assegurada quando os ajustes de corrente e tempo da unidade instantnea forem tais que: Seja considerada uma diferena mnima de 0,4 segundos entre as curvas caractersticas de tempo e corrente dos rels do disjuntor geral da subestao e do disjuntor na sada de cada alimentador. A curva caracterstica de tempo x corrente do rel de fase esteja no mnimo 0,2 segundos acima da curva de mximo tempo de interrupo do elo fusvel para a corrente de curto-circuito do ponto de coordenao. A2) Rel de Neutro A corrente de partida (pick-up) de neutro deve ser superior a 200% da mxima corrente de desequilbrio de fase para o neutro no ponto A e inferior a mnima corrente de curto-circuito fase-terra (Icc) na Zona 2 (no ponto C). 200 % Ifase-neutro(mx) no ponto A < Ipartida (neutro) < Icc (min) na Zona 2 (Icc no ponto C) Sendo que o ajuste de tempo deve permitir seletividade do lado da fonte (na subestao) e do lado da carga (com os elos fusveis). B) Ajuste da Unidade Instantnea B1) Rel de Fase A corrente instantnea de fase deve ser superior a 200% da mxima corrente de carga no ponto A e inferior a mnima corrente de curto-circuito fase-fase (Icc) na Zona 2 (no ponto C). 125Captulo 5 Universidade Federal de Itajub 200 % Icarga(mx) no ponto A < Iinstantnea (fase) < Icc(min) na Zona 2 (Icc no ponto C) Deve-se lembrar que a unidade instantnea sensvel a componente DC existente nas correntes de curto-circuito. Assim sendo, deve-se considerar a assimetria da corrente para o ajuste dessas unidades. B2) Rel de Neutro A corrente instantnea de neutro deve ser superior a 200% da mxima corrente de desequilbrio de fase para o neutro no ponto A e inferior a mnima corrente de curto-circuito fase-terra (Icc) na Zona 2 (no ponto C). 200 % Icarga(mx) no ponto A < Iinstantnea (neutro) < Icc(min) na Zona 2 (Icc no ponto C) 5.7.3 MODELO 2 Para esse modelo, as unidades temporizadas cobrem at o ponto C, zona para qual o disjuntor proteo de retaguarda, enquanto que as unidades instantneas cobrem a Zona 1 (at o ponto B), para qual o disjuntor a proteo primria, como mostra a figura (5.12). normalmente adotado para alimentadores urbanos e trifsicos. Figura 5.12 Zonas de Proteo para o Modelo 2. 126Captulo 5 Universidade Federal de Itajub 5.7.3.1 Ajuste dos Rels de Sobrecorrente A) Ajuste da Unidade Temporizada A1) Rel de Fase O ajuste da derivao da unidade temporizada ou corrente de partida de fase anlogo ao do modelo 1. 150 % Icarga(mx) no ponto A < Ipartida (fase) < Icc(min) na Zona 2 (Icc no ponto C) A2) Rel de Neutro A corrente de partida de neutro deve ser superior a 20% da mxima corrente de carga e inferior a mnima corrente de curto-circuito fase-terra (Icc) no ponto C. 20 % Icarga(mx) < Ipartida (neutro) < Icc (min) no ponto C Sendo que o ajuste de tempo deve permitir seletividade do lado da fonte (na subestao) e do lado da carga (com os elos fusveis). B) Ajuste da Unidade Instantnea B1) Rel de Fase A corrente instantnea de fase deve ser superior mxima corrente assimtrica de curto-circuito trifsico (Icc3) no ponto B da figura (5.12). Iinstantnea (fase) > Icc3 (max) no ponto B B2) Rel de Neutro A corrente instantnea de neutro deve ser superior mxima corrente assimtrica de curto-circuito fase-terra (Icc) no ponto C da figura (5.12). Iinstantnea (neutro) > Icc(max) no ponto B 127Captulo 5 Universidade Federal de Itajub OBS.: Em ambos os modelos, a corrente instantnea de fase deve ser superior a corrente de energizao do alimentador, cuja o valor depende do tipo de carga predominante: residencial, rural ou industrial. Energ fase tnea ins I I ) ( tan 5.8 Coordenao entre Religador e Seccionalizadora 5.8.1 Consideraes Gerais A chave seccionalizadora o equipamento de proteo mais apropriado para a coordenao com o religador, uma vez que a coordenao existe para toda a faixa de correntes de falta existente, o que no ocorre com o elo fusvel. Como as seccionalizadoras no atuam segundo curvas de tempo-corrente, sua coordenao com o religador de retaguarda assegurada apenas pela coerncia entre a corrente nominal do religador e a corrente nominal da chave seccionalizadora. 5.8.2 Critrios de Ajuste Para que haja coordenao entre religadores e seccionalizadoras devem ser obedecidos os seguintes critrios: a) O religador deve ser sensvel s correntes mnimas de falta na zona de atuao da seccionalizadora e este tambm deve estar dotado de sensibilizao para estas correntes; b) Seccionalizadoras com disparo de terra (trifsicas) exigem emprego de religadores tambm dotados desses dispositivos; c) Seccionalizadoras trifsicas exigem religadores trifsicos com abertura simultnea trifsica; d) O tempo de memria da seccionalizadora deve exceder o TAT (tempo acumulado total) do religador; 128Captulo 5 Universidade Federal de Itajub e) O nmero de contagens da seccionalizadora deve ser inferior ao nmero de aberturas para desarme do religador (normalmente utilizado uma contagem a menos); f) A corrente de mnima de atuao da seccionalizadora deve ser, no mximo, 80% da corrente de disparo do religador. Em seccionalizadoras sem dispositivos de sensibilizao para defeitos a terra, utilizadas com religadores que tm este acessrio, pode-se utilizar correntes menores para atuao da seccionalizadora. 5.8.3 Seccionalizadora com Controle Hidrulico A corrente mnima de atuao das chaves seccionalizadoras com controle hidrulico 160% da capacidade de sua bobina. Apesar das seccionalizadoras no operarem segundo curvas de tempo-corrente, o tempo de memria da seccionalizadora deve ser considerado na coordenao religador-seccionalizadora. As seccionalizadoras com controle hidrulico no fornecem alternativas quanto ao tempo de memria, tendo em vista que este tempo depende do rearme do circuito de contagem hidrulico, em torno de 1 a 1 e meio minuto por contagem. 5.8.4 Seccionalizadora com Controle Eletrnico Ao contrrio das chaves seccionalizadoras com controle hidrulico, as eletrnicas podem ter tempos de memria de 30, 45 e 90 segundos, aumentando assim suas possibilidades de coordenao. Para coordenao de um religador com uma seccionalizadora eletrnica, necessrio que os critrios de ajustes desse tipo de coordenao seja cumpridos. Quando a corrente de energizao (inrush) do circuito protegido ultrapassar a corrente de atuao da seccionalizadora, deve-se utilizar o acessrio restritor de corrente de inrush para solucionar esse problema [3]. 129Captulo 5 Universidade Federal de Itajub 5.8.5 Critrios de Coordenao ReligadorSeccionalizadoraElo-Fusvel A figura (5.13) mostra um circuito protegido por um religador, uma seccionalizadora e um elofusvel coordenados entre si. Figura 5.13 Coordenao Religador-Seccionalizadora-Elo Fusvel [5]. Neste caso, alm das condies comentadas para coordenao entre religador-elo e religador-seccionalizadora, existem algumas outras observaes importantes para que exista uma "certa" garantia de coordenao entre os equipamentos. Isto , uma falta permanente a jusante do elo deve ser isolada pela chave fusvel antes que o seccionalizador conte todas as suas operaes para isolamento do circuito. Para isto, em seccionalizadoras no equipadas com acessrio restritor por tenso, necessrio que o religador esteja ajustado para uma abertura na curva "rpida" e trs aberturas na curva "lenta". A figura (5.14) ilustra a situao onde o religador da figura (5.13) ajustado para uma operao "rpida" e trs "lentas", e a seccionalizadora ajustada para operar aps efetuar trs contagens do religador. Neste caso observa-se que o elo funde antes que a seccionalizadora efetue a sua ltima contagem para abertura definitiva, ocorrendo ento a coordenao com garantia de seletividade. 130Captulo 5 Universidade Federal de Itajub Figura 5.14 Atuaes do Elo e da Seccionalizadora para um Religador Ajustado para Uma Operao Rpida e Trs Operaes Lentas [3]. A figura (5.15) ilustra uma outra situao, onde o religador est ajustado para duas operaes rpidas e duas operaes lentas. Figura 5.15 Atuaes do Elo e da Seccionalizadora para um Religador Ajustado para Duas Operaes Rpidas e Duas Operaes Lentas[3]. Nesse caso, em virtude da alta probabilidade do elo no se romper nas duas operaes rpidas do religador, h o bloqueio da seccionalizadora mesmo com a atuao do elo, pois a corrente pode ter seu valor reduzido drasticamente com a remoo do curto e, deste modo, a seccionalizadora pode "enxergar" esta operao como uma atuao do religador. A alternativa para contornar essa 131Captulo 5 Universidade Federal de Itajub 132possibilidade com a utilizao de duas rpidas e duas lentas no religador equipar a seccionalizadora com um acessrio que restrinja sua operao no restabelecimento da tenso, que retornou aos seus nveis normais (acessrio restritor de tenso) evitando que a seccionalizadora atue tambm. Nesta ltima situao, a seccionalizadora opera apenas quando a corrente anulada, ou seja, no zero de corrente eficaz logo aps o instante de fuso do elo, como mostra a figura (5.15). A figura (5.16) mostra um sistema tpico de distribuio com religadores com ajuste (2A,2B) e chaves seccionalizadoras ajustadas para trs e duas aberturas do religador com os quais esto coordenadas. Figura 5.16 Sistema de Distribuio com Religadores e Chaves Seccionalizadoras. Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 4.5 Chave e Elo-Fusvel 4.5.1 Introduo O presente item visa discriminar caractersticas bsicas para especificao de chaves e elos fusveis de distribuio de energia eltrica com tenso nominal de at 34,5 kV (circuitos primrios ou de mdia tenso). 4.5.2 Definies Chave-fusvel dispositivo de conexo constitudo de porta fusvel (cartucho) e demais partes que tem como funo interromper o circuito quando a corrente atravs do elo-fusvel excede um dado valor em dado tempo. Elo-fusvel o elo fusvel um dispositivo de interrupo sbita que deve ser manualmente reposto para restaurao da continuidade do sistema eltrico. 4.5.3 Funes Bsicas dos Elos-Fusveis Existem diferentes tipos de elos-fusveis, cada qual com caractersticas prprias. Os fusveis podem ser constitudos de elementos metlicos simples, os quais derretem-se devido s perdas i2R no material, ou por outros mtodos, como por exemplo, atravs de molas sob presso. Independente do tipo e material, um fusvel apresenta diferentes funes bsicas. Primeiramente, ele deve ser capaz de perceber uma condio de sobrecorrente no sistema que est protegendo. Essa sobrecorrente causa um aumento de temperatura no elemento fusvel que leva a sua fuso parcial (baixa sobrecorrente) ou completa (elevada sobrecorrente) do elemento. Nesse instante, o fusvel deve interromper essa sobrecorrente e suportar a tenso de restabelecimento transitria (TRT) durante ou aps a interrupo. Aps a interrupo estar completa, o fusvel rompido deve suportar a tenso do sistema aplicada aos seus terminais, de modo que os danos causados por eventuais sobrecorrentes sejam mnimos. Isto importante quando a falta de 86Captulo 4 Universidade Federal de Itajub grande magnitude e o dispositivo de proteo a ser utilizado deve ser um fusvel limitador de corrente. O fusvel deve facilitar sua coordenao com os outros dispositivos de proteo do sistema, minimizando assim o nmero de consumidores afetados pela sua atuao. Esta coordenao na maioria das vezes realizada com dispositivos que so protegidos (do lado da carga) e dispositivos que realizam a proteo de retaguarda (do lado da fonte) do elo fusvel. Por essa razo, os fabricantes disponibilizam curvas de tempo-corrente (TCCs) de seus fusveis, que so as principais ferramentas utilizadas em estudos de coordenao. Com esses estudos, deve-se evitar atuaes indesejadas dos fusveis (sneakouts) e atuaes descoordenadas por alterao das TCCs, evitando que equipamentos de proteo a montante atuem, e desta maneira tornando a operao mais barata e melhorando a confiabilidade do sistema. 4.5.4 Componentes dos Elos-Fusveis Os principais componentes dos elos fusveis so: Cabea com boto acessrio que fixa o elo fusvel parte superior do cartucho e d continuidade eltrica. Elemento fusvel parte que se funde ou se rompe quando a chave opera, normalmente constituda de liga de estanho, prata ou nquel-cromo. Suas dimenses e resistividade eltrica determinam os valores de corrente e tempo de fuso. comum a utilizao de um fio de alta resistncia mecnica e eltrica em paralelo com o elemento fusvel para evitar o alongamento do elo devido a esforos por trao. Cartucho a parte mvel e removvel de uma chave-fusvel destinada a receber o elo, no incluindo este. Tubo protetor pea cilndrica de material isolante, normalmente de fibra, que protege o elemento fusvel contra danos mecnicos e atua como estabilizador destinado a conter os gases liberados para interrupo do arco para pequenas 87Captulo 4 Universidade Federal de Itajub sobrecorrentes (O tubinho utilizado para elos-fusveis de corrente nominal de at 100 A). Rabicho cordoalha de cobre estanhado que fixa o elo a parte inferior do cartucho porta-fusvel. Base de fusvel (porta-fusvel) a parte fixa de uma chave-fusvel provida com terminais para conexo a um circuito exterior. Indicador parte de uma chave-fusvel destinada a indicar visualmente a operao da chave (Nota em geral, essa indicao dada pela posio que toma o cartucho aps a operao do elo-fusvel). 4.5.5 Princpio de Funcionamento O elemento fusvel fabricado de modo que suas propriedades no sejam alteradas durante a passagem da corrente nominal, sendo capaz de fundir-se durante a passagem de uma corrente superior ao limite mximo previsto para fuso [9]. O intervalo de tempo necessrio para fuso depende dos seguintes fatores: - densidade de corrente que passa atravs do fusvel. - propriedades fsicas do material que constitui o elemento fusvel. - material envolvente. - temperatura ambiente. - grau de envelhecimento, etc. Durante a fuso do elo, ocorre formao de um arco eltrico que ioniza a camada de ar envolvente, dificultando sua extino. A interrupo s obtida devido ao de gases desionizantes gerados no interior do tudo protetor que protege o elo. Estes gases resultam da decomposio 88Captulo 4 Universidade Federal de Itajub parcial da fibra isolante (tubo) devido s altas temperaturas criadas durante a ocorrncia de sobrecorrentes. Os gases liberados elevam a rigidez dieltrica aumentando rapidamente a resistncia eltrica e interrompendo a corrente quando esta passa pelo valor zero, impedindo a reignio do arco voltaico. Quanto maior a corrente a ser interrompida, maior deve ser a quantidade de gases necessria para extino do arco, desse modo, o revestimento interno do cartucho deve ser dimensionado para produzir a quantidade de gases necessria de acordo com a corrente mxima que o elo pode interromper. 4.5.6 Caractersticas e Classificao As chaves e elos fusveis podem ser classificados de acordo com os seguintes parmetros: a) Tenso Nominal - A tenso nominal da chave deva ser, no mnimo, igual ou superior classe de tenso do sistema. b) Corrente Nominal. Deve ser igual ou maior do que 150% do valor nominal do elo-fusvel a ser instalado no ponto considerado. Em casos onde no exista possibilidade de crescimento de carga, no h necessidade de obedecer a este critrio. c) Nvel Bsico de Isolamento (NBI). Deve ser compatvel com o do sistema. d) Capacidade de Interrupo. A corrente de curto-circuito mxima, simtrica, no ponto de instalao chave fusvel do transformador deve ser menor do que a corrente de interrupo simtrica da chave, correspondente ao valor de X/R no ponto. Caso o fabricante no fornea os valores da corrente de interrupo com os correspondentes X/R, deve-se adotar o seguinte critrio: a chave fusvel do transformador deve ter corrente de interrupo maior do que o valor assimtrico da mxima corrente de curto-circuito no ponto da sua instalao. 89Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 4.5.7 Tipos de Elos-Fusveis Existem basicamente dois tipos de fusveis: (1) Fusveis de Expulso e (2) Fusveis Limitadores de Corrente. 4.5.7.1 Fusvel de Expulso O fusvel de expulso o tipo de fusvel mais utilizado nos sistemas de distribuio. Ele composto por um elemento fusvel de seo relativamente pequena para sentir a sobrecorrente e comear o processo de interrupo. Acoplado a esse pequeno elemento fusvel existe um condutor de maior seo, normalmente chamado de condutor mestre (leader). A figura (4.29) mostra uma chave fusvel convencional com elo de expulso. Figura 4.29 - Chave Fusvel com Elo de Expulso. Nesse tipo de chave e elo fusvel, o incio do arco sempre ocorre em uma rea conhecida. Com o calor produzido pelo arco (4000 a 5000 K) ocorre uma rpida liberao de gases provenientes de materiais especiais existentes no elo fusvel, como fibras, melamina, cido brico e tetracloreto de carbono. Esses gases liberados criam uma alta presso ao redor da rea do arco. Assim, quando a onda de corrente alcana zero, o arco reduzido ao mnimo e esses gases podem rapidamente se misturar com os gases ionizados diminuindo a ionizao e 90Captulo 4 Universidade Federal de Itajub modificando o meio dieltrico que deve suportar a tenso transitria de restabelecimento (TTR) e posteriormente a tenso nominal do sistema (aps a interrupo). A figura (4.30) mostra o comportamento da corrente e da tenso durante a interrupo de uma sobrecorrente em um elo fusvel de expulso. Figura 4.30 Caractersticas Tenso-Corrente-Tempo do Fusvel de Expulso [1]. Pode-se observar nesta figura que quando a corrente passa pelo zero, a tenso do fusvel volta rapidamente ao valor de tenso do sistema; ocorrendo assim, uma elevada e perigosa tenso transitria de restabelecimento que pode reiniciar o arco atravs do elo fusvel. Desse modo, os fusveis de expulso devem ser projetados para suportar essa tenso transitria durante a interrupo. 91Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Uma das principais vantagens dos fusveis de expulso que eles permitem a utilizao de um elo fusvel relativamente econmico. Alm disso, existe uma larga variedade de tipos e tamanhos de elos fusveis que podem ser utilizados no mesmo tipo de cartucho, facilitando a instalao e manuteno. Segundo a Norma NBR 5359-1989 [16] da ABNT - Associao Brasileira de Normas Tcnicas, os fusveis de expulso podem ser do tipo K (rpidos), do tipo T (lentos) e do tipo H (de alto surto). Os elos de tipo K e T coordenam com outros equipamentos de proteo em uma faixa mais ampla de corrente, sendo utilizados na proteo de ramais, enquanto que os elos do tipo H so utilizados na proteo de transformadores de distribuio e rede secundria. A corrente nominal dos elos tipos K e T de, aproximadamente, 150% do seu valor nominal, sendo que para os do tipo H, a corrente prxima de 100% desse valor. Os fusveis dos tipos K e T s comeam a operar valores de corrente iguais ou superiores a 2 vezes o seu valor nominal, ao passo que os do tipo H iniciam o processo de fuso quando a corrente atinge 1,5 vezes o seu valor nominal e no operam para sobre-correntes de curta durao (associadas a descargas atmosfricas) que no representam perigo para o transformador. 4.5.7.2 Fusvel Limitador de Corrente O fusvel limitador de corrente ao contrrio do fusvel de expulso no espera que a corrente passe pelo zero para obter a interrupo, mas fora a mesma a anular-se. Esse tipo de fusvel consiste normalmente de condutores de prata envoltos por areia. Assim, quando ocorre a fuso desses condutores h uma pequena quantidade de ar ionizado na areia, que por sua vez no combustvel. O arco gerado durante a interrupo fica em contato com a areia forando a reduo da corrente at que esta se anule. 92Captulo 4 Universidade Federal de Itajub A areia derrete formando uma substncia do tipo lquido-vitrio que resfria o elemento vaporizado. Uma caracterstica comum de todos os fusveis limitadores de corrente que ao invs de utilizar um elemento fusvel curto, como nos demais tipos de fusveis, utilizado um elemento fusvel muito longo. Um fusvel de 8,3 kV, por exemplo, utiliza um elemento de 55,88 centmetros de comprimento. O elemento completamente recoberto por uma camada de slica, para conter o arco e manter uma presso elevada na sua rea de ocorrncia e durante a fuso do componente. Isso permite ento que o fusvel produza uma resistncia muito alta no circuito em um curto perodo de tempo (tipicamente centenas de microssegundos). As figuras (4.31) e (4.32) mostram uma chave fusvel especial com cpsula de contenso de partculas e elo limitador de corrente; e uma chave fusvel convencional com fusvel limitador de corrente anexo atuando como retaguarda. Figura 4.31 Chave Fusvel com Elo Limitador de Corrente. 93Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Figura 4.32 Chave Fusvel com Elo Limitador de Corrente Anexo. A figura (4.33) mostra as relaes de corrente, tenso e tempo para um fusvel limitador de corrente operando sob as mesmas condies de falta mostradas para o fusvel de expulso na figura (4.30). 94Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Figura 4.33 Caractersticas Tenso-Corrente-Tempo do Fusvel Limitador de Corrente [1]. Pode-se notar que mesmo que o tempo de fuso seja idntico, as caractersticas seguintes mudam rapidamente. A rpida insero de uma resistncia devido fuso do elemento causa um arco com elevada tenso atravs do fusvel. Isto ocorre devido ao de interrupo da corrente pela indutncia do circuito. A resistncia tambm limita o crescimento da corrente que obrigatoriamente comea a assumir um valor menor. Em um sistema com fator de potncia muito elevado e nas mesmas condies, a corrente atinge zero muito perto da tenso zero normal. Nesse instante, a tenso transitria de restabelecimento (TTR) muito pequena; o que faz com que os fusveis limitadores de corrente sejam praticamente insensveis s tenses transitrias tpicas do sistema. A grande vantagem desse tipo de fusvel a sua capacidade de limitar a corrente e a energia de curto-circuito. So necessrios muitos tipos de dados para descrever totalmente sua capacidade. Historicamente os fabricantes tm usado 95Captulo 4 Universidade Federal de Itajub grficos com diferentes e possveis relaes de corrente de pico e corrente nominal RMS para cada fusvel. Uma caracterstica importante dos fusveis limitadores de corrente o fato deles poderem absorver toda a energia liberada durante a interrupo da corrente de falta sem danificar a estrutura fsica do dispositivo. A excelente capacidade limitadora de corrente desses dispositivos permite que eles tenham taxas de interrupo praticamente ilimitadas. O fato de nenhum gs ser expelido do fusvel durante a interrupo permite que ele seja instalado em pequenos compartimentos. Devido ao fato do fusvel limitador de corrente produzir uma resistncia muito alta rapidamente, isso deve ser considerado cuidadosamente no projeto, de modo que arcos de elevada tenso no sejam produzidos; pois essas sobretenses podem danificar o isolamento do circuito ou equipamento protegido e causar operaes desnecessrias de pra-raios. Uma caracterstica adicional e interessante dos fusveis limitadores de corrente que a solicitao trmica (thermal stress) mxima no ocorre nas mximas correntes de interrupo, mas sim, em uma faixa de corrente chamada crtica, que produz a mxima energia durante a fuso, o que leva a um esforo trmico mximo. Acima desta faixa de corrente o esforo trmico geralmente menor. No entanto, nas correntes de falta mais elevadas, a operao de fuso ocorre mais rapidamente gerando vibraes e alteraes de presso que precisam ser suportadas pelo fusvel. 96Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 4.5.8 Dimensionamento de Chaves e Elos-Fusveis 1) Chave Fusvel A tabela (4.5) apresenta alguns valores tpicos de corrente de chaves e elos-fusveis. Elos-Fusveis Chave Fusvel 1 a 50 A 50 A 51 a 100 A 100 A 101 a 200 A 200 A Tabela 4.5 Corrente Nominal de Elos e Chaves-Fusveis [10]. No dimensionamento de chaves fusveis so vlidos os seguintes critrios [10]: A) (4.1) a c al no I chave Iarg min) ( >B) (ponto de instalao) (4.2) max) ( Icc chave Iccmx >O Iccmx da chave consiste no curto-circuito mximo (assimtrico) que a chave pode suportar, tambm denominada capacidade de interrupo, e que por norma ABNT PB-995/1990 [17] varia entre 1250 e 2000 ampres. 2) Elo Fusvel Na especificao de elos fusveis deve-se obedecer seguinte regra: ) ( min arg25 , 0 ) ( mn al no a c xIcc elo I KxI (do trecho protegido) (4.3) Sendo: NCK + =1001% (4.4) Onde: K Multiplicador. C% - Taxa anual de crescimento previsto. N Mximo de anos para o qual o estudo est previsto. 97Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 4.5.9 Aplicao de Chaves e Elos-Fusveis 4.5.9.1 Proteo de Transformadores e Redes Secundrias Quando a chave-fusvel for utilizada para a proteo de transformadores, devido pequena probabilidade de defeitos no lado de alta tenso, normalmente, no considerada a corrente de curto-circuito para a especificao da chave-fusvel. Caso a chave no seja instalada junto ao transformador, a corrente de curto-circuito deve ser levada em conta na especificao. Para que essa proteo seja efetiva, os seguintes critrios devem ser obedecidos: a) O elo-fusvel deve operar para curtos-circuitos no transformador ou na rede secundria, eliminando a repercusso dessas falhas na rede primria. b) O elo-fusvel deve suportar continuamente, sem fundir, a sobrecarga que o transformador capaz de admitir sem prejuzo de sua vida til. c) O elo-fusvel pode fundir no intervalo de 17 segundos, quando submetido a uma corrente de 250% e 300% da corrente nominal do transformador. d) O elo-fusvel deve suportar a corrente transitria de magnetizao durante 0,1 segundo, sendo esta estimada em 8 a 12 vezes a corrente nominal dos transformadores de potncia at 2000 kVA. Nota. Nem sempre possvel atender, simultaneamente, s quatro condies citadas acima. Nestes casos opta-se por perder a proteo do transformador contra sobrecargas (2 critrio) [3]. Apesar da previso de atuao para sobrecargas, estas nem sempre so obtidas principalmente para transformadores de pequenas potncias, tornando a proteo muitas vezes inoperante para esta condio, conforme comentado. As tabelas (4.6) e (4.7) fornecem os elos fusveis utilizados nos transformadores de distribuio conforme potncia e tenses nominais primrias. 98Captulo 4 Universidade Federal de Itajub TENSES PRIMARIAS 13,8 kV 23,0 kV POTNCIA TRANSFORMADOR TRIFSICO [kVA] IN [A] ELO IN [A] ELO 15 0,63 1H 0,39 1H 30 1,26 2H 0,79 1H 45 1,88 3H 1,18 1H 75 3,14 5H 1,97 2H 112.5 4,71 6K 2,95 5H 150 6,28 8K 3,94 5H 225 9,41 10K 5,90 6K 300 12,55 15K 7,87 10K Tabela 4.6 Elos fusveis Transformadores Trifsicos. TENSES PRIMARIAS 13.8 kV 23.0 kV POTNCIA TRANSFORMADOR MONOFSICO [kVA] IN [A] ELO IN [A] ELO 3 0,22 0.5H 0,13 0,5H 5 0,36 1H 0,22 0,5H 7.5 0,54 1H 0,33 1H 10 0,72 1H 0,43 1H 15 1,09 1H 0,65 1H 25 1,81 2H 1,09 1H Tabela 4.7 Elos fusveis Transformadores Monofsicos. A tabela (4.8) fornece os valores mnimos e mximos de fuso dos elos fusveis em funo de determinados intervalos de tempo. Estes valores devem ser estar de acordo com a capacidade de sobrecarga dos transformadores. CORRENTE [A] 300 seg 10 seg 0.1 seg IN (elo) Mnimo Mximo Mnimo Mximo Mnimo Mximo 1H 2,5 3,2 6,9 8,5 53,0 80,0 2H 3,5 4,2 9,2 12,0 90,0 130,0 3H 4,8 6,0 12,0 14,5 90,0 130,0 5H 7,4 9,0 15,0 18,0 90,0 130,0 6K 12,0 14,4 13,5 20,5 72,0 86,0 8K 15,0 18,0 18,0 27,0 97,0 116,0 12K 25,0 30,0 29,5 44,0 166,0 199,0 Tabela 4.8 Tabela de Curvas de Tempo Mnimo e Tempo Mximo de Fuso dos Elos Fusveis. 99Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Segundo a ABNT, os valores de sobrecorrente mximas que um transformador deve suportar durante determinados intervalos de tempo (curva de sobrecarga) obedecem aos valores discriminados na tabela (4.9): TEMPO MULTIPLOS DE IN 2 segundos 25.0 10 segundos 13.7 30 segundos 6.7 60 segundos 4.8 5 minutos 3.0 30 minutos 2.0 Tabela 4.9 Valores Tempo x Corrente de Sobrecarga de Transformadores. O carregamento mximo do transformador para 300 s deve ser igual a trs vezes a corrente nominal do transformador. A tabelas (4.10) e (4.11) mostram o carregamento mximo para transformadores trifsicos e monofsicos. Carregamento Mximo de Transformadores Trifsicos (300 segundos) 13,8 kV 23,0 kV POTNCIA TRANSFORMADOR TRIFSICO [kVA] IN [A] ELO IN [A] ELO 15 1,89 1H 1,17 1H 30 3,78 2H 2,37 1H 45 5,64 3H 3,54 1H 75 9,42 5H 5,91 2H 112.5 14,13 6K 8,85 5H 150 18,84 8K 11,82 5H 225 28,23 10K 17,70 6K 300 37,65 15K 23,61 10K Tabela 4.10 Carregamento Mximo para Transformadores Trifsicos. Carregamento Mximo de Transformadores Monofsicos (300 segundos) 13.8 kV 23.0 kV POTNCIA TRANSFORMADOR MONOFSICO [kVA] IN [A] ELO IN [A] ELO 3 0,66 0.5H 0,39 0.5H 5 1,08 1H 0,66 0.5H 7.5 1,62 1H 0,99 1H 10 2,16 1H 1,29 1H 15 3,27 1H 1,95 1H 25 5,43 2H 3,27 1H Tabela 4.11 Carregamento Mximo para Transformadores Monofsicos. 100Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Atravs da anlise destas tabelas, pode-se verificar que os elos fusveis utilizados no protegem os transformadores para toda e qualquer sobrecarga, sendo necessrio assim acompanhar os carregamentos e processar as informaes do consumo mensal (faturamento) dos consumidores conectados aos respectivos transformadores ou atravs de medies. Considerando a ocorrncia de faltas na rede secundria, h tambm limitaes da proteo com a utilizao de elos-fusveis instalados na rede primria, como por exemplo, em curtos-circuitos fase-terra (mnimo) com queda de um dos condutores no solo, e para faltas que ocorrem a uma distncia em relao ao transformador superior a 500 metros [20]. 4.5.9.2 Proteo de Ramais Na proteo de ramais, os critrios relacionados a seguir levam em considerao os aspectos de crescimento de carga e possibilidades de manobras[3]: a) A corrente nominal do fusvel de um ramal deve ser aproximadamente igual a 150% do valor da mxima corrente de carga medida ou convenientemente avaliada, no ponto considerado. O valor da mxima corrente de carga deve considerar a corrente devida a manobras. b) A corrente nominal do elo-fusvel deve ser, no mximo, 25% da corrente de curto-circuito fase-terra mnimo (resistncia de falta de 40 ) no fim do trecho, se possvel, considerando tambm o fim do trecho para o qual ele proteo de retaguarda. c) A corrente nominal da chave-fusvel deve ser maior ou igual a 150% da corrente nominal do elo-fusvel a ser instalado no ponto considerado. NOTA: Caso no seja possvel atender algum destes critrios e contemplar o crescimento de carga e eventuais manobras, o dimensionamento deve ser feito somente com base na corrente de carga. 101Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 4.5.9.3 Proteo de Banco de Capacitores comum a utilizao de bancos de capacitores para correo do fator de potncia em redes primrias de distribuio. Os bancos de capacitores so constitudos, geralmente, de, no mximo, quatro elementos ou unidades em paralelo por fase, conectados isolados ou em estrela aterrada, com potncia mxima de 1200 kVAr. So apresentados a seguir alguns critrios para proteo destes equipamentos. Os capacitores so projetados para suportar at 135% de sua potncia nominal, harmnicos e sobretenses que no excedam 110% da tenso nominal. Quando ocorre um arco no interior do banco causado pela danificao do dieltrico, este dieltrico e o papel isolante decompem-se, formando gases. Como os capacitores so hermeticamente fechados, a presso destes gases pode ser suficiente para romper ou explodir o tanque, dependendo do valor e da durao do corrente de curto-circuito. Os elos-fusveis so os principais dispositivos utilizados na proteo de bancos de capacitores e devem ser especificados de acordo com potncia, classe de tenso e as curvas de probabilidade de ruptura do tanque [3]. As tabelas (4.12) e (4.13) apresentam um resumo dos elos-fusveis indicados para a proteo de bancos de capacitores de acordo com a potncia, classe de tenso e o tipo de conexo destes equipamentos. Estrela Isolada Estrela Aterrada Potncia do Banco (kVAr) Corrente Nominal (A) Elo K Elo T Elo K Elo T 300 12,6 12 12 15 12 600 25,2 25 25 30 25 900 37,2 40 40 50 40 1200 50,3 50 50 65 50 Tabela 4.12 Elos-Fusveis para Proteo de Bancos de Capacitores (15 kV) [9]. 102Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 103 Estrela Isolada Estrela Aterrada Potncia do Banco (kVAr) Corrente Nominal (A) Elo K Elo T Elo K Elo T 300 7,53 8 8 10 8 600 15,06 15 15 15 15 900 22,59 20 20 25 25 1200 30,12 30 30 30 30 Tabela 4.13 Elos-Fusveis para Proteo de Bancos de Capacitores (24,2 kV) [9]. Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 4.4 Chave Seccionalizadora 4.4.1 Introduo A Norma Nacional Americana (ANSI - C37.63) define uma seccionalizadora automtica de linha como: Um dispositivo de abertura que interrompe automaticamente o circuito eltrico principal depois de sentir e responder a um nmero de impulsos de corrente de magnitude igual ou superior a um valor predeterminado, mantendo o circuito isolado enquanto permanecerem abertas. Em outras palavras, uma seccionalizadora uma chave automtica que efetua contagens de aberturas de equipamentos de proteo (religador ou disjuntor) e abre o circuito aps um nmero pr-determinado de atuaes, isolando assim, apenas o trecho em falta, e evitando que regies ss sejam interrompidas pela abertura permanente (desarme) do religador ou disjuntor. As seccionalizadoras, ao contrrio de outros dispositivos de proteo de sobrecorrente, no operam por tempo e corrente. Elas so normalmente utilizadas entre dois dispositivos de proteo, cujas curvas de operao so bem parecidas. As seccionalizadoras no so equipamentos de interrupo de corrente de falta, e devem ser utilizadas com um equipamento de proteo de retaguarda (religador ou disjuntor) que tenha capacidade de interromper a corrente de falta, sendo a operao de abertura ocorre com o sistema desenergizado, a vazio. Desconsiderando a interrupo da corrente de falta, as seccionalizadoras podem ser usadas em reas de alta corrente de falta, onde pequenos religadores no so recomendados em termos nvel de curto-circuito e capacidade de interrupo. Alm de operarem como dispositivos de proteo, as seccionalizadoras tm caractersticas construtivas que lhes permitem serem utilizadas como dispositivo de chaveamento, podendo ser manualmente operadas, mas apenas em corrente de carga. 77Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 4.4.2 Tipos de Seccionalizadoras As seccionalizadoras podem ser classificadas pelo seu meio de isolao e interrupo, ou pelo seu tipo de controle. Os meios de isolao e interrupo podem ser leo, ar ou vcuo. O controle deve ser de atuao em srie, no caso de seccionalizadoras hidrulicas ou de tipo seco, ou de atuao por derivao para controle eletrnico ou eletromecnico. A chave seccionalizadora pode ainda ser classificada como monofsica ou trifsica e de operao manual ou automtica. Na prtica, podem ser identificadas trs variedades de seccionalizadoras: hidrulica, de tipo seco e a vcuo. 4.4.2.1 Seccionalizadora Hidrulica A seccionalizadora hidrulica pode ser monofsica ou trifsica, e externamente, tem a aparncia de uma chave a leo, como mostram as figuras (4.24) e (4.25). A isolao e a interrupo da corrente de carga so realizadas atravs do leo, do mesmo modo que em uma chave a leo convencional. O mecanismo de controle pode ser atuado atravs de uma bobina srie, ou por derivao (shunt), atravs de transformadores de corrente (TCs). A temporizao, reinicializao, contagem e outras operaes de controle podem ser realizadas atravs de dispositivos eletromecnicos ou atravs de um circuito eletrnico. Figura 4.24 Seccionalizadora Hidrulica Monofsica. 78Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Figura 4.25 - Seccionalizadoras Hidrulicas Trifsicas (tipos GV e GW). 4.4.2.2 Seccionalizadora a Vcuo A aparncia externa desse tipo de seccionalizadora similar a uma chave a vcuo trifsica, como mostra a figura (4.26). Isolao a ar e a vcuo utilizada nesses equipamentos para a interrupo da corrente de carga. Essas seccionalizadoras atuam pela perda do sinal de tenso e utilizam temporizadores para controlar as operaes de disparo (trip), fechamento e bloqueio. Figura 4.26 - Seccionalizadora a Vcuo. 79Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 4.4.2.3 Seccionalizadora Tipo Seco (dry-type) A aparncia externa desse tipo de seccionalizadora similar a uma chave-fusvel, como mostra a figura (4.27). A isolao realizada por um espaamento em ar; sendo que a interrupo da corrente de carga obtida atravs da utilizao de um sistema formado por um eletrodo cilndrico e dispositivo para extino de arco. A seccionalizadora atua atravs de uma bobina srie que desarma a chave atravs de um atuador qumico que deve ser substitudo aps a abertura, ou atravs de um mecanismo que deve ser rearmado manualmente (resettable sectionalizer) aps a atuao. O mecanismo de contagem e ajuste de tempo pode ser mecnico ou eletrnico. Figura 4.27 - Seccionalizadora de Tipo Seco com Controle Eletrnico. 4.4.3 Teoria de Operao As seccionalizadoras reduzem o nmero de interrupes e a rea interrompida, devido queima de fusveis durante faltas temporrias e ao bloqueio do religador ou disjuntor responsvel pela sua proteo de retaguarda, durante a ocorrncia de faltas permanentes na sua zona de proteo. Todos os tipos de seccionalizadoras tm um funcionamento similar e necessariamente devem ser instaladas prximas a um equipamento de proteo com religamento automtico (disjuntor ou religador). Quando uma corrente maior que a corrente mnima de 80Captulo 4 Universidade Federal de Itajub atuao circula atravs da seccionalizadora, ela acionada e comea a contar. O dispositivo capaz de detectar essa sobrecorrente, geralmente causada por uma falta ou por corrente de energizao (inrush), uma bobina srie (Iatuao = 1,6 x Ibobina srie) ou um resistor de ajuste (Iatuao = Iresistor). Quando essa corrente que circula atravs da seccionalizadora cai abaixo de um valor predeterminado, tipicamente 40% da corrente de atuao mnima, a contagem completada. Ou seja, quando o equipamento de proteo de retaguarda (do lado da fonte) atua ou quando a corrente de energizao desaparece. No primeiro caso, o equipamento de proteo deve religar novamente o circuito depois de um intervalo de tempo. Se a falta for temporria, no h sobrecorrente aps o religamento e ambos os dispositivos so reinicializados. Porm, se a falta for permanente, uma sobrecorrente restabelecida e o processo se repete. Depois de um nmero pr-determinado de religamentos, para o qual a seccionalizadora foi ajustada, ela deve abrir (a vazio), isolando a parte da linha onde a falta ocorreu, permitindo assim que trechos de linha sem falta (antes da seccionalizadora) sejam restabelecidas no prximo religamento. A figura (4.28) mostra um diagrama unifilar de um alimentador de distribuio protegidos por um religador (na subestao) e uma chave seccionalizadora. Figura 4.28 Circuito de Distribuio com Religador e Seccionalizadora. 4.4.4 Caractersticas e Classificao As seccionalizadoras podem ser classificadas segundo os seguintes parmetros, de acordo com as normas internacionais ANSI C37.63 e IEEE C6211: 81Captulo 4 Universidade Federal de Itajub a) Tenso Nominal Tenso de servio (em kV) da chave, cujo valor deve ser igual ou superior a classe de tenso do sistema. b) Nvel Bsico de Impulso (NBI) Nvel de isolamento (em kV) contra impulso (Impulse whithstand voltage BIL) e que deve ser compatvel com o nvel de isolamento do sistema. c) Corrente Nominal (Contnua) Assim como em religadores, esta a mxima corrente que a bobina-srie da seccionalizadora pode suportar sem exceder seu limite trmico. Deve ser superior a mxima corrente de carga do ponto de instalao, considerando um possvel aumento de carga e eventuais manobras. d) Capacidade Interrupo Corrente mxima de carga que a seccionalizadora pode interromper, o que lhe permite atuar como uma chave seccionalizadora automtica ou como uma chave de carga manual ou motorizada. Este valor deve considerar uma eventual falha, no caso da seccionalizadora abrir o contato sob carga durante a energizao do circuito ou durante uma falta. e) Corrente Mxima de Falta Corrente assimtrica mxima que a seccionalizadora pode suportar durante um curto perodo de tempo antes que a proteo de retaguarda interrompa a falta. Em seccionalizadoras com bobina-srie, esta classificao depende da corrente nominal desta bobina, enquanto nas seccionalizadoras sem bobina-srie, esta corrente independe da corrente mnima de atuao do equipamento. f) Corrente Mnima de Atuao Mnima corrente requerida para iniciar a operao de contagem. Seccionalizadoras de tipo seco e hidrulica atuam com 160 % da corrente nominal de suas bobinas srie (Iatuao = 1,6 x Ibobina srie). O valor dessa corrente deve ser 80% da corrente de fase (ou fase-terra) mnima de disparo do equipamento religador de proteo do lado da fonte (religador ou disjuntor). 82Captulo 4 Universidade Federal de Itajub g) Contagem de Disparo (counts to trip) Nmero de vezes que a seccionalizadora deve contar antes de abrir o contato e isolar o circuito. A maioria das seccionalizadoras ajustada em 1, 2 ou 3 contagens para o disparo, sendo que esse nmero deve ser inferior ao nmero mximo de religamentos da proteo de retaguarda. Em chaves eletrnicas de tipo seco esse valor deve ser especificado ao fabricante. h) Tempo de Memria (memory time) Perodo de tempo que a seccionalizadora deve reter a contagem. O tempo de memria usualmente especificado como um valor mnimo, mas deve ser suficientemente grande para que a seccionalizadora retenha a contagem atravs de toda a seqncia tpica de disparos e religamentos da proteo de retaguarda (do lado da fonte). Em seccionalizadoras hidrulicas e do tipo seco, esse tempo varia com a temperatura, que deve ser considerada nos processos de clculo. O tempo de memria deve ser definido de modo a permitir coordenao com os religadores, quaisquer que sejam os seus ajustes de seqncia de operao. i) Tempo de Reinicializao (reset time) Tempo requerido depois de uma ou mais contagens para que o mecanismo de contagem retorne posio inicial da operao. j) Tempo Curto tempo que a seccionalizadora pode suportar a Corrente Mxima de Falta antes da atuao da proteo de retaguarda, e cujo valor est associado capacidade trmica e mecnica da seccionalizadora. Para seccionalizadoras hidrulicas e de tipo seco, o valor de tempo curto limitado pela capacidade trmica da bobina srie, sendo que o efeito de mltiplos religamentos tambm deve ser considerado. Enquanto que em seccionalizadoras sem bobina srie, o valor de tempo curto definido pelas limitaes mecnicas do mecanismo seccionador. As tabelas (4.3) e (4.4) mostram um resumo das caractersticas de seccionalizadoras de controle hidrulico e eletrnico respectivamente. 83Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Controle Hidrulico 14,4 kV Monofsicos 95 ou 125 kV, NBI Trifsicos 110 kV, NBI Corrente de Interrupo Simtrica (A) Corrente de Curto-Circuito (ampres) de Curta Durao Bobina Srie 1 3 Corrente de Atuao (A) Corrente de Curto-Circuito (assimtrica) 1s 10s Corrente de Curto-Circuito (assimtrica) 1s 10s 5 8 800 200 60 800 200 60 10 16 1600 400 125 1600 400 125 15 24 2400 600 190 2400 600 190 25 40 4000 1000 325 4000 1000 325 35 56 6000 1500 450 6000 1500 450 50 308 440 80 6500 2000 650 7000 2000 650 70 112 6500 3000 900 8000 3000 900 100 160 6500 4000 1250 8000 4000 1250 140 224 6500 4000 1800 8000 4000 1800 160 256 9000 5700 2600 185 296 9000 5700 2600 200 320 9000 5700 2600 Tabela 4.3 Caractersticas de Chaves Seccionalizadoras de Controle Hidrulico. 84Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 85 Controle Eletrnico 34,5 kV 14,4 kV NBI 110 24,9 34,5 kV NBI 150 Corrente de Curto-Circuito (ampres) de Curta Durao Corrente Contnua (A) Corrente de Interrupo Simtrica (A) Corrente de Atuao (A) Corrente de Curto-Circuito (assimtrica) 1s 10s Corrente de Curto-Circuito (assimtrica) 1s 10s 80 112 160 224 320 448 400 800 640 15000 10000 10000 80 112 160 224 320 448 600 1320 640 15000 10000 Tabela 4.4 Caractersticas de Chaves Seccionalizadoras de Controle Eletrnico. Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 4.3 Religador 4.3.1 Definio Religador: Um circuito religador automtico definido, segundo a norma nacional americana (American National Standard) - ANSI C37.60 como um dispositivo autocontrolado automtico que interrompe e religa um circuito de corrente alternada com uma seqncia pr-determinada de abertura e fechamento seguido por uma re-inicializao, permanecendo fechado ou bloqueado. Dessa maneira, existem dois tipos bsicos de operao: fechado ou bloqueado. 4.3.2 Introduo Uma grande porcentagem das faltas que ocorrem em sistemas areos de distribuio consiste de faltas temporrias que podem ser causadas por descargas atmosfricas, vento, animais ou contatos com rvores. A porcentagem desse tipo de falta varia de acordo com o sistema eltrico e as condies ao seu redor. No entanto, considera-se que geralmente 50% a 90% de todas as faltas em circuitos areos so faltas temporrias, ou inicialmente temporrias. O reconhecimento desses fatos levou ao desenvolvimento de dispositivos de proteo capazes de sentir e interromper as correntes falta, religando automaticamente o circuito um certo nmero de vezes antes de interromper o mesmo definitivamente. Historicamente, o primeiro dispositivo religador automtico desenvolvido foi um fusvel repetidor. Esse equipamento consistia em dois ou trs fusveis de expulso conectados em uma mesma chave, permitindo o religamento automtico depois que um desses fusveis solicitado para operar. O sucesso desse dispositivo orientou a introduo do primeiro circuito religador automtico em 1939. Esse religador ofereceu uma melhora relativa na operao do fusvel repetidor quando este era reinicializado por si s (anterior a ltima operao) e rpido o suficiente para prevenir algumas faltas transitrias que podem transformar-se em faltas permanente. No entanto, isso era to rpido que a coordenao com outros dispositivos ao longo da linha (outros fusveis ou outros religadores) no era 58Captulo 4 Universidade Federal de Itajub possvel. Ento, em 1944, o religador, como hoje conhecido, foi desenvolvido. Esse dispositivo tinha caractersticas duplas de tempo-corrente (rpida e retardada ou temporizada) para permitir a proteo diante de faltas temporrias que ainda estivessem sujeitas coordenao com outros dispositivos ao longo da linha. Os primeiros religadores eram monofsicos com controle hidrulico e interrupo em leo. Possuam baixa capacidade de conduo de corrente e baixa capacidade de interrupo e eram geralmente usados na sada de linhas no lugar de fusveis. Mais tarde, religadores trifsicos foram desenvolvidos com controle eletrnico e interrupo em leo ou interrupo a vcuo. E com o passar do tempo, a capacidade de interrupo e a capacidade de conduo aumentaram gradativamente, permitindo seu uso como dispositivos seccionadores de circuitos alimentadores e em subestaes de distribuio como dispositivos de proteo principal do alimentador. Atualmente, existe um grande nmero de religadores produzidos por vrios fabricantes para diferentes nveis de tenso, de corrente contnua e de taxa de interrupo de corrente; sendo que alguns apresentam desempenho e capacidade de interrupo compatvel com a dos disjuntores. 59Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 4.3.3 Caractersticas e Classificao Os religadores so classificados de acordo com os seguintes parmetros, conforme ANSI C 37.60 e a ABNT NBR 8177: a) Tenso Nominal Valor de tenso (em kV) que o disjuntor foi projetado para operar normalmente. Deve ser compatvel com a classe de tenso do sistema. b) Tenso Suportvel Tenso mxima (em kV) que o equipamento pode suportar a seco e sobre chuva num perodo de um minuto ou 60 micro - segundos (s). c) Nvel Bsico de Isolamento (NBI) Nvel de isolamento (em kV) contra impulso (Impulse whithstand voltage BIL) do equipamento. Deve ser compatvel com o NBI do sistema. d) Corrente Nominal (Contnua) Corrente mxima que um religador capaz de transferir. Esse valor associado capacidade da bobina srie, e deve prever aumento de carga do sistema. e) Corrente Mnima de Disparo Esse parmetro est associado exclusivamente a religadores com bobina srie. Para esses religadores, a corrente mnima de disparo dever ser duas vezes o valor da corrente contnua nominal do equipamento. As correntes de disparo devem ser menores do que as correntes de curto-circuito na zona de proteo do equipamento, incluindo, sempre que possvel, os trechos a serem adicionados quando se realizarem manobras consideradas usuais. f) Capacidade de Interrupo Capacidade do disjuntor (em kA) de suportar o valor mximo curto-circuito simtrico para a qual foi projetado, deve ser compatvel com nvel de curto-circuito do sistema considerando tambm possveis assimetrias. g) Freqncia Nominal a freqncia (em Hertz) para qual o equipamento foi projetado. Normalmente freqncia do sistema (50 ou 60 Hz). 60Captulo 4 Universidade Federal de Itajub h) Curvas de Temporizao Curvas tpicas de operao do equipamento (fornecidas pelo fabricante) e devem permitir a coordenao com outros equipamentos de proteo. i) Seqncia de Operao Deve ser definida de acordo com as necessidades de coordenao. As operaes rpidas devem eliminar, na medida do possvel, as faltas temporrias antes da fuso dos elos fusveis instalados a jusante, enquanto que as operaes temporizadas (lentas) devem permitir a fuso do elo a jusante sem que ocorra o desarme ou bloqueio do religador aps a ltima operao. Deve-se respeitar um limite mximo de 4 operaes. j) Tempo de Religamento o tempo compreendido entre a operao de abertura e conseqente fechamento dos contatos do religador. Normalmente esse tempo no ajustvel situando-se entre 1 e 2 segundos, mas quando houver essa possibilidade o tempo de religamento deve ser ajustado para permitir maior coordenao com os equipamentos instalados a montante e a jusante do religador. k) Tempo de Rearme ou Reinicializao o tempo necessrio para que o religador anule as suas operaes executadas, tornando-se apto para iniciar novamente a seqncia de operaes pr-estabelecidas. Em religadores eletrnicos esse tempo pode ser ajustado de acordo com a necessidade. As tabelas (4.1) e (4.2) mostram a capacidade de interrupo de religadores operados por bobina-srie e dos religadores do tipo KFE e KFVE e seus respectivos valores de resistores para disparo de fase e neutro. 61Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Tenso Nominal (kV) Corrente Mxima Nominal (A) Corrente de Interrupo Simtrica (A rms)Tipo de ReligadorMonofsico 2,4 14,4 50 1250 H 100 3000 - 2000 4H 200 3000 2000 V4H 280 6000 4000 L 560 12000 - 8000 D 24,9 100 2000 E 280 4000 4E 24,9 34,5 560 8000 DV Trifsico 2,4 14,4 100 3000 2000 6H 200 3000 2000 V6H 400 6000 4000 R 560 12000 10000 W 400 6000 KF 560 12000 VW 24,9 560 8000 WV 560 10000 VWV 24,9 34,5 400 6000 RV 400 6000 RVE Tabela 4.1 Caractersticas de Religadores Monofsicos ou Trifsicos [9]. 62Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Corrente de Disparo Mnima de Fase [A] Corrente de Disparo Mnima de Terra [A] Corrente de Interrupo Simtrica [A] 5 6000 10 10 6000 20 20 6000 30 30 6000 50 50 6000 70 70 6000 100 100 6000 140 140 6000 200 200 6000 280 280 6000 320 320 6000 400 400 6000 450 6000 560 6000 800 6000 Tabela 4.2 Corrente de Disparo e Interrupo de Religadores Tipo KFE e KFVE [5]. 4.3.4 Tipos de Religadores Os religadores podem ser classificados: (a) Pelo Meio onde ocorre a interrupo; (b) Pelo Mtodo de Controle utilizado; ou (c) Pelo Nmero de Fases. a) Meio de Interrupo Os primeiros religadores utilizavam meios interruptores a leo; no entanto, na dcada de 60 os religadores passaram a utilizar interrupo a vcuo, uma tecnologia herdada dos disjuntores. Essas novas tecnologias comprovaram aumentar a eficincia e a vida til do equipamento, reduzindo a necessidade de manuteno. Os religadores que utilizam leo como meio de interrupo tambm fazem uso de leo como meio isolante. Enquanto que os religadores a vcuo podem utilizar 63Captulo 4 Universidade Federal de Itajub leo, ar ou materiais slidos (isolamento a seco) para promover o isolamento contra impulsos e tenses de alta freqncia. As figuras (4.13) e (4.14) mostram religadores a leo e a vcuo monofsicos e trifsicos. Figura 4.13 Religadores a leo (Monofsicos e Trifsicos). 64Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Figura 4.14 Religadores a Vcuo para Uso Interno e Externo. b) Sistemas de Controle Os religadores podem ser classificados pelo tipo de controle: controle hidrulico, eletrnico ou microprocessado. O sistema de controle hidrulico associado a religadores com mecanismo de disparo tipo srie (com bobina srie), enquanto que o sistema de controle eletrnico associado a religadores sem bobina srie com mecanismo de disparo tipo paralelo (shunt). Os religadores controlados hidraulicamente utilizam isolamento a leo juntamente com um mecanismo hidrulico composto por vrias bombas, orifcios e vlvulas responsveis por executar as operaes caractersticas de disparo, temporizao, contagem e religamento. Nesses tipos de religadores, as sobrecorrentes so percebidas pela bobina-srie. 65Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Os religadores controlados eletronicamente (por rels) foram desenvolvidos em 1960 e utilizam controle eletrnico acoplado ou um conjunto de rels de sobrecorrente e de religamento para comandar a operaes de abertura, religamento e bloqueio do religador. Esses dispositivos eletrnicos so localizados na parte externa do tanque do religador, e so considerados mais precisos e flexveis que os dispositivos hidrulicos. Nesse tipo de religador so utilizados transformadores de corrente (TCs) para a leitura das correntes que circulam atravs das buchas. Figura 4.15 - Religador a leo Trifsico (modelo KFE) com Controle Eletrnico. Os religadores controlados por microprocessadores (microprocessados ou digitais) por sua vez so a ltima gerao de religadores, com maior preciso, e versatilidade. c) Nmero de Fases Os circuitos religadores automticos podem ser monofsicos ou trifsicos. Os dispositivos trifsicos possuem dois tipos de operao: (1) Comando de disparo (trip) monofsico com bloqueio (lockout) trifsico; (2) Comando de disparo trifsico com bloqueio trifsico. As unidades trifsicas menores so normalmente do tipo (1). Religadores de maior dimenso so normalmente do tipo (2), onde todas as trs fases recebem o comando de disparo simultaneamente, assim como em disjuntores. 66Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 4.3.5 Teoria de Operao 4.3.5.1 Operao de Bloqueio de Religadores Em geral, a maioria dos religadores utilizados atualmente possui a funo de bloqueio, ou seja, equipamentos cujos contatos abrem e permanecem bloqueados aps uma seqncia tpica de quatro disparos e trs religamentos, como mostra a figura (4.16). Se algum dos religamentos obtiver sucesso (caso a falta for eliminada), o mecanismo de operao do religador volta posio inicial e o equipamento est pronto para atuar novamente. Figura 4.16 Seqncia Tpica de Operao de um Religador Ajustado para Quatro Disparos [1]. Na Figura (4.16) pode-se observar Operaes Instantneas ou Rpidas e Operaes com Retardo de Tempo. Essas operaes de comando so tambm chamadas de caractersticas de tempo-corrente de religadores. A Figura (4.17) indica como essas caractersticas so usualmente apresentadas em termos de tempo e corrente. 67Captulo 4 Universidade Federal de Itajub As figuras (4.17) e (4.18) mostram curvas de atuao de religadores dotados de bobina-srie de diferentes tipos. Figura 4.17 Curva de Atuao de Religadores do Tipo R, RX, RV, W, VW, VWV, WV Bobina-Srie [5]. 68Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Figura 4.18 Curva de Atuao de Religadores do Tipo KF Bobina-Srie [5]. 69Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Figura 4.19 Curva de Atuao de Religadores do Tipo 4H, V4H, 6H, V6H Bobina-Srie [5]. 70Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Nas figuras (4.17), (4.18) e (4.19), a curva A uma curva rpida (curva instantnea), enquanto as curvas B, C, D e E so as curvas com tempo definido (temporizadas). Se a falta no for eliminada antes do ltimo comando de disparo temporizado, o religador interrompe o circuito, permanecendo bloqueado at ser manualmente religado. A Figura (4.20) mostra o ciclo de trabalho tpico de religadores. Figura 4.20 Ciclo de Trabalho Tpico de Religadores [1]. 4.3.5.2 Modo de Operao Normalmente Fechado Esse modo de operao substitui a posio de bloqueio de religadores, ou seja, ao invs de abrir e permanecer bloqueado aps uma seqncia de operao tpica, o religador entra em modo normalmente-fechado, com seus contatos fechados, possibilitando assim que a corrente de falta que circula atravs do 71Captulo 4 Universidade Federal de Itajub religador seja eliminada por um outro equipamento de proteo ao longo da linha. Aps a interrupo da falta, o religador retorna automaticamente ao seu estado inicial. A limitao do modo de operao normalmente-fechado est associada s caractersticas trmicas do religador. As normas tcnicas reconhecem dois tipos de religadores: os de bobinas sries e os de bobinas shunt. Uma breve descrio da operao de cada tipo de bobina apresentada a seguir. 4.3.5.3 Operao da Bobina Srie Quando ocorre uma sobrecorrente em um circuito protegido por esse tipo de religador, esta corrente percebida por uma bobina-srie interna. A energizao de disparo proveniente do circuito primrio e realizada atravs da bobina-srie, quando a contagem do tempo iniciada. As funes temporizadas so em seguida controladas por um sistema hidrulico. A fora de abertura dos contatos fornecida por molas carregadas por uma operao prvia de fechamento ou durante uma operao de religamento. A fora de fechamento dos contatos fornecida pelo carregamento das molas aps o comando de disparo ou por energia fornecida pelo circuito primrio (ou circuito auxiliar) atravs de uma bobina de fechamento. 4.3.5.4 Operao da Bobina de Derivao Shunt As bobinas de derivao shunt dos religadores identificam as sobrecorrentes por meio de transformadores de corrente conectados internamente s buchas do equipamento. A energia para o comando de disparo normalmente no fornecida pelo circuito primrio, mas sim, atravs de outras fontes, como baterias, por exemplo. No entanto, as baterias podem ser carregadas atravs do circuito primrio atravs de transformadores de corrente ou de potencial. Todas as funes de temporizao so controladas por sistemas eletrnicos ou por rels de proteo instalados na parte externa do religador. A fora de abertura dos contatos proveniente de molas carregadas durante uma operao prvia de fechamento ou durante uma operao de religamento. A fora de fechamento dos contatos obtida de molas carregadas por um motor ou pela energia fornecida pelo circuito primrio (ou circuito auxiliar) atravs de uma bobina de fechamento. 72Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 4.3.5.5 Proteo Contra Faltas Fase-Terra Os religadores trifsicos podem ser equipados com uma bobina de derivao (shunt) acionada por rels ou mecanismos de disparo de terra (Ground Trip). Esse dispositivo, normalmente, composto pelos seguintes elementos: transformador de corrente (TC), bobina de disparo e circuito eletrnico de disparo. utilizado para deteco de faltas fase-terra de alta impedncia e pequena intensidade em sistemas com neutro multi-aterrado (efetivamente aterrados). No seu ajuste, deve-se considerar a circulao de corrente atravs do neutro, tpico de sistemas de distribuio de baixa tenso, de modo que a corrente mnima de disparo seja maior que a pior condio de desequilbrio. Uma faixa tpica de disparo de terra de religadores utilizados em sistemas com neutro multi-aterrado 30 a 50% da corrente mnima de disparo de fase. Do mesmo modo que o disparo de fase, o disparo de terra (Ground Trip) pode ser ajustado atravs das curvas de tempo-corrente fornecidas pelo fabricante. Para o caso de sistemas com neutro isolado, recomendvel o uso de dispositivo de proteo de defeito fase-terra baseado na tenso residual. Esse dispositivo composto dos seguintes elementos: transformadores de potencial monofsicos e bobinas de disparo. recomendvel, ainda, a utilizao da chave auxiliar, para isolamento da bobina de disparo, quando os contatos do religador estiverem abertos, e da chave de bloqueio, para tornar inoperante a bobina de disparo antes do fechamento manual do religador. As figuras (4.21) e (4.21) mostram curvas de atuao de religadores dotados de bobinas de terra (ground trip solenoid) de 63,5 e 110 ampres respectivamente. 73Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Figura 4.21 Curvas de Atuao de Religadores tipo R, RV, RX, VW, VWV, W, WV com Bobina-Terra de 63,5 Ampres [5]. 74Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Figura 4.22 Curvas de Atuao de Religadores tipo R, RV, RX, VW, VWV, W, WV com Bobina-Terra de 110 Ampres [5]. 75Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 76Nas figuras (4.21) e (4.22), as curvas 3 e 2 so as curvas de atuao de fase enquanto que as curvas 1-3 e 1-2 so as curvas de disparo de terra (ground trip). Essas curvas de atuao podem ser obtidas atravs dos fabricantes, sendo que programas computacionais de coordenao, como o ASPEN por exemplo, j contm as curvas dos modelos e fabricante mais comuns na sua base de dados, facilitando a realizao da seletividade e coordenao de dispositivos. 4.3.5.6 Esquema de Instalao de Religadores Na instalao de religadores em sistemas de distribuio deve-se ter muita ateno, pois grande parte desses equipamentos dotada de bobinas de fechamento que devem ser energizadas para o religamento do circuito aps atuao do religador, desse modo, essas bobinas devem estar do lado da fonte. Alm de pra-raios em ambos os lados do religador (fonte e carga), devem ser utilizadas chaves fusveis ou chaves de manobra (chaves de by-pass) para operaes de manuteno. A figura (4.23) mostra o esquema padro de instalao de religadores. Figura 4.23 Esquema de Ligao do Religadores [5]. Captulo 4 Principais Equipamentos Utilizados na Proteo de Sobrecorrente de Sistemas de Distribuio 4.1 Introduo Nesse captulo, so apresentadas informaes bsicas dos principais equipamentos utilizados para proteo de sobrecorrente de sistemas de distribuio: 1. Disjuntor e Rel 2. Religador 3. Chave Seccionalizadora 4. Chave e Elo Fusvel 4.2 Disjuntor e Rel 4.2.1 Definies Disjuntor: equipamento ou dispositivo mecnico capaz de conduzir ou interromper as correntes de carga e de curto-circuito em alta velocidade. Rel: segundo a Associao Brasileira de Normas Tcnicas - ABNT, o rel um dispositivo por meio do qual um equipamento eltrico operado quando se produzem variaes nas condies deste equipamento ou do circuito em que ele est ligado, ou em outro equipamento ou circuito associado. Outras normas definem o rel como um dispositivo cuja funo detectar em circuitos ou equipamentos eltricos, condies perigosas e anormais de funcionamento, avisando e comandando, de modo conveniente, manobras de chaveamento. 