Introdução do conceito atual de Seletividade Lógica – SÉRIE INOVAÇÕES DA SENIOR

5 de Março de 2018 - 23 minutes read

Inovação:

Introdução do sistema “instantâneos seletivos”, para redução do tempo de operação das proteções de sobrecorrente dos sistemas elétricos industriais.

Os relés