41 Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 4.2.2 Caractersticas e Classificao Dentre os itens mais importantes para a especificao de disjuntores [1] [3], deve-se considerar: a) Corrente Nominal Valor de corrente permanente (em ampres) que o disjuntor capaz de conduzir sem comprometer a estrutura dos contatos. Deve ser superior mxima corrente do alimentador, convenientemente medida ou avaliada na situao de maior carga do circuito, e deve prever o crescimento da carga. b) Tenso Nominal Valor de tenso (em kV) que o disjuntor foi projetado para operar normalmente. Deve ser compatvel com a tenso do sistema. c) Capacidade Dinmica ou Instantnea Capacidade do disjuntor de suportar o valor de crista inicial da corrente de curto-circuito e respectivo fator de assimetria para a qual foi projetado (Em sistemas de mdia tenso o fator mximo de assimetria m = 1,6). Deve ser compatvel com o sistema onde o disjuntor instalado. d) Corrente de Interrupo ou Ruptura Corrente mxima (em kA) que o disjuntor capaz de interromper com segurana. Deve ser maior que a mxima corrente de curto-circuito trifsica ou fase-terra calculada no ponto de instalao. e) Corrente de Fechamento Corrente mxima admitida pelo equipamento para fechar o circuito. Normalmente, esta corrente cerca de 2,5 a 3 vezes a corrente de ruptura do disjuntor. a) Corrente de Disparo - As correntes de disparo devem ser menores do que as correntes de curto-circuito na zona de proteo do equipamento, incluindo, sempre que possvel, os trechos a serem adicionados quando na realizao de manobras usuais. f) Temporizao Intervalo de tempo que deve possibilitar a coordenao com outros equipamentos de proteo do sistema. 42Captulo 4 Universidade Federal de Itajub g) Nvel Bsico de Isolamento (NBI) Nvel de isolamento (em kV) contra impulso (Impulse whithstand voltage BIL) do equipamento. Deve ser compatvel com o NBI do sistema. 4.2.3 Meios de Extino Os quatro principais meios de extino existentes em disjuntores so: leo Disjuntores com pequeno ou grande volume (PVO ou GVO). Figura 4.1 - Disjuntores a leo (PVO), Tripolares para uso Externo e Interno. Ar Comprimido Disjuntores pneumticos. SF6 Disjuntores a gs. Vcuo Disjuntores com cmeras de extino sob vcuo. 43Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Figura 4.2 Disjuntores a Vcuo Tripolares para Uso Interno. Como se pode observar nas figuras (4.1) e (4.2), os disjuntores podem tambm ser tripolares ou monopolares, e de instalao interna ou externa. 4.2.4 Classificao de Rels Em relao aos rels, pode-se classifica-los atravs de algumas caractersticas como: a) Quanto s grandezas fsicas de atuao: eltricas, mecnicas, trmicas, ticas, etc; b) Quanto natureza da grandeza a que respondem: corrente, tenso, potncia, freqncia, temperatura, etc; c) Quanto ao tipo construtivo: eletromecnicos (induo), mecnicos (centrfugo), eletrnicos (fotoeltricos), microprocessados (digitais), etc; d) Quanto funo: sobrecorrente (50 e 51), sobretenso (59), direcional de corrente ou potncia (67), diferencial de corrente (87), distncia (21), etc; 44Captulo 4 Universidade Federal de Itajub e) Quanto forma de conexo do elemento sensor: direto no circuito primrio ou atravs de equipamentos de medio, como transformadores de potencial (TPs) e transformadores de corrente (TCs). f) Quanto a grau de importncia: principal (51) ou intermedirio (86). 4.2.5 Princpio de Funcionamento dos Rels Ao detectarem uma perturbao que venha a comprometer os equipamentos ou o funcionamento normal do sistema, os rels enviam um sinal eltrico que comanda a abertura de um ou mais disjuntores, de modo a isolar o equipamento ou parte do sistema afetada pela falha, impedindo que a perturbao danifique equipamentos, comprometa a operao do sistema ou propague-se para outros componentes e sistemas no afetados pela falha. Fundamentalmente, existem dois princpios de operao de rels eletromagnticos: 1) Operao por Atrao Eletromagntica A operao destes rels deve-se a atrao de uma haste para o interior de uma bobina ou pela atrao de uma armadura pelos plos de um eletrom, fechando assim algum contato que permite a circulao da corrente para energizao da bobina de abertura do disjuntor. So sensveis tanto corrente alternada, quanto corrente contnua, respondendo, ento, tanto a componente fundamental da corrente alternada de curto-circuito, quanto a componente contnua existente devido assimetria da corrente de falta. So utilizados em aplicaes onde se deseja alta velocidade na eliminao da falha, ou com tempo definido de atuao. Outra caracterstica a existncia de apenas uma grandeza de atuao, podendo ser supervisionado, entretanto, por outro rel de alta velocidade para prover proteo direcional, por exemplo. Em aplicaes com retardo definido, estes rels operam instantaneamente, dando partida a um temporizador que dispara o disjuntor depois do tempo desejado. Suas aplicaes so indicadas para proteo instantnea, ou seja: 45Captulo 4 Universidade Federal de Itajub - Rel de sobrecorrente (para deteco de curtos-circuitos elevados) de fase e neutro; - Rels de sobre e subtenso instantneo; - Rel diferencial (junto ao transformador de fora) - Rel de religamento. 2) Operao por Induo Eletromagntica O princpio de funcionamento desses tipos de rels o mesmo de motores de induo e medidores de energia eltrica, ou seja, pela interao dos fluxos magnticos defasados que atravessam um disco ou tambor onde as correntes so induzidas. Somente funcionam com corrente alternada, e desse modo, no enxergam a componente contnua das correntes de curto-circuito. Normalmente so aplicados em rels que operam em alta velocidade, podendo ser instantneos ou temporizados. 4.2.6 Tipos Construtivos de Rels Eletromagnticos 4.2.6.1 Rel Eletromagntico Tipo Armadura Axial O rel eletromagntico do tipo armadura axial consiste de uma bobina que, quando energizada, atrai para seu anterior um ncleo mvel de ferro. O movimento desta pea atua direta ou indiretamente, comandando a abertura do disjuntor. A ao de comando pode ser efetuada lenta ou rapidamente, isto , com ou sem amortecimento. 46Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Figura 4.3 Rel Eletromagntico Tipo Armadura Axial [2]. 4.2.6.2 Rel Eletromagntico Com Armadura em Charneira Os rels eletromagnticos com armadura em charneira so formados por uma armadura magntica mvel em torno de um eixo e uma pea magntica fixa que contm uma bobina. Quando a bobina excitada, se estabelece um fluxo magntico que atrai a armadura mvel. O movimento de armadura utilizado para fechar ou abrir contatos que comandam a abertura do disjuntor. 47Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Figura 4.4 Rel Eletromagntico com Armadura em Charneira [2]. 4.2.6.3 Rel Eletromagntico Tipo Disco Os rels eletromagnticos do tipo disco consistem de um disco condutor, geralmente de alumnio, que se movimenta por induo dentro do entreferro de um ncleo magntico excitado pela corrente que circula na bobina do ncleo. Em geral, junto ao disco, existe um contato mvel para o comando da abertura do disjuntor. possvel modificar o tempo de fechamento dos contatos, modificando o tempo de percurso total do contato mvel. 48Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Figura 4.5 Rel Eletromagntico Tipo Disco [2]. 4.2.6.4 Rel Eletromagntico Tipo Tambor Os rels eletromagnticos do tipo tambor so uma evoluo do rel de disco; so constitudos por um tambor condutor, em geral de alumnio, que se movimenta no entreferro de um circuito magntico mltiplo. Tal formato permite que se obtenha um grande conjugado motor aliado a uma alta rapidez de ao. Figura 4.6 Rel Eletromagntico Tipo Tambor [2]. 49Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 4.2.6.5 Rel Eletromagntico de Bobina Mvel Os rels eletromagnticos de bobina mvel so constitudos de uma bobina mvel no interior de um campo magntico. Ao elemento mvel est fixado o contato mvel para fechamento de circuito de comando do disjuntor. Figura 4.7 Rel Eletromagntico de Bobina Mvel [2]. 4.2.7 Ajuste de Rels de Corrente A maioria dos rels tem uma ampla faixa de ajuste que os torna adaptveis a diversas circunstncias. A figura (4.8) mostra uma diagrama esquemtico de um conjunto rel-disjuntor. 50Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Figura 4.8 Diagrama Esquemtico de um Conjunto Rel-Disjuntor [2]. H normalmente dois ajustes: a) Ajuste de Corrente realizado atravs do posicionamento do entreferro, ou pela mola de restrio, atravs de pesos, ou por tapes de derivao da bobina (tap); b) Ajuste de Tempo realizado regulando-se o percurso do contato mvel (Ajuste do dispositivo de tempo DT), ou por meio de outros dispositivos de temporizao. Embora esses ajustes sejam feitos independentemente, sua relao pode ser observada nas chamadas curvas de tempo-corrente (TimeCurrent Characteristics - TCCs), fornecidas pelo fabricante, como mostra a figura (4.9). Em geral, no eixo vertical so mostrados os tempos (em segundos) enquanto que no eixo horizontal 51Captulo 4 Universidade Federal de Itajub aparecem as correntes de acionamento, em mltiplos de 1 a 20 vezes a derivao (tap) escolhida. Assim, essa derivao passa a ser o valor de atuao do rel, ou seja, o valor para o qual o rel comea a atuar e realmente operaria seus contatos em um tempo infinito; por motivos de segurana devido a problemas de atrito, por exemplo, costuma-se adotar um valor de defeito uma vez e meia o valor de atuao (fator de sensibilidade). Como indicao, e em igualdade de condies de escolha, em um rel de caracterstica de tempo inverso, o valor de atuao ou partida (pick-up) deve ser escolhido na parte mais inversa das curvas, ou seja, mltiplo baixo e dispositivo de temporizao alto. Figura 4.9 Grfico de Mltiplos de Corrente x Tempo de Rels [2]. 52Captulo 4 Universidade Federal de Itajub Existem trs famlias de curvas de tempo-corrente de rels: NI Normalmente Inversa: famlia de curvas mais comum, onde o tempo de operao inversamente proporcional ao valor de atuao. MI Muito Inversa: As caractersticas dessas curvas so mais acentuadas que as curvas NI. EI Extremamente Inversa: So as curvas mais acentuadas entre todas as curvas. A figura (4.10) mostra curvas tpicas de cada famlia e tambm ajustes de pick-up e de tempo de um rel de corrente. Figura 4.10 Curvas Tpicas de Tempo-Corrente de Rels. 53Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 4.2.8 Transformadores de Corrente Os reles normalmente utilizados na proteo so conectados ao sistema de potncia atravs de transformadores de correntes (TCs), esses equipamentos evitam a conexo direta dos rels nos circuitos de corrente alternada de mdia e alta tenso, reduzindo as correntes de linha a valores compatveis para os quais esses equipamentos foram fabricados. Devido aos problemas de saturao e fluxo remanescente, esses equipamentos requerem uma maior ateno no seu dimensionamento e instalao. Basicamente, so constitudos de um ncleo de ferro, de um enrolamento primrio, que tem geralmente poucas espiras, s vezes mesmo uma nica, e um enrolamento secundrio, que ao contrrio do primrio, tem um grande nmero de espiras, sendo que a esse enrolamento so conectadas as bobinas dos diversos medidores e/ou rels. Segundo a ABNT, os valores nominais que caracterizam os TCs so [2]: a) Corrente nominal e relao nominal - Segundo as normas NBR 6546 e NBR 6856 da ABNT, o valor padro da corrente do secundrio de 5 ampres, havendo para a corrente do primrio diversos valores entre 5 e 8000 ampres. b) Classe de tenso de isolamento nominal - definida pela tenso do circuito ao qual o TC ser conectado (em geral, a tenso mxima de servio). c) Freqncia nominal - a freqncia nominal do sistema ao qual o TC conectado (50 ou 60 Hertz). d) Classe de exatido nominal - Corresponde ao erro mximo de transformao esperado, se respeitada a carga permitida. importante que os TCs de proteo retratem com fidelidade as correntes de falta, sem sofrer os efeitos da saturao; em geral nos sistemas de medir tenso despreza-se o erro de ngulo de fase. 54Captulo 4 Universidade Federal de Itajub e) Carga nominal - carga (Ztotal = Rtotal + jXtotal) vista pelo TC, que corresponde ao equipamento de medio ou rel conectado ao secundrio mais a carga correspondente a cablagem.Os catlogos dos fabricantes de rels e medidores fornecem as cargas Zc, enquanto que a carga referente aos cabos de conexo pode ser calculada pela expresso: ) ( 10 22ohmsSlZL = (4.1) Onde: ZL = resistncia dos cabos de conexo (ohms), l = comprimento dos cabos de conexo em cobre (metros), S = seo reta do condutor (milmetros quadrados) f) Fator de sobrecorrente nominal (RTC) - Relao entre a mxima corrente de curto que o TC suporta e a sua corrente nominal. Segundo a ABNT, os valores padres de RTC so 5, 10 15 e 20. Considerando que a corrente nominal do secundrio do TC de cinco ampres, tem-se que: 5primrioIRTC = (4.2) g) Fator trmico nominal (FT) - a relao entre a mxima corrente primria admissvel e a corrente primria nominal. Segundo a ABNT, os valores padres de FT so 1.0, 1.2, 1.3, 1.5 e 2.0. h) Limites de corrente de curta-durao para efeito trmico - o valor eficaz da corrente primria simtrica que o TC pode suportar por um tempo determinado (normalmente 1 segundo), com o enrolamento secundrio curto-circuitado, sem exceder os limites de temperatura especificados para esta classe de isolamento. Em geral, maior ou igual corrente de interrupo mxima do disjuntor associado. 55Captulo 4 Universidade Federal de Itajub i) Limites de corrente de curta-durao para efeito mecnico - o maior valor eficaz de corrente primria que o TC pode suportar durante determinado tempo (normalmente 1 segundo), com o enrolamento secundrio curto-circuitado, sem causar danos mecnicos, devido s foras eletromagnticas resultantes. Deve-se adotar um valor de 2,5 vezes o limite para efeito trmico, na classe 10-30 kV e trs vezes na classe de 60-220 kV. 4.2.8.1 Tipos de Transformadores de Corrente Existem vrios tipos de TCs usados em proteo: Clssico Ncleo com entreferro Seo Majorada (TPX) Linearizado (Seo majorada com entreferro) - com pequeno entreferro - resposta senoidal + exponencial TPY - com grande entreferro - resposta s senoidal TPZ O aumento da seo do ncleo permite uma melhor resposta do TC face ao nvel de saturao, o que adequado para protees de alta velocidade que atuam nos primeiros ciclos da falta, onde a saturao comum. O entreferro permite uma rpida desmagnetizao do fluxo remanescente no ncleo, depois de interrompida a corrente, porm, pode trazer problemas de exatido devido a uma maior corrente de magnetizao associada reduo da reatncia do ramo magnetizante. Normalmente, os TCs utilizados para a proteo so do tipo bucha, pois estes tipos de transformadores tm baixa impedncia, apresentando uma menor saturao para elevados valores de correntes primrias. As figuras (4.11) e (4.12) mostram um TC tipo bucha e o circuito equivalente simplificado de um TC. 56Captulo 4 Universidade Federal de Itajub 57 Figura 4.11 Transformador de Corrente Tipo Bucha. Figura 4.12 Circuito Equivalente Simplificado de um TC. Captulo 3 Universidade Federal de Itajub Captulo 3 Mtodos de Clculo 3.1 Introduo O principal objetivo do estudo da coordenao e seletividade de dispositivos de proteo melhorar a qualidade do servio de fornecimento de energia eltrica prestado ao consumidor. Para isso, necessrio um amplo conhecimento do sistema eltrico que se deseja proteger e dos dispositivos de proteo disponveis. Uma importante informao para o planejamento e operao de um sistema eltrico o nvel de curto-circuito ao longo da rede, ou seja, a corrente que circula durante a ocorrncia de uma falta, para que seja possvel desse modo determinar e coordenar os equipamentos responsveis pela proteo da rede. Os curtos circuitos podem ser: (1) Simtricos ou (2) Assimtricos. Os curtos-circuitos simtricos so faltas trifsicas que se comportam como uma carga simtrica para a rede trifsica. Nesta situao, todos os trs condutores so solicitados de modo idntico e conduzem o mesmo valor eficaz de corrente de curto-circuito. Os curtos-circuitos assimtricos (bifsicos e monofsicos) so os mais comuns e ao contrrio dos curtos simtricos, comportam-se como cargas assimtricas gerando diferentes valores de corrente em cada fase. So apresentados neste captulo dois diferentes mtodos para o clculo do nvel de circuito simtrico e assimtrico ao longo de um circuito de distribuio. O primeiro mtodo simples e preciso e utiliza um ou mais circuitos eltricos equivalentes para o clculo da tenso e dos nveis de curto-circuito em diferentes pontos do sistema. O segundo mtodo recomendado para grandes sistemas e realiza uma anlise nodal muito utilizada em algoritmos computacionais, atravs da qual o sistema eltrico em estudo representado por barras e ramos associados a matrizes nodais de admitncia (Yn) e impedncia (Zn). Atravs dessas matrizes, 23Captulo 3 Universidade Federal de Itajub pode-se calcular o fluxo de potncia atravs dos ramos, a tenso e os nveis de curto-circuito em todas as barras do sistema. Ambos os mtodos apresentam equaes simplificadas para o clculo de diferentes faltas, onde so utilizados componentes simtricas, e cujo ponto de partida o diagrama unifilar do circuito, que em sistemas de distribuio tipicamente radial, facilitando alguns clculos. 3.2 Mtodo 1 Circuito Equivalente 3.2.1 Curtos-Circuitos Simtricos Curtos-circuitos trifsicos e equilibrados so faltas simtricas que se comportam com uma carga trifsica equilibrada, como mostra a figura (3.1). Figura 3.1 Falta Trifsica Simtrica. Quando as impedncias (ZF) presentes no percurso da falta so iguais a zero, tem-se uma falta trifsica slida. Em um curto-circuito trifsico e simtrico pode-se calcular a corrente de falta em um ponto qualquer do sistema atravs de um nico Circuito Equivalente de Seqncia, como mostra a figura (3.2). 24Captulo 3 Universidade Federal de Itajub Figura 3.2 Circuito Equivalente de Fase. Sendo que: FFAF FZ Z EI I+= =13 (3.1) Onde Z1 impedncia de seqncia positiva e EF a tenso fase-terra na fase A (EA) vista no ponto de falta no instante anterior aplicao da mesma. Esta tenso pr-falta pode ser obtida atravs de grfico de perfil de tenso ou atravs de estudo de fluxo de carga, e considerada o fasor de referncia, para o qual usualmente adota-se um ngulo de zero graus. Neste curto-circuito trifsico e equilibrado, as correntes nas fases B e C (IBF e ICF respectivamente) tm a mesma magnitude da corrente na fase A (IAF), porm defasadas de 120 em relao ao vetor desta corrente. Multiplicando o valor da corrente de curto-circuito de uma falta trifsica slida pelo fator de assimetria (FA) tem-se o valor mximo de curto. O fator de assimetria (FA) proporcional a relao entre a reatncia (X) e a resistncia (R) eltrica vista num determinado ponto do sistema, e pode ser obtido atravs da tabela apresentada no Anexo B. 25Captulo 3 Universidade Federal de Itajub 3.2.2 Curtos-Circuitos Assimtricos Exemplos tpicos de curtos-circuitos assimtricos so as faltas bifsicas e monofsicas. A figura (3.3) mostra duas faltas bifsicas entre a fase B e fase C de um sistema trifsico. Figura 3.3 Faltas Bifsicas em um Sistema Trifsico. Para uma falta fase-fase (Figura 3.3-a), as correntes de falta podem ser calculadas pela equao (3.2): FFCF BF FZ ZEI I I+ = = =12290 3) ( o (3.2) Em uma falta fase-fase-terra (Figura 3.3-b), as correntes de falta podem ser calculadas atravs das equaes (3.3), (3.4) e (3.5): ( )z p pF p zBFZ Z Z E aZ ZI290 32+ = o (3.3) ( )z p pF p zCFZ Z Z E Z a ZI290 322+ + = o (3.4) 32FGP ZEZ ZI =+ (3.5) Onde: 1 P F Z Z Z= + ; 0 3 Z F G Z Z Z Z= + + e 1201 311202 2ja e j= = = + 26Captulo 3 Universidade Federal de Itajub A falta monofsica a falta mais comum em sistemas eltricos. A figura (3.4) mostra uma falta monofsica envolvendo a fase (A) de sistema trifsico. Figura 3.4 Falta Monofsica em um Sistema Trifsico. Para uma falta fase-terra, a corrente de curto-circuito pode ser calculada pela equao (3.6): GFG FZ Z Z EI I3 230 1 + += = (3.6) Uma vez conhecidos os valores de Z1, Z0, ZF, ZG e EF para qualquer ponto do sistema trifsico, o clculo das correntes torna-se um simples procedimento, requerendo apenas um conhecimento bsico acerca da lgebra de nmeros complexos. No entanto, sistemas de distribuio podem conter linhas bifsicas formadas por dois condutores de fase e um neutro multi-aterrado ou linhas monofsicas constitudas por um condutor de fase e um neutro multi-aterrado. Para que as equaes (3.2) a (3.6) possam ser aplicadas ao clculo das correntes de falta em linhas bifsicas e monofsicas, deve-se conhecer as impedncias de seqncia zero e positiva nessas linhas, que podem ser calculadas atravs das equaes (2.35) e (2.36) apresentadas no captulo 2, sendo que para isso, deve-se conhecer as distncias mdias geomtricas (DMG) das linhas de acordo com as expresses da tabela (2.1). 27Captulo 3 Universidade Federal de Itajub 3.3 Mtodo 2 Anlise Nodal Atravs deste mtodo pode-se calcular a tenso e as correntes de curto-circuito (monofsica, bifsica e trifsica) em diferentes pontos de uma rede eltrica linear e passiva, radial ou malhada. Esses pontos so denominados barras ou barramentos enquanto que as conexes entre essas barras so denominadas ramos. Entre essas barras, deve-se obrigatoriamente definir uma barra de referncia, que normalmente a fonte do sistema. A relao entre as tenses nas N barras da rede (medidas em relao barra de referncia) e as correntes injetadas nas mesmas dada por: | | | || |I Z U N N N = (3.7) Onde: | |UN - vetor das tenses dos barramentos; | |I N - vetor das correntes injetadas nos barramentos; | |ZN - matriz de impedncia nodal, tambm denominada | |ZBUS. Ou ainda: ((((((((((((

((((((((((((

=((((((((((((

IIIIZ Z Z ZZ Z Z ZZ Z Z Z Z Z Z ZUUUUnKnn nK n nKn KK K Kn Kn KnK..... . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . .. . . . . . . .. . . . . . . .. . . .. . . .....212 12 12 2 22 211 1 12 11121 Pode-se obter a matriz de impedncia nodal [ZN], por exemplo, atravs da inverso completa da matriz de admitncia nodal [YN], ou seja: | | | |1 = N N Y Z (3.8) Desconhecendo-se as tenses e injees de corrente nos barramentos do sistema, pode-se determinar esses valores atravs de um estudo de fluxo de carga, onde so adotados inicialmente valores arbitrrios de tenso (Vi0) como 1,00 [pu], 28Captulo 3 Universidade Federal de Itajub por exemplo, calculando-se novos valores at que a diferena mxima entre os valores de uma iterao em relao a anterior sejam menores que a preciso () desejada no processo. Mtodos de clculo iterativos recomendados para o estudo de fluxo de carga em sistemas de distribuio tipicamente radiais so os mtodos de Gauss, Gauss-Seidel e Newton Raphson. 3.3.1 Curtos-Circuitos Simtricos O clculo de curto-circuito atravs do sistema equivalente de Thevenin apresentado no mtodo anterior preciso e fcil de ser aplicado a pequenos sistemas. No entanto, para grandes sistemas, onde existe um elevado nmero de barramentos e ramos necessrio um mtodo mais dinmico e que possa ser utilizado em programas digitais. Adiciona-se a isto o fato de que normalmente se deseja obter a corrente de curto-circuito em diversos barramentos e ramos do sistema. Assim, um mtodo de clculo de correntes e tenses ps-falta em um Sistema de Potncia de n barramentos, adequado para aplicao em computadores digitais apresentado a seguir [6]. Sejam os seguintes vetores e matrizes: | |UN0 - vetor das tenses nos barramentos, anteriores falta (pr-falta). Pode ser obtido de um estudo de fluxo de potncia ou suposto, de acordo com as aproximaes adotadas; | |U fN - vetor das tenses nos barramentos, posteriores falta (ps-falta). Deve ser obtido do estudo; | |UN - vetor de variaes nas tenses nos barramentos, devidas falta; 29Captulo 3 Universidade Federal de Itajub | |I N0 - vetor das correntes injetadas nos barramentos, anteriores falta (pr-falta). Pode ser obtido de um estudo de fluxo de potncia ou suposto, de acordo com as aproximaes adotadas; | |IfN - vetor das correntes de falta injetadas nos barramentos, posteriores falta (ps-falta). Deve ser obtido do estudo. O vetor IfN tem todos os seus elementos nulos, exceto o(s) correspondente(s) ao(s) barramento(s) em curto, onde a(s) corrente(s) injetada(s) (so) dada(s) pelo negativo da(s) corrente(s) de falta. Assim, para um curto no barramento (k), tem-se: | |( )( )(( ) nKII fKfN....210....00((((((((((((

=) (3.9) Se forem desprezadas as cargas ou se estas forem representadas por impedncias fixas incorporadas matriz | |ZN tem-se que: | | | || |I Z U fN N N = obtido da prpria definio da matriz | |ZN. As tenses ps-falta podem ser obtidas por: | | | | | |U U U N NfN + =0 Da: | | | | | || |I Z U U fN N NfN + =0 (3.10) 30Captulo 3 Universidade Federal de Itajub Para um defeito no barramento (K), a expresso acima pode ser desenvolvida em: I Z U UI Z U UI Z U U I Z U UfK nK nfnfK KK KfKfK KffK Kf = = = =00202 2101 1.... valores estes determinados ao se obter a corrente da falta IfK. No ponto de defeito tem-se a situao mostrada na figura (3.5). Figura 3.5 Corrente de Falta. Onde se pode deduzir que: I Z U fK FfK = (3.11) Da: I Z U I Z fK KK KfK F =0 Ou seja: 31Captulo 3 Universidade Federal de Itajub Z Z UI KK FKfK+=0 (3.12) Levando-se o valor de IfK nas equaes anteriores, pode-se obter as seguintes expresses gerais para as tenses (ps-falta) nos barramentos: UZ Z ZUUZ Z ZU UKKK FFfKKKK FiKifi00 0+=+ = (3.13) As correntes de falta que fluem nos ramos do sistema, denominadas contribuies, so dadas pela seguinte expresso: ZU UI ijfjfi fij= (3.14) A figura (3.6) mostra a corrente de falta ( ) que flui atravs ramo i-j, onde IfijZij a impedncia (fsica) do ramo: Figura 3.6 Corrente de Falta atravs do Ramo i-j. Substituindo os valores das tenses ps-falta, tem-se: ZUZ Z Z ZZU UZUZ Z ZU UZ Z ZU I ijKKK FiK jKijj iijKKK FjKj KKK FiKifij00 00 0 0 0 1++|||.|

\| =(((

||.|

\|+ ||.|

\|+ = 32Captulo 3 Universidade Federal de Itajub Logo: ZUZ Z Z ZI I ijKKK FiK jKijfij00+= (3.15) Para calcular as contribuies de eventuais fontes geradoras (ou coogeradoras) conectados ao sistema basta considerar que, de acordo com a representao desses componentes (tenso constante atrs de uma impedncia), somente a tenso no barramento terminal do mesmo sofre variao devida falta, permanecendo fixa a tenso atrs da impedncia. Portanto tem-se a seguinte expresso: Z U EI Gifi GifGi= (3.16) Onde IfGi a contribuio do gerador conectado ao barramento (i) eEGi a tenso atrs da impedncia ZGi desse gerador. As expresses anteriores so exatas dentro das suposies feitas de linearidade do sistema. Se o curto-circuito for franco, ou seja, se ZF for igual a zero, as expresses anteriores tornam-se: Z U EIZUZ ZZI IUUZZU U ZUIGifi GifGiijKKKiKijfijfKKKKiKifiKKkfKjK=+ == ==000 000 33Captulo 3 Universidade Federal de Itajub Nestas expresses, so supostas conhecidas as tenses pr-falta nos barramentos e as correntes de carga nos ramos, obtidos, por exemplo, de um estudo de fluxo de potncia. Na hiptese de no se dispor desses valores, usam-se as simplificaes adotadas, de considerar nulas as correntes pr-falta e a tenso de todos os barramentos de 1,00 [pu]. Neste caso, as expresses anteriores resultam: ( )( )ZZZ ZI ZZZ ZZIZZ ZUZZ ZUZZIGiKKiKfGiijKKiKfijKKFfKKKiKfiKKfKFFjKFFF++ +++=== ==0 . 10 . 1 No caso de um curto-circuito slido, as expresses so: ZZ ZI Z Z ZZIU ZZU ZIKKjKGiiKfGiij KKiKfijfKKKiKfiKKfK=== ==00 . 10 . 1 34Captulo 3 Universidade Federal de Itajub 3.2.2 Curtos-Circuitos Assimtricos analisado a seguir o curto-circuito monofsico, sendo os demais tipos de faltas assimtricas obtidas de maneira semelhante. As expresses obtidas so usadas para clculo sistemtico das tenses e correntes oriundas do desequilbrio [6]. A figura (3.7) mostra um curto-circuito monofsico na fase A de um barramento (k) qualquer de um sistema trifsico de n barramentos: Figura 3.7 Falta Monofsica no Barramento (k) de um Sistema de Potncia de n Barramentos. As correntes de falta nas trs fases so: 00===II I IfKcfKbfKfKa As componentes simtricas das correntes de falta so dados por: ((((

=((((

((((

=(((((

((((

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III Ia aIIIa aIIIfKfKfKfKfKcfKbfKafKfKfKaaaa3100111 1 131111 1 1312222210 35Captulo 3 Universidade Federal de Itajub Ou seja: I I I I fKfKfKfK310 2 1 = = = Lembrando que os vetores | |IfN1, | |IfN2, | |IfN0 referem-se a correntes de falta injetadas, tem-se: | |( )( )( )( )( ) niKII fKfN...210.0.31.001((((((((((((

= | |( )( )( )( )( ) niKII fKfN...210.0.31.002((((((((((((

= | |( )( )( )( )( ) niKII fKfN...210.0.31.000((((((((((((

= Para um barramento genrico (i) qualquer tem-se que: I Z U UI Z U UI Z U UfK iK ififK iK ififK iK ifi000 0202 2101 1313131 = = = Para o prprio barramento (K), em curto, tem-se, portanto: I Z U UI Z U UI Z U UfK KK KfKifK KK KfKfK KiK KfK000 0202 2101 1313131 = = = Somando as trs componentes acima tem-se que: 36Captulo 3 Universidade Federal de Itajub ( )I Z Z Z U U U U U U fK KK KK KK K K KfKfKfK 0 2 1000201 0 2 131+ + + + = + + Ou seja: ( )I Z Z Z U U fK KK KK KK KafKa 0 2 1031+ + = Observando a figura (3.7) tem-se ainda que: I Z U fK FfKa = Da: ( )I Z Z Z U I Z fK KK KK KKfKafK F 0 2 131+ + = Finalmente: ( )Z Z Z Z UIKK KK KK FKafK0 2 1031+ + += (3.17) Supondo a tenso pr-falta UKa0 igual a 1.0 [pu], suposio normalmente feita, tem-se: Z Z Z ZI F KK KK KKfK30 . 30 2 1 + + += (3.18) No clculo de curto-circuito em sistemas de maior porte, comum supor que todos os componentes do sistema tem impedncias de seqncia positiva e negativa iguais (com a finalidade de economizar a memria utilizada em computadores). Esta hiptese perfeitamente aceitvel, pois apenas introduz alguma impreciso para faltas nas proximidades de fontes geradoras e outros componentes no estticos do sistema. Dentro dessa suposio tem-se a corrente de falta dada por: 37Captulo 3 Universidade Federal de Itajub Z Z ZI F KK KKfK30 . 30 1 2 + += (3.19) Aps calculado o valor da corrente IfK atravs de qualquer uma das expresses acima, pode-se calcular os valores das tenses ps-falta em quaisquer barramentos do sistema: UZ Z Z Z ZU UUZ Z Z Z ZU UUZ Z Z Z ZU UKaF KK KK KKiKifiKaF KK KK KKiKifiKaF KK KK KKiKifi00 2 1000 000 2 1202 200 2 1101 1333+ + + =+ + + =+ + + = Como o sistema suposto equilibrado na condio pr-falta, tem-se que: U U U Uia ii i0 0102000= = = Logo: ((((

+ + +((((

=(((((

ZZZZ Z Z Z UUUUUiKiKiKF KK KK KKKaiafififi0210 2 100021300 As correntes de contribuio nos ramos podem ser calculadas atravs das seguintes expresses: Z U UIZ U UIZ U UIiKfjfi fijiKfjfi fijiKfjfi fij00 0022 2211 11=== 38Captulo 3 Universidade Federal de Itajub onde Zij1, Zij 2 e Zij 0 so, respectivamente, as impedncias de seqncia positiva, negativa e zero do ramo ij. As correntes de contribuio da(s) fonte(s) so dadas por: ZUIZUIZ U UIGififFonteGififFonteGifi GifFonteiii0022110100021=== (3.20) Utilizando-se as equaes de sntese, possvel obter as tenses e correntes de fase: | | | || |U U Aabc 012= e | | | || |I I Aabc 012= Onde: | |((((

=aaa a A22111 1 1 e 23211 132120 j a ej+ = = = o De maneira semelhante ao estudo aplicado para o curto-circuito monofsico, pode-se obter as expresses correspondentes para os demais tipos de faltas assimtricas. A seguir apresentada somente a expresso para obter as componentes de seqncia da corrente de falta, sendo as expresses para o clculo das tenses dos barramentos e das contribuies nos ramos e dos geradores idnticas s j demonstradas. Para uma falta fase-fase tem-se que: 39Captulo 3 Universidade Federal de Itajub 40001 22 1011= = + +=I I I Z Z Z UIfKfKfKF KK KKKfK (3.21) Para faltas do tipo fase-fase-terra so vlidas as seguintes equaes: ( ) ( )( )( )Z Z Z I Z Z UIZ Z I Z Z UIZ Z Z Z Z Z Z U Z Z Z Z ZZ Z Z Z Z Z Z Z ZUIF P KKfK P KK KfKP KKfK P KK KfKF P KK P KK P KKKF P KKKK PP KKKK PF P KK P KKKfK33 //3131 101 101021 10120 2 10101210 2011+ + + =++ =+ + + + +==+ + +++++(((

+ +++= Para faltas trifsicas desequilibradas tem-se que: ((((

==(((((

(((((((((

+ ++ + + + + ++ ++ ++ + + ++ + + ++ ++ +0033 3 3333 33 3330121022 22122 20UIIIZ ZZ Z Z Z a aZ Z Z Z a ZZ Z a ZZ ZZ Z Z Z a aZ ZZ a aZ Z Z Z a ZZ ZZ Z ZKfKfKfKKK FR Q P R Q P R Q PR Q PKK FR Q P R Q PR Q P R Q PKK FR Q Paaa Captulo 2 Introduo Terica 2.1 Consideraes Iniciais Para a realizao de qualquer projeto ou avaliao da coordenao da proteo de sobrecorrente em um sistema de distribuio indispensvel uma anlise ou conhecimento sobre mtodos de clculo de fluxo de potncia e curto-circuito. Para que isso seja possvel so necessrios conhecimentos bsicos sobre sistemas de componentes simtricas e mtodos de clculo dos parmetros de linha de fase e seqncia. Estes conceitos so apresentados neste captulo. 2.2 Sistemas de Componentes de Seqncia Os sistemas eltricos de distribuio so normalmente sistemas desequilibrados e assimtricos, o que dificulta uma anlise simplificada atravs de um diagrama unifilar, a qual deve ser realizada em termos de fases, no entanto, este tipo de soluo muito complicado e demorado. Para diminuir a complexidade deste problema foram desenvolvidos sistemas de componentes que permitem transformar um sistema trifsico desequilibrado (ou um sistema de n fases) em trs sistemas equivalentes equilibrados e interligados que podem ser representados por diagramas unifilares, facilitando assim a realizao dos clculos necessrios. Os dois sistemas de componentes mais conhecidos so: Sistema de Componentes de Fortescue ou Componentes Simtricas. Sistema de Componentes de Clarke. Neste trabalho utilizou-se apenas o Sistema de Componentes de Fortescue que apresentado a seguir. 3 Captulo 2 Universidade Federal de Itajub 2. 2. 1 Componentes de Fortescue ou Componentes Si mtri cas O clculo por componentes simtricas no novo, porm o conhecimento dos seus fundamentos e a utilizao prtica deste processo no do conhecimento de todos. Fortescue foi o primeiro a aplicar o mtodo das componentes com o objetivo de simplificar os clculos em um sistema desequilibrado. O artigo original sobre o mtodo foi publicado em 1918 [18] e desde ento tem sido o mais importante e usado mtodo de transformao. Atravs deste mtodo, pode-se decompor um sistema trifsico desequilibrado em trs sistemas de seqncia: um de seqncia positiva (1), um de seqncia negativa (2) e um de seqncia zero (0). Desse modo, tem-se que: 0 2 10 2 10 2 1c c c cb b b ba a a aE E E E FaseC E E E E FaseB E E E E FaseA& & & && & & && & & &+ + = + + = + + = Sendo ( )c b a E E E & & &, , o sistema desequilibrado de fasores, e ( )1 1 1 c b a E E E & & & + + , ( )2 2 2 c b a E E E & & & + + e ( )0 cE&+0 0 b a E E & & + os sistemas de seqncia, como mostra a figura (2.1). 4Captulo 2 Universidade Federal de Itajub Figura 2.1 Sistemas de Componentes de Seqncia. 5Captulo 2 Universidade Federal de Itajub a) Componente de Seqnci a Posi ti va (+ ou 1) Trs fasores, com magnitudes iguais, deslocados entre si de 120 graus, e tendo a mesma seqncia de fases que o sistema inicial e desequilibrado. b) Componente de Seqnci a Negati va (- ou 2) Trs fasores, com magnitudes iguais, deslocados entre si de 120 graus, e tendo uma seqncia de fase oposta ao sistema original. c) Componente de Seqnci a Zero (0) Trs fasores de igual magnitude com defasamento nulo entre si. Operador a (ou h) Uma vez que as quantidades de seqncia positiva e negativa tm relaes umas com as outras, que envolvem deslocamento de magnitude igual a 120 graus e sem modificao da magnitude, interessante a utilizao de um operador capaz de girar um fasor em 120 graus no sentido anti-horrio, sem, no entanto, mudar sua magnitude. O operador a pode ser comparado ao operador j, que gira um fasor em 90 graus no sentido anti-horrio sem alterar sua magnitude. O efeito da utilizao destes operadores mostrado na figura (2.2). Pode-se aplicar os operadores tantas vezes quantas sejam necessrias e os deslocamentos obtidos so mltiplos. 6Captulo 2 Universidade Federal de Itajub Figura 2.2 Efeito do Operador a e j em um Fasor. Para a figura (2.2) pode-se escrever que: 0 180 1866 , 0 50 , 0866 , 0 50 , 0 0 1 1 60 1 1 60 1 10 1 0 1866 , 0 50 , 0866 , 0 50 , 0 360 1 120 1 120 160 60220 240 12032= + = = = + = = + + = + = + = + = = = = + == = = = jjjjje j e ja aaa e j e j e jaaa Equaes Gerai s Pode-se escrever equaes relacionando componentes de fase com as componentes de seqncia, desta forma tem-se: Ua1 = 10. Ua1 = Ua1 Ub1 = 1240. Ua1 = aUa1 Uc1 = 1-120. Ua1 = aUa1 Ua2 = 10. Ua2 = Ua2 Ub2 = 1120. Ua2 = aUa2 Uc2 = 1240. Ua2 = aUa2 Ua0 = Ub0 = Uc0 7Captulo 2 Universidade Federal de Itajub Sabe-se ainda que: Ua = Ua1 + Ua2 + Ua0 Ub = Ub1 + Ub2 + Ub0 Uc = Uc1 + Uc2 + Uc0 Substituindo, tem-se: Ua = Ua0 + Ua1 + Ua2 Ub = Ua0 + aUa1 + aUa2 Uc = Ua0 + aUa1 + aUa2 Em termos matriciais tem-se: ((((

((((

=((((

UUUUUUaaacbaa a a a210. 1 11 1 1 (2.1) Na forma simplificada: | | | || |U A Uabc 012. = (2.2) Onde: | |(((((

=a a a a A22111 1 1 (2.3) As correntes de fase so definidas da mesma maneira: ((((

((((

=((((

IIIIIIaaacbaa a a a210. 1 11 1 1 (2.4) Na forma simplificada: | | | || |I A I S abc 012. = (2.5) 8Captulo 2 Universidade Federal de Itajub Considerando as tenses de seqncia como uma funo das tenses de fase, tem-se que: | | | | | |U U abcA .1012 = (2.6) Onde: | |(((((

=a a a aA22 1111 1 131 (2.7) Atravs da matriz [A]-1, so obtidas as seguintes equaes: Ua0 = 1/3 (Ua + Ub + Uc) Ua1 = 1/3 (Ua + aUb + aUc) Ua2 = 1/3 (Ua + aUb + aUc) Equaes similares podem ser escritas para as correntes Ia0, Ia1 e Ia2. 2.3 Clculo dos Parmetros de Fase e Seqncia de Linhas de Distribuio A determinao dos parmetros de linha o primeiro passo para anlise de um sistema de distribuio. Para isso, deve-se inicialmente calcular a impedncia srie das linhas, que consiste na resistncia dos condutores e na reatncia prpria e mtua resultante dos campos magnticos ao redor dos condutores. No artigo de Carson publicado em 1926 [19], apresentada uma tcnica por meio da qual possvel se calcular as impedncias prprias e mtuas para um nmero arbitrrio de condutores de uma rede area ou subterrnea. A princpio, esta tcnica no foi muito utilizada devido complexidade de seus clculos, porm, com o desenvolvimento computacional, as equaes de Carson tm sido amplamente utilizadas [8]. 9Captulo 2 Universidade Federal de Itajub 2.3.1 Equaes de Carson Em seu artigo, Carson assume a terra como infinita, slida e uniforme com uma parte superior superfcie e uma resistividade constante. Quaisquer dos efeitos finais introduzidos no neutro em pontos fundamentados no so grandes no domnio da freqncia, e podem ser desprezados. Carson fez uso de imagens de condutores; isto , todo condutor a uma dada distncia sobre o plano da superfcie possui um condutor imagem situado abaixo do plano da superfcie. Figura 2.3 Condutores e Respectivas Imagens. Atravs das Equaes Modificadas de Carson, pode-se calcular a impedncia prpria de um condutor e impedncia mtua entre condutores [8]: 10Captulo 2 Universidade Federal de Itajub I mpednci a Prpri a do Condutor i : km jRMGr r z iid i ii/986 , 84ln 0754 , 0 ||.|

\| + + = (2.8) I mpednci a Mtua entre os Condutores i e j : km jDr z ijd ij/986 , 84ln 0754 , 0 ||.|

\| + = (2.9) Onde: zij = impedncia prpria do condutor i em /km (ohms por quilmetro) zij = impedncia mtua entre condutores i e j em /km ri = resistncia do condutor i em /km rd = resistncia do retorno por terra em /km (rd = 0,0592 /km) RMGi = raio mdio geomtrico do condutor i em metros (catlogo de cabos) Dij = distncia entre os condutores i e j em metros. = resistividade do solo em x km. Deve-se lembrar que as equaes modificadas de Carson so vlidas para linhas transpostas e com retorno por terra [8]. Para linhas com retorno pelo neutro so consideras tambm as seguintes equaes [8]: I mpednci a Prpri a do Condutor de Neutro n: km jRMGr r z nnd nn nn/986 , 84ln 0754 , 0 ||.|

\| + + = (2.10) I mpednci a Mtua entre os Condutores i e n: km jDr z ind in/986 , 84ln 0754 , 0 ||.|

\| + = (2.11) 11Captulo 2 Universidade Federal de Itajub Onde: Znn = impedncia prpria do condutor de neutro n em /km zin = impedncia mtua entre condutores i (fase) e n (neutro) em /km rn = resistncia do condutor de neutro n em /km RMGnn = raio mdio geomtrico do condutor n em metros Din = distncia entre os condutores i e n em metros. Essas equaes so utilizadas para calcular as impedncias primitivas prprias e mtuas de linhas areas e subterrneas de sistemas eltricos. 2. 3. 2 Matri z de I mpednci a Pri mi ti va para Li nhas Areas Utilizando as equaes de Carson pode-se calcular os elementos de uma matriz de impedncia primitiva de dimenso igual ao nmero de condutores do sistema. Uma linha de distribuio area trifsica com neutro (a quatro condutores) conectada em estrela aterrada resulta em uma matriz 4 x 4, enquanto que para um segmento de linha subterrneo conectado em estrela aterrada com trs cabos de neutro concntricos, resulta em uma matriz 6 x 6. A matriz de impedncia primitiva para uma linha trifsica com m condutores de neutro : | |(((((((((

=z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z z zznmnm nmn nmn nmc nmb nmanm n n n n n c n b n a nnm n n n n n c n b n a ncnm cn cn cc cb cabnm bn bn bc bb baanm an an ac ab aaprimitiva2 12 2 2 1 2 2 2 21 2 1 1 1 1 1 12 12 12 1 (2.12) Na forma parcial, tem-se que: | | | | | || | | |(((

=z z z zz nn njin ijprimitiva (2.13) 12Captulo 2 Universidade Federal de Itajub 2. 3. 3 Matri z de I mpednci a de Fase para Li nhas Areas Para a maioria das aplicaes a matriz de impedncia primitiva precisa ser reduzida para uma matriz de fase 3 x 3 de impedncias equivalentes prprias e mtuas para as trs fases. A figura (2.4) mostra um segmento de linha trifsica com neutro aterrado. Figura 2.4 Segmento de uma Linha Trifsica Aterrada a Quatro Fios. Um mtodo padro de reduo a Reduo de Kron. Considera-se que a linha tenha um neutro multi-aterrado, como mostrado na figura (2.4). O mtodo de reduo de Kron aplica as leis de Ohm e de Kirchhoff para o circuito. ((((((

((((((

+(((((((

=((((((

IIIIz z z z z z z z z z z z z z z zUUUUUUUUncbann nc nb nacn cc cb cabn bc bb baan ac ab aangcgbgagngcgbgag.,,,, (2.14) Na forma parcial: | || | | || | | | | || | | | | || | ((

(((

+(((

=(((

IIz z z zUUUUnabcnn njin ijngabcngabc.,, (2.15) Para sistemas com neutro aterrado, as tenses Ung e Ung so iguais a zero. Desse modo, expandindo tem-se que: | | | | | || | | || |I z I z U U n in abc ij abc abc. .,+ + = (2.16) 13Captulo 2 Universidade Federal de Itajub | | | | | || | | || |I z I z n nn abc nj. . 0 0 + + = (2.17) Resolvendo a equao para [In]: | | | | | ||I z z I abc nj n nn. .1 = | (2.18) Substituindo a equao (2.18) na equao (2.16): | | | | | | | || | | | | || | | | | || |I z U U I z z z z U Uabc abc abc abcabc nj in ij abc abc nn.. . .,1,+ =|.|

\| + = (2.19) Onde: | | | | | || | | |z z z z z nj in ij abc nn. .1 = (2.20) Pode-se enfim chegar a matriz de impedncia de fase: | | kmz z z z z z z z zzcc cb cabc bb baac ab aaabc/ ((((

= (2.21) Para linhas de distribuio no transpostas, os termos da diagonal da equao (2.21) no so iguais uns aos outros assim tambm como os termos fora da diagonal. Contudo, a matriz simtrica. Para linhas bifsicas e monofsicas em sistemas com estrela aterrada, as equaes modificadas de Carson podem ser aplicadas, obtendo-se matrizes de impedncia primitiva de dimenses 3x3 e 2x2. Aplicando a reduo de Kron s matrizes 2x2 chega-se a um s elemento. Estas matrizes podem ser expandidas para matrizes de fase de dimenso 3x3 pela adio de linhas e colunas referentes a elementos nulos para as fases restantes. Por exemplo, para uma linha bifsica composta pelas fases a e c, a matriz de impedncia de fase : | | kmz zz zzcc caac ababc/00 0 00((((

= (2.22) A matriz de impedncia de fase para uma linha monofsica da fase b : 14Captulo 2 Universidade Federal de Itajub | | kmz z bb abc/0 0 00 00 0 0((((

= (2.23) A matriz de impedncia de fase para uma linha trifsica em delta (sem neutro) determinada pela aplicao das equaes de Carson desprezando a reduo de Kron. A matriz de impedncias de fase pode ser usada para determinar exatamente a tenso nos segmentos de linhas uma vez que as correntes tenham sido determinadas. Desde que nenhuma aproximao (transposio, por exemplo) tenha sido feita considerando o espao entre os condutores, o efeito do par mtuo entre as fases normalmente levado em conta. Figura 2.5 Segmento de Linha Trifsica Modelo. A figura (2.5) mostra de um segmento de linha trifsico modelo. Levando em conta que para linhas polifsicas e monofsicas alguns dos valores das impedncias so nulos, a equao da tenso na forma matricial para o segmento de linha pode ser dada por: ((((

((((

+ =((((

((((

IIIz z z z z z z z zUUUUUUcbacc cb cabc bb baac ab aam n cgbgagcgbgag. (2.24) 15Captulo 2 Universidade Federal de Itajub Ou, de outra forma: | | | | | || |I z U U abc abcm n abc abc. + = (2.25) Onde: Zij = zij .comprimento. 2. 3. 4 I mpednci as de Seqnci a Muitas vezes, na anlise de um alimentador so utilizadas apenas as impedncias de seqncia positiva e zero. H dois mtodos para se obter essas impedncias. O primeiro incorpora a aplicao das equaes modificadas de Carson e a reduo de Kron para obter a matriz de impedncia de fase [8]. Considerando a equao (2.25) e a equao (2.6) tem-se que: | | | | | |U U abcA n n.0121 = | | | | | | | | | || || |I Z U U A AabnA abcm n0121 1. . . .012 + = (2.26) | | | | | || |I Z U U m n012 012.012 012 + = Onde: | | | | | || |((((

= = Z Z Z Z Z Z Z Z ZZ Z A A abc22 21 2012 11 1002 01 001012. . (2.27) Na forma expandida: ((((

((((

+ =((((

((((

IIIZ Z Z Z Z Z Z Z ZUUUUUUm n21022 21 2012 11 1002 01 00.210210 (2.28) Desse modo, pode-se converter impedncias de fase em impedncias de seqncia. Na equao (2.27) os termos diagonais da matriz so as impedncias prprias de seqncia da linha, onde: Z00 = impedncia de seqncia zero. Z11 = impedncia de seqncia positiva. Z22 = impedncia de seqncia negativa. 16Captulo 2 Universidade Federal de Itajub Os termos fora da diagonal da equao (2.27) representam as impedncias mtuas entre as seqncias. Em um estado idealizado, ou seja, em um sistema equilibrado e transposto, estes termos fora da diagonal so nulos. Para as linhas de transmisso de alta tenso isto realmente acontece. Quando as linhas so transpostas, as impedncias mtuas de acoplamento entre as fases (termos fora da diagonal) so iguais e, conseqentemente, os termos fora da diagonal da matriz de impedncias de seqncia so nulos. Considerando que as linhas de distribuio raramente so transpostas, as impedncias mtuas entre as fases no so iguais e, como resultado, os termos fora da diagonal da matriz de impedncia de seqncia no so nulos. O procedimento usual designar os trs termos da diagonal da matriz de impedncia de fase iguais mdia dos termos da diagonal da matriz da equao (2.21), e os termos fora da diagonal iguais mdia dos termos fora da diagonal desta equao. Quando isso feito, as impedncias prprias e mtuas so definidas como: ( ) kmz z z z cc bb aa S/ .31 + + = (2.29) ( ) kmz z z z ca bc ab m/ .31 + + = (2.30) A matriz de impedncia de fase agora definida como: | | kmz z z z z z z z zzS m mm S mm m Sabc/ ((((

= (2.31) Quando a equao (2.27) aplicada a esta matriz de impedncia de fase, a matriz de seqncia resultante diagonal (os termos fora da diagonal so zero). As impedncias de seqncia podem ser determinadas diretamente como: kmz z z m S/ . 200 + = (2.32) kmz z z z m S/22 11 = = (2.33) 17Captulo 2 Universidade Federal de Itajub Um segundo mtodo normalmente usado para determinar diretamente as impedncias de seqncia empregar o conceito de Distncias Mdias Geomtricas (DMG). A tabela (2.1) mostra as expresses utilizadas para calcular a Distncia Mdia Geomtrica de Fase (Di) e a Distncia Mdia Geomtrica de Neutro (Din) para linhas trifsicas, bifsicas e monofsicas com neutro multi-aterrado de acordo com a figura (2.6). Tipo de Linha Trifsica Bifsica Monofsica DMGi bcD anD DMGin 3. . cn bn an D D D cn bn D D . anD 3. . ca bc ab D D DTabela 2.1 Distncias Mdias Geomtricas. Utilizando as Distncias Mdias Geomtricas (DMGs) e as equaes modificadas de Carson apresentadas (equaes 2.8 a 2.11) pode-se determinar as vrias impedncias prprias e mtuas para uma linha trifsica, bifsica ou monofsica, e assim definir uma matriz quadrada de dimenso igual ao nmero total de condutores reais (fases mais neutros) no segmento de linha. A aplicao da reduo de Kron (equao 2.20) e a transformao em impedncia de seqncia (equao 2.27) conduzem as seguintes expresses para impedncias de seqncia zero, positiva, e negativa: kmzzz z z nninij ii/ . 3 . 2200 ||.|

\| + = (2.34) ( ) kmn i iijDMG DMGRMGr r z d i/323986 , 84ln 0754 , 0 3 3.00 |||||.|

\| + + = (2.35) z z z z ij ii = =22 11 km jRMGDr z z ieqi/ ln 0754 , 022 11 ||.|

\| + = = (2.36) Onde: mfDeq 368 , 658 = (distncia entre o condutor real e o condutor equivalente que representa o retorno por terra [1]. 18Captulo 2 Universidade Federal de Itajub Figura 2.6 Linhas Trifsicas, Bifsicas e Monofsicas Multi-Aterradas. As equaes (2.35) e (2.36) so consideradas equaes padro para o clculo das impedncias de seqncia de linhas para sistemas areos e subterrneos. 19Captulo 2 Universidade Federal de Itajub Alm das impedncias de seqncia das linhas areas ou subterrneas de um sistema de distribuio, necessrio calcular as impedncias do transformador da subestao e do sistema primrio de transmisso. As equaes (2.37) a (2.38) apresentam algumas expresses importantes e prticas para o clculo dos parmetros de seqncia destes componentes do sistema. A) Clculo de Impedncias de Transformadores de Subestao As expresses (2.37) e (2.38) so utilizadas para o clculo da impedncia de seqncia positiva e zero de transformadores de fora com conexes do tipo -Y, -Y aterrado ou Y-Y aterrado. Essas impedncias esto em ohms e so referidas ao secundrio [1]. ( )((((

||.|

\| +=22%211000 100 1000 T NL TOT TT NL TOTTSTMVAKW KW ZjMVAKW KWMVAKVZ (2.37) onde: kVS - Tenso fase-fase do transformador, calculada em kV no secundrio do transformador trifsico. MVAT - Potncia nominal trifsica do transformador sem resfriamento forado (OA), em MVA. kWNL - Perdas a vazio no transformador trifsico, em kW. kWTOT - Perdas totais no transformador trifsico, em kW. ZT% - Impedncia do transformador em %. A impedncia de seqncia zero de um transformador depende da conexo dos enrolamentos. Para as conexes delta-aterrado estrela onde o terminal do neutro do enrolamento do secundrio aterrado atravs de uma impedncia ZN, a impedncia de seqncia zero referida ao secundrio dada por: N T OT Z Z K Z + =1 1. (2.38) onde: ZN - Impedncia do neutro em ohms. 20Captulo 2 Universidade Federal de Itajub K1 = 1,0 se o banco for formado por trs unidades monofsicas. K1 = 0,9 para transformadores trifsicos construdos com ncleos de trs pernas. OBS.: Este um valor aproximado para K1. Valores atuais podem ser considerados dependendo do projeto do transformador. Para o aterramento de conexes do tipo Y-Y aterrado onde o terminal do neutro do enrolamento primrio aterrado solidamente e o terminal do neutro do enrolamento do secundrio aterrado atravs de uma impedncia ZN, a impedncia de seqncia zero, em ohms, referida no secundrio : N T OT Z Z Z 31 + = (2.39) Onde Z1T e ZN so previamente definidos. B) Clculo de Impedncias de Sistemas Primrios de Transmisso O sistema de fornecimento de alta tenso ou lado primrio do transformador da subestao pode ser representado por uma impedncia de Thvenin (em ohms ou em pu), referente ao lado do secundrio em ambas, seqncia positiva e seqncia zero. A equao para o clculo destas impedncias depende da forma com que os dados so fornecidos. Dois casos so considerados a seguir [1]: B1) Se o sistema de fornecimento do primrio do transformador da subestao definido em termos da potncia de curto-circuito (em MVA), fator de potncia, e da corrente de fuga para terra durante a falta, as impedncias de seqncia do sistema primrio, em ohms, referentes ao secundrio so: 23 2333211 ((

((

+ =PPPPPSPKVKVPF j PFMVAKVZ (2.40) PPPPPP GP SOP ZKVKVPF j PFKV KI KVZ123 21132. 2 1.. 3((

((

+ = (2.41) 21Captulo 2 Universidade Federal de Itajub 22onde: kVS - Tenso fase-fase do transformador, calculada em kV no secundrio do transformador. kVP - Tenso fase-fase do transformador, calculada em kV no primrio do transformador. MVA3P - Capacidade de corrente de curto circuito disponvel nos terminais do primrio do transformador da subestao, em MVA. KIGP - Corrente de curto circuito aceitvel nos terminais do primrio do transformador da subestao, em kA. KV3P - Tenso fase-fase no primrio usada como tenso base para o clculo de MVA3P (capacidade de curto circuito) e de kIGP (corrente de curto circuito). Usualmente, o mesmo que a relao entre kVP e kV3P para kVP igual unidade. PF3F - Fator de potncia em pu. da corrente trifsica de falta disponvel nos terminais do primrio do transformador. PF1P - Fator de potncia em pu. da corrente de falta fase-terra disponvel nos terminais do primrio do transformador. B2) Se o sistema de alimentao do primrio do transformador da subestao definido em termos da impedncia em (pu). para cada uma das seqncias em uma base especfica em MVA, a impedncia em ohms referente ao secundrio para a representao do sistema primrio : ( )2321 1 1. . ((

+ =PPBSPKVKVMVAKVjx r Z (2.42) ( )232. . ((

+ =PPBSOPKVKVMVAKVjxo ro Z (2.43) Onde MVAB a potncia base (em MVA) de qualquer uma das representaes das impedncias (em p.u) do sistema primrio, e r1, r0, x1 e x0 so as resistncias e reatncias de seqncia (em p.u). Captulo 1 Introduo 1.1 Consideraes Gerais O principal desafio para as concessionrias de energia eltrica fornecer um servio cada vez mais confivel, com custo reduzido e equipes tcnicas e de apoio menores que possam atender as exigncias e metas dos rgos e leis que regulamentam o setor. Para que isso seja possvel, estas empresas investem em tecnologia para operao e proteo de sistemas eltricos visando melhorar a confiabilidade e segurana do sistema, reduzindo gastos com manuteno e garantindo o fornecimento de energia eltrica e a satisfao de seus clientes. Neste contexto, o sistema de proteo de sobrecorrente deve oferecer segurana, sensibilidade e seletividade. 1.2 Objetivo O objetivo desta dissertao apresentar as principais caractersticas sobre proteo de sobrecorrente de sistemas eltricos de distribuio, reunindo todas as informaes indispensveis para a execuo de projetos e estudos de seletividade e coordenao da proteo nas redes eltricas de distribuio. 1.3 Estrutura do Trabalho Para atender proposta deste trabalho, esta dissertao est dividida em sete captulos, incluindo esta introduo e dois anexos. O captulo 2 apresenta uma introduo terica sobre componentes simtricas e mtodos de clculo dos parmetros de fase e seqncia de linhas de distribuio. 1 Captulo 1 Universidade Federal de Itajub 2No captulo 3 so apresentados dois diferentes mtodos e seus respectivos modelos e equaes para o clculo das correntes de curto-circuito em redes de distribuio. O primeiro mtodo utiliza os Modelos de Thvenin e Componentes Simtricas para representar e resolver os sistemas atravs de circuitos lineares equivalentes. Enquanto que o segundo mtodo aborda a anlise nodal, normalmente aplicada em algoritmos computacionais para resoluo de sistemas no lineares e com grande nmero de barramentos e trechos. O captulo 4 apresenta os principais equipamentos e dispositivos de proteo de sobrecorrente, com suas principais caractersticas e critrios para seleo e aplicao em sistemas de distribuio. No captulo 5 so apresentados critrios de coordenao e seletividade entre diferentes equipamentos e dispositivos de proteo de acordo com as caractersticas do sistema a ser protegido. O captulo 6 apresenta alguns exemplos da aplicao de critrios de seletividade e coordenao da proteo de sobrecorrente para seleo de equipamentos e dispositivos de acordo com o que foi apresentado nos captulos 4 e 5. No captulo 7, enfim, so apresentadas as concluses finais deste trabalho. O Anexo A contm informaes sobre os principais condutores utilizados em sistemas de distribuio, enquanto no Anexo B apresentada uma tabela com o fator de assimetria para diferentes relaes entre resistncia e reatncia eltrica vistas de um determinado ponto de um sistema eltrico. Terminologia Componentes Simtricas (Componentes de Fortescue) Trs sistemas trifsicos, simtricos e relacionados entre si, utilizados para representao de sistemas eltricos desequilibrados. Sistema Efetivamente Aterrado Sistema eltrico no qual a relao entre a reatncia de seqncia zero e a reatncia de seqncia positiva inferior ou igual a trs ( 310XX), e a relao entre a resistncia de seqncia zero e a reatncia de seqncia positiva inferior ou igual a unidade ( 110XR). Sistema No Efetivamente Aterrado Sistema eltrico que satisfazer as condies vlidas para um sistema efetivamente aterra, ou seja, sistema para o qual ( 310>XX) e ( 110>XR). Rel Instantneo de Sobrecorrente (50) um rel que funciona instantaneamente para um aumento brusco e excessivo da corrente, indicando assim uma falha nos equipamentos ou circuito sob proteo. Rel de Sobrecorrente de Tempo Inverso ou Tempo Definido (51) um rel com caractersticas de tempo inverso ou tempo definido e que atua quando a corrente num circuito em corrente alternada exceder um valor pr-determinado. Disjuntor (52) Dispositivo responsvel pela abertura ou fechamento de um circuito eltrico em corrente alternada sob condies normais ou sob condies de falta e emergncia. Rel de Sobretenso (69) um rel que opera para um dado valor de sobretenso. Rel de Bloqueio (68) Rel responsvel pelo envio de um sinal para bloqueio da energizao em caso de falhas externas na linha de transmisso, ou num equipamento sob condies pr-determinadas, ou opera junto a outros dispositivos xivpara bloquear o fechamento de chaves numa condio irregular ou em oscilaes de potncia. Rel de Desligamento (86) Rel com rearme eltrico ou manual, ou um dispositivo que funciona para desligar ou proteger um equipamento, pondo-o fora de servio em condies anormais. Rel Diferencial (87) Rel de proteo que funciona por uma porcentagem ou ngulo de fase ou outra diferena quantitativa de duas correntes ou outras grandezas eltricas. Bloqueio Condio em que um dispositivo automtico deve permanecer depois de efetuado uma operao de abertura de seus contatos, no os fechando automaticamente devido atuao de um dispositivo mecnico. Controle Eletrnico ou Hidrulico Dispositivo interno ao equipamento automtico de proteo que conta o nmero de operaes ou tempo automaticamente, hidrulica, ou eletronicamente, com a finalidade de estabelecer a condio de bloqueio ou no do equipamento. Corrente de Energizao (inrush) Corrente transitria devido a energizao de transformadores e bancos de capacitores. Corrente de Partida (pick-up) Mnimo valor de corrente capaz de acionar um dispositivo automtico de proteo. Capacidade de Interrupo Capacidade do dispositivo de interromper correntes de curto-circuito e suportar seus respectivos esforos eltricos e mecnicos sem ocasionar danos e comprometer seu funcionamento. Nvel Bsico de Isolamento (NBI) Nvel de isolamento (em kV) contra impulso (Impulse whithstand voltage BIL) do equipamento ou sistema eltrico. Religamento Operao que segue a uma abertura dos equipamentos automticos de proteo, quando os contatos so novamente fechados. Sensor ou Bobina de Disparo de Terra (GTS - Ground Trip Solenoid) Dispositivo eletromagntico ou eletrnico que permite a detectar correntes de desequilbrio de neutro ou curto-circuito fase terra. xvTempo de Restabelecimento Tempo que o rel de sobrecorrente leva para voltar condio inicial. No caso do rel tipo disco de induo, o tempo que o disco leva para retornar ao ponto de partida quando desenergizado. Intervalo de Religamento (Reclosing Interval) o tempo que disjuntor ou religador permanece com seus contatos abertos aps um desligamento automtico. Curvas de Tempo-Corrente(TimeCurrent Characteristics - TCCs) Relaes entre tempo e correntes de atuao de equipamentos de proteo. Tempo Mnimo de Fuso do Elo o maior tempo que o elo suporta uma determinada sobrecorrente sem se danificar. Para tempos superiores a sobrecorrente causa uma fuso parcial ou total do elo. Tempo de Arco o tempo que, iniciada a fuso do elo, este demora em extinguir o arco voltaico. Tempo Total de Interrupo do Elo a soma do tempo de fuso mais o tempo de arco. Dispositivo Protetor Todo dispositivo de proteo, automtico ou no, localizado imediatamente antes do ponto de curto-circuito, considerando a subestao como origem. Dispositivo Protegido ou de Retaguarda Todo dispositivo de proteo, automtico ou no, localizado anteriormente ao dispositivo protetor, considerando a subestao como origem. Faixa de Coordenao Intervalo de tempo e de valores de curto-circuito que determina a regio onde a coordenao est assegurada. Zona de Proteo Parte de um circuito eltrico que protegida por um ou mais dispositivos de proteo. Interrupo Momentnea ou Transitria Interrupo cuja durao limitada ao perodo necessrio para restabelecer o servio atravs da operao automtica de um equipamento de proteo que interrompeu o circuito ou parte dele. Interrupo Sustentada ou Permanente Toda interrupo no classificada como momentnea ou programada. xviProteo Seletiva Proteo projetada e ajustada de tal forma que para qualquer tipo de falta, o dispositivo protetor atue antes do dispositivo protegido, isolando apenas o segmente sob falta. Proteo Coordenada Proteo projetada e ajustada de forma a permitir o restabelecimento automtico para faltas temporrias e seletividade para faltas permanentes. Curto-Circuito (ou Falta) Ligao intencional ou acidental entre dois ou mais pontos de um circuito eltrico atravs de uma baixa impedncia e que compromete o funcionamento de um sistema ou equipamento eltrico. Curto-Circuito Simtrico Curto-circuito no qual as correntes de faltas so iguais em todas as fases, como por exemplo, em um curto-circuito trifsico. Curto-Circuito Assimtrico Curto-circuito no qual as correntes de faltas no so iguais em todas as fases, como por exemplo, em curtos-circuitos bifiscos e monofsicos. Curto-Circuito Paralelo Curtos-circuitos que envolvem duas ou mais fases e/ou a terra, como por exemplo, curtos-circuitos fase-terra, fase-fase, fase-fase terra e trifsico. Curto-Circuito Srie Curtos-circuitos que envolvem a abertura de um ou mais condutores de fase. Falha Compreende-se por: deixar de cumprir a sua finalidade, e portanto, relacionado com aquilo que no fez o que deveria ser feito, como por exemplo, um rel que no operou no instante devido ou que deixou de satisfazer uma condio essencial. xviiSimbologia ( )c b a E E E & & &, , , ( )c b a U U U & & &, , - Tenses de fase. ( )1 1 1, , c b a E E E & & &, ( )1 1 1, , c b a U U U & & & - Tenses de seqncia positiva. ( )2 2 2, , c b a E E E & & &, ( )2 2 2, , c b a U U U & & & - Tenses de seqncia negativa. ( )0 0 0, , c b a E E E & & &, ( )0 0 0, , c b a U U U & & & - Tenses de seqncia zero. Operador a (ou h) - operador capaz de girar um fasor de 120, no sentido anti-horrio, sem, no entanto, mudar sua magnitude (23211 132120 j a ej+ = = = o). Operador j - operador capaz de girar um fasor de 90, no sentido anti-horrio, sem, no entanto, mudar sua magnitude ( ). o90 je a =zii - Impedncia prpria do condutor de fase (i). Znn - Impedncia prpria do condutor de neutro (n). zij - Impedncia mtua entre condutores de fase (i) e (j). zin - Impedncia mtua entre condutores de fase e neutro. rn - Resistncia do condutor de neutro. ri - Resistncia do condutor de fase. rd - Resistncia do retorno por terra (rd = 0,0592 /km). RMGi - Raio mdio geomtrico do condutor de fase. RMGnn - Raio mdio geomtrico do condutor de neutro. DMGi Distncia mdia geomtrica de fase. DMGn Distncia mdia geomtrica de neutro. Dij - Distncia entre os condutores de fase. Din - distncia entre os condutores de fase e neutro. xviiiDeq - distncia entre o condutor real e o condutor equivalente que representa o retorno por terra. - resistividade do solo. f freqncia eltrica do sistema em hertz. [Uabc]- Vetor de tenses de fase. [U012]- Vetor de tenses de seqncia. [Iabc]- Vetor de correntes de fase. [I012]- Vetor de correntes de seqncia. [Zp] - Matriz de impedncia primitiva. [Zabc]- Matriz de impedncias de fase. [Z012]- Matriz de impedncias de seqncia. [A] - Matriz de transformao ou rotao fasorial. [A]-1 - Matriz Inversa da Matriz de transformao ou rotao fasorial. Z00 - impedncia de seqncia zero. Z11 - impedncia de seqncia positiva. Z22 - impedncia de seqncia negativa. Zs - Impedncia prpria. Zm - Impedncia mtua. [Zn] Matriz nodal de impedncia. [Yn] Matriz nodal de admitncia. [Un] - Vetor das tenses dos barramentos; [In] - Vetor das correntes injetadas nos barramentos; EF Tenso pr-falta. ZF Impedncia de falta. ZG Impedncia de contato com a terra (ground). xix xx(IAF, IBF, ICF) Correntes de falta nas fases A, B e C respectivamente. [Un0] - vetor das tenses nos barramentos, anteriores falta (pr-falta). [Unf] - vetor das tenses nos barramentos, posteriores falta (ps-falta). [Un] - vetor de variaes nas tenses nos barramentos, devidas falta. [In0] - vetor das correntes injetadas nos barramentos, anteriores falta (pr-falta). [Inf] - vetor das correntes de falta injetadas nos barramentos, posteriores falta (ps-falta). (I2t ) -termo associado a fusveis que uma abreviao para o tempo integral do quadrado do valor instantneo da corrente que flui atravs do dispositivo. ndice Agradecimentos.................................................................................................. iii Resumo................................................................................................................ iv Abstract ................................................................................................................ v Lista de Figuras ................................................................................................... x Lista de Tabelas................................................................................................ xiii Terminologia ..................................................................................................... xiv Simboliga......................................................................................................... xviii 1. Introduo ........................................................................................................ 1 1.1 Consideraes Gerais ................................................................................ 1 1.2 Objetivos..................................................................................................... 1 1.3 Estrutura do Trabalho................................................................................. 2 2. Introduo Terica........................................................................................... 3 2.1 Consideraes Iniciais................................................................................ 3 2.2 Sistemas de Componentes de Seqncia.................................................. 3 2.2.1 Componentes de Fortescue ou Componentes Simtricas ................. 4 2.3 Clculo dos Parmetros de Fase e Seqncia de Linhas de Distribuio.. 9 2.3.1 Equaes de Carson........................................................................ 10 2.3.2 Matriz de Impedncia Primitiva para Linhas Areas......................... 12 2.3.3 Matriz de Impedncia de Fase para Linhas Areas ......................... 13 2.3.4 Impedncias de Seqncia .............................................................. 16 3. Mtodos de Clculo....................................................................................... 23 3.1 Introduo................................................................................................. 23 3.2 Mtodo 1 Circuito Equivalente.......................................................... 24 3.2.1 Curtos-Circuitos Simtricos .............................................................. 24 3.2.2 Curtos-Circuitos Assimtricos .......................................................... 26 3.3 Mtodo 2 Anlise Nodal......................................................................... 28 3.3.1 Curtos-Circuitos Simtricos .............................................................. 29 3.2.2 Curtos-Circuitos Assimtricos .......................................................... 35 vi4. Principais Equipamentos Utilizados na Proteo de Sobrecorrente de Sistemas de Distribuio .................................................................................. 41 4.1 Introduo................................................................................................. 41 4.2 Disjuntor e Rel ........................................................................................ 41 4.2.1 Definies......................................................................................... 41 4.2.2 Caractersticas e Classificao ........................................................ 42 4.2.3 Meios de Extino ............................................................................ 43 4.2.4 Classificao de Rels ..................................................................... 44 4.2.5 Princpio de Funcionamento dos Rels............................................ 45 4.2.6 Tipos Construtivos de Rels Eletromagnticos ................................ 46 4.2.7 Ajuste de Rels de Corrente ............................................................ 50 4.2.8 Transformadores de Corrente .......................................................... 54 4.3 Religador................................................................................................... 58 4.3.1 Definio........................................................................................ ... 58 4.3.2 Introduo...................................................................................... ... 58 4.3.3 Caractersticas e Classificao...................................................... ... 60 4.3.4 Tipos de Religadores..................................................................... ... 63 4.3.5 Teoria de Operao....................................................................... ... 67 4.4 Chave Seccionalizadora............................................................................ 77 4.4.1 Introduo...................................................................................... ... 77 4.4.2 Tipos de Seccionalizadoras........................................................... ... 78 4.4.3 Teoria de Operao....................................................................... ... 80 4.4.4 Caractersticas e Classificao....................................................... . 81 4.5 Chave e Elo-Fusvel.................................................................................. 86 4.5.1 Introduo...................................................................................... ... 86 4.5.2 Definies...................................................................................... ... 86 4.5.3 Funes Bsicas dos Elos-Fusveis.............................................. ... 86 4.5.4 Componentes dos Elos-Fusveis................................................... ... 87 4.5.5 Princpio de Funcionamento.......................................................... ... 88 4.5.6 Caractersticas e Classificao...................................................... ... 89 4.5.7 Tipos de Elos-Fusveis...................................................................... 90 4.5.8 Dimensionamento de Chaves e Elos-Fusveis.............................. ... 97 4.5.9 Aplicao de Chaves e Elos-Fusveis............................................... 98 vii 5. Critrios de Seletividade e Coordenao de Equipamentos de Proteo de Sistemas de Distribuio..............................................................................104 5.1 Introduo.................................................................................................104 5.2 Filosofia Bsica de Sistemas de Distribuio...........................................105 5.3 Coordenao entre Elos-Fusveis............................................................ 107 5.3.1 Consideraes Gerais..................................................................... 107 5.3.2 Critrios de Ajuste........................................................................... 108 5.4 Coordenao entre Religadores e Elos-Fusveis................................111 5.4.1 Primeira Condio: Elos de Lado da Carga.................................... 111 5.4.2 Segunda Condio: Religador do Lado da Carga.......................... 115 5.5 Coordenao entre Religadores............................................................. 117 5.5.1 Consideraes Gerais..................................................................... 117 5.5.2 Religadores Operados Apenas por Bobinas Srie......................... 118 5.5.3 Religadores com Controle Eletrnico.............................................. 120 5.6 Coordenao entre Rel e Religador.......................................................121 5.6.1 Consideraes Gerais..................................................................... 121 5.7 Coordenao entre Rel e Elo-Fusvel.....................................................122 5.7.1 Rels de Sobrecorrente do Disjuntor da Subestao..................... 122 5.7.2 MODELO 1...................................................................................... 123 5.7.3 MODELO 2...................................................................................... 126 5.8 Coordenao entre Religador e Seccionalizadora...................................128 5.8.1 Consideraes Gerais..................................................................... 128 5.8.2 Critrios de Ajuste........................................................................... 128 5.8.3 Seccionalizadora com Controle Hidrulico..................................... 129 5.8.4 Seccionalizadora com Controle Eletrnico..................................... 129 5.8.5 Critrios de Coordenao Religador-Seccionalizadora-Elo-Fusvel..................................................................................................... ........... 130 6. Aplicaes Prticas.......................................................................................133 6.1 Introduo.................................................................................................133 6.2 Estudo N1................................................................................................133 6.2.1 Dimensionamento dos Equipamentos de Proteo........................ 133 viii6.3 Estudo N2................................................................................................145 6.3.1 Dimensionamento dos Equipamentos de Proteo........................ 145 6.3.2 Coordenao da Proteo.............................................................. 145 7. Concluses Finais ....................................................................................... 149 Referncias....................................................................................................... 150 Anexo A.............................................................................................................. 152 Anexo B.............................................................................................................. 158 ix Lista de Figuras 2.1 Sistemas de Componentes de Seqncia. ................................................... 5 2.2 Efeito do Operador a e j em um Fasor. .................................................... 7 2.3 Condutores e Respectivas Imagens. .......................................................... 10 2.4 Segmento de uma Linha Trifsica Aterrada a Quatro Fios. ........................ 13 2.5 Segmento de Linha Trifsica Modelo.......................................................... 15 2.6 Linhas Trifsicas, Bifsicas e Monofsicas Multi-Aterradas........................ 19 3.1 Falta Trifsica Simtrica.............................................................................. 24 3.2 Circuito Equivalente de Fase. ..................................................................... 25 3.3 Faltas Bifsicas em um Sistema Trifsico................................................... 26 3.4 Falta Monofsica em um Sistema Trifsico. ............................................... 27 3.5 Corrente de Falta. ....................................................................................... 31 3.6 Corrente de Falta atravs do Ramo i-j. ....................................................... 32 3.7 Falta Monofsica no Barramento (k) de um Sistema de Potncia de n Barramentos. ....................................................................................................... 35 4.1 - Disjuntores a leo Tripolares para uso Externo e Interno. .......................... 43 4.2 Disjuntores a Vcuo Tripolares para Uso Interno. ...................................... 44 4.3 Rel Eletromagntico Tipo Armadura Axial [2]. .......................................... 47 4.4 Rel Eletromagntico com Armadura em Charneira [2].............................. 48 4.5 Rel Eletromagntico Tipo Disco [2]. .......................................................... 49 4.6 Rel Eletromagntico Tipo Tambor [2]........................................................ 49 4.7 Rel Eletromagntico de Bobina Mvel [2]. ................................................ 50 4.8 Diagrama Esquemtico de um Conjunto Rel-Disjuntor [2]. ....................... 51 4.9 Grfico de Mltiplos de Corrente x Tempo de Rels [2].............................. 52 4.10 Curvas Tpicas de Tempo-Corrente de Rels. .......................................... 53 4.11 Transformador de Corrente Tipo Bucha.................................................... 57 4.12 Circuito Equivalente Simplificado de um TC. ............................................ 57 4.13 Religadores a leo (Monofsicos e Trifsicos)......................................... 64 4.14 Religadores a Vcuo para Uso Interno e Externo. .................................... 65 4.15 - Religador a leo Trifsico (modelo KFE) com Controle Eletrnico. .......... 66 x4.16 Seqncia Tpica de Operao de um Religador Ajustado para Quatro Disparos [1].......................................................................................................... 67 4.17 Curva de Atuao de Religadores do Tipo R, RX, RV, W, VW, VWV, WV Bobina-Srie. ....................................................................................................... 68 4.18 Curva de Atuao de Religadores do Tipo KF Bobina-Srie. ................. 69 4.19 Curva de Atuao de Religadores do Tipo 4H, V4H, 6H, V6H Bobina-Srie. ................................................................................................................... 70 4.20 Ciclo de Trabalho Tpico de Religadores [1]. ............................................ 71 4.21 Curvas de Atuao de Religadores tipo R, RV, RX, VW, VWV, W, WV com Bobina-Terra de 63,5 Ampres............................................................................ 74 4.22 Curvas de Atuao de Religadores tipo R, RV, RX, VW, VWV, W, WV com Bobina-Terra de 110 Ampres............................................................................. 75 4.23 Esquema de Ligao do Religadores [5]. ................................................. 76 4.24 Seccionalizadora Hidrulica Monofsica................................................... 78 4.25 - Seccionalizadoras Hidrulicas Trifsicas (tipos GV e GW)........................ 79 4.26 Seccionalizadora a Vcuo......................................................................... 79 4.27 Seccionalizadora de Tipo Seco com Controle Eletrnico.......................... 80 4.28 Circuito de Distribuio com Religador e Seccionalizadora. ..................... 81 4.29 Chave Fusvel com Elo de Expulso......................................................... 90 4.30 Caractersticas Tenso-Corrente-Tempo do Fusvel de Expulso [1]....... 91 4.31 Chave Fusvel com Elo Limitador de Corrente.......................................... 93 4.32 Chave Fusvel com Elo Limitador de Corrente Anexo................................ 94 4.33 Caractersticas do Fusvel Limitador de Corrente [1]. ............................... 95 5.1 Diagrama Unifilar Tpico de um Sistema de Distribuio [1]. .................... 105 5.2 Diagrama Unifilar com Diferentes Zonas de Proteo. ............................. 106 5.3 Coordenao de Fusveis [1]. ................................................................... 108 5.4 Posicionamento do Religador e do Elo-Fusvel na Rede [4]. .................... 111 5.5 Coordenao Religador Elo-Fusvel [4]. ................................................... 113 5.6 Posicionamento do Religador e Elo Fusvel na Rede [4]. ......................... 115 5.7 Coordenao Religador Elo-Fusvel [4]. ................................................... 117 5.8 Coordenao de Religadores com Bobinas Srie Diferentes [4]. ............. 118 5.9 Coordenao de Religadores com Bobinas e Seqncias de Operaes Diferentes [4]...................................................................................................... 120 xi5.10 Zonas de Proteo de um Alimentador................................................... 123 5.11 Zonas de Proteo para o Modelo 1. ...................................................... 124 5.12 Zonas de Proteo para o Modelo 2. ...................................................... 126 5.13 Coordenao Religador-Seccionalizadora-Elo Fusvel [5]. ..................... 130 5.14 Atuaes do Elo e da Seccionalizadora para um Religador Ajustado para Uma Operao Rpida e Trs Operaes Lentas [3]. ....................................... 131 5.15 Atuaes do Elo e da Seccionalizadora para um Religador Ajustado para Duas Operaes Rpidas e Duas Operaes Lentas [3]. ................................. 131 5.16 Sistema de Distribuio com Religadores e Chaves Seccionalizadoras. 132 6.1 Sistema de Distribuio (Estudo 1). .......................................................... 134 6.2 Diagrama de Coordenao (Estudo 1)...................................................... 144 6.3 Sistema de Distribuio (Estudo 2). .......................................................... 146 6.4 Diagrama de Coordenao Religador x Elo-Fusvel. ................................ 148 xii xiiiLista de Tabelas 2.1 Distncias Mdias Geomtricas................................................................18 4.1 Caractersticas de Religadores Monofsicos ou Trifsicos [9]..................62 4.2 Corrente de Disparo e Interrupo de Religadores Tipo KFE e KFVE [5].63 4.3 Caractersticas de Chaves Seccionalizadoras de Controle Hidrulico......84 4.4 Caractersticas de Chaves Seccionalizadoras de Controle Eletrnico......85 4.5 Corrente Nominal de Elos e Chaves-Fusveis [10]. ..................................97 4.6 Elos fusveis Transformadores Trifsicos. .............................................99 4.7 Elos fusveis Transformadores Monofsicos..........................................99 4.8 de Curvas de Tempo Mnimo e Tempo Mximo de Fuso dos Elos Fusveis..............................................................................................................99 4.9 Valores Tempo x Corrente de Sobrecarga de Transformadores. ...........100 4.10 Carregamento Mximo para Transformadores Trifsicos. ....................100 4.11 Carregamento Mximo para Transformadores Monofsicos. ...............100 4.12 Elos-Fusveis para Proteo de Bancos de Capacitores (15 kV) [9].....102 4.13 Elos-Fusveis para Proteo de Bancos de Capacitores (24,2 kV) ......103 5.1 Coordenao de Elos Fusveis Tipo K. ...................................................110 5.2 Coordenao de Elos Fusveis Tipo T. ...................................................110 5.3 Coordenao de Elos Fusveis Tipo H com Elos Tipo K.........................111 5.4 Coordenao de Elos Fusveis Tipo H com Elos Tipo T. ........................111 5.5 Fator Multiplicador das Operaes Rpidas do Religador. .....................112 5.6 Elos Fusveis Recomendados para Coordenao com Religadores Tipo 6H com Seqncia de Operao (2A,2B) [4]. ..................................................114 5.7 Elos Fusveis Recomendados para Coordenao com Religadores Tipo R com Seqncia de Operao (2A,2B) [4]. ....................................................114 5.8 Elos Fusveis Recomendados para Coordenao com Religadores Tipo 6H com Seqncia de Operao (1A,3B) [4]. ..................................................115 5.9 Elos Fusveis Recomendados para Coordenao com Religadores Tipo R com Seqncia de Operao (1A,3B) [4]. ....................................................115 5.10 Fator Multiplicador de Operaes Lentas do Religador. .......................116 5.11 Tempos de Religamento de Religadores. .............................................121 5.12 Tempos de Rearme de Rels. ..............................................................121 Resumo O principal objetivo desta dissertao reunir de forma concisa o conhecimento tcnico necessrio para a avaliao completa e integrada da proteo de sobrecorrente de sistemas de distribuio de energia eltrica com tenso inferior a 34,5 kV (mdia e baixa tenso). Com este intuito, apresentada uma metodologia baseada em informaes obtidas de diferentes referncias bibliogrficas nacionais e internacionais que abordam este tema ou alguns dos tpicos deste trabalho. Antes de apresentar a filosofia e os critrios utilizados na seleo e coordenao dos diferentes equipamentos e dispositivos de proteo, necessrio rever rapidamente conceitos bsicos utilizados para o clculo das impedncias de fase e seqncia e das correntes de curto-circuito, considerando sistemas de distribuio constitudos de linhas trifsicas, bifsicas, monofsicas (com e sem neutro-multiaterrado), areas ou subterrneas, e tambm os diferentes tipos de falta que usualmente ocorrem nestes circuitos eltricos. As equaes e mtodos de clculo apresentados so baseados nas Componentes Simtricas de Seqncia de Fortescue, nas Equaes de Carson, na Reduo de Kron, na Distncia e Raio Mdio Geomtrico, nas Leis de Kirchhoff, nos Sistemas Equivalentes de Thvenin e na Anlise Nodal. Estas impedncias e correntes de curto-circuito tambm podem ser obtidas atravs de programas computacionais ou tabelas de condutores (Anexo A) durante a avaliao e estudo de um sistema de proteo, mas saber como estes valores so calculados muito importante. So mostradas tambm caractersticas construtivas, operacionais e os principais critrios para seleo e instalao de equipamentos e dispositivos de proteo como disjuntores, rels, religadores, seccionalizadoras e elos-fusveis. Para concluir este trabalho, so apresentados enfim os principais critrios e alguns exemplos de aplicao da anlise da seletividade e coordenao da proteo de sobrecorrente de sistemas de distribuio. iv vAbstract The main goal of this dissertation is to provide the necessary technical knowledge for a complete and integrated analysis of the Over Current Protection of power electrical distribution networks with rated voltage less than 34.5 kV(median and low voltage). For this end, a methodology is presented based on information obtained from different national and international references that work with this theme or some topics of this work. Before starting to present the philosophy and criteria utilized in the selection and coordination of different protection devices, its necessary a simple reviewing of basic concepts used in calculation of phase and sequence impedances and short circuit currents, considering distribution network composed by three-phase, two-phase, single-phase, overhead or underground lines, and also the different types of fault that usually occur in these electrical networks. The equations and calculation methods shown are based on Fortescue Symmetrical Components, Carson Equations, Kron Reduction, Geometrical Mean Distances and Radius, Kirchhoff Laws, Thevenin Equivalent Circuits and Nodal Analysis.These impedance and current values can be also obtained from computer programs or directly from a conductor data table (Appendix A) during a protection system analysis; however, to know how these values are computed is very important. Manufacturing and operating characteristics, and application factors of protection devices, such as circuit breakers, relays, automatic reclosers, sectionalizers and fuses are also introduced. To conclude this work, the major criteria and some application examples of selection and coordination analysis of distribution systems over current protection are finally presented. Agradecimentos Agradeo primeiramente a Deus, que me ilumina e me guia em todos os momentos da minha vida. Aos meus queridos pais, pelo amor, carinho, e educao que me ofereceram ao longo de toda minha vida. A minha querida noiva Elaine, pelo amor, incentivo e compreenso na realizao deste trabalho. Ao professor Manuel Luis Barreira Martinez, pela orientao, apoio, amizade e confiana durante esta jornada. Aos professores, funcionrios e amigos do Departamento de Eletrotcnica (DET), do Laboratrio de Alta Tenso (LAT) e do laboratrio de Eletrotcnica (LAB-DET) da Universidade Federal de Itajub, especialmente aos amigos Angelo Jos Junqueira Rezek e Ana Maria Tavares, pelo incentivo e amizade durante todos esses anos. Aos meus amigos e colegas Airton Violin, Ccero Lefort, Marco Saran e Renata Bachega, pelo companheirismo e amizade, e em especial a Juliana Nehmi, que muito ajudou na pesquisa e elaborao deste trabalho. Aos colegas da AES Sul, especialmente aos amigos Hermes de Oliveira e Renato Oling. A FUPAI Fundao de Pesquisa e Assessoramento a Indstria e seus funcionrios pelo apoio e incentivo. Ao meu irmo Samuel e todos meus familiares, pelo carinho e amizade. E a todos aqueles que no citei, mas que de alguma forma contriburam na realizao desse trabalho. iii Dedico esta Dissertao aos meus pais. iiAnexo B Universidade Federal de Itajub Anexo B Fatores de Assimetria A tabela abaixo apresenta fatores de assimetria em funo da relao entre a reatncia e a resistncia (X/R) do sistema eltrico de distribuio. X/R FA At 0,25 1,000 0,30 1,004 0,40 1,005 0,50 1,006 0,55 1,077 0,60 1,008 0,65 1,009 0,70 1,010 0,75 1,011 0,80 1,012 0,85 1,013 0,90 1,015 1,00 1,020 1,05 1,023 1,10 1,025 1,15 1,026 1,20 1,028 1,25 1,029 1,30 1,030 1,35 1,033 1,40 1,035 1,45 1,037 1,50 1,040 1,55 1,043 1,60 1,045 1,65 1,047 1,70 1,050 1,75 1,055 1,80 1,060 1,85 1,063 1,90 1,065 1,95 1,068 2,00 1,070 2,10 1,075 2,20 1,080 2,30 1,085 2,40 1,090 2,50 1,104 2,60 1,110 2,70 1,115 2,80 1,123 2,90 1,130 3,00 1,140 3,10 1,142 3,20 1,150 3,30 1,155 3,40 1,162 3,50 1,170 3,60 1,175 3,70 1,182 3,80 1,190 3,90 1,192 4,00 1,210 4,10 1,212 4,20 1,220 4,30 1,225 4,40 1,230 4,50 1,235 4,60 1,249 4,70 1,255 4,80 1,260 4,90 1,264 5,00 1,270 5,20 1,275 5,40 1,290 158Anexo B Universidade Federal de Itajub 5,60 1,303 5,80 1,310 6,00 1,315 6,20 1,324 6,40 1,335 6,60 1,350 6,80 1,360 7,00 1,362 7,25 1,372 7,50 1,385 7,75 1,391 8,00 1,405 8,25 1,410 8,50 1,420 8,75 1,425 9,00 1,435 9,25 1,440 9,50 1,450 9,75 1,455 10,00 1,465 11,00 1,480 12,00 1,500 13,00 1,515 14,00 1,525 15,00 1,550 16,00 1,560 17,00 1,570 18,00 1,580 19,00 1,590 20,00 1,600 22,50 1,610 25,00 1,615 27,75 1,625 30,00 1,630 35,00 1,636 40,00 1,648 45,00 1,653 50,00 1,659 55,00 1,660 60,00 1,680 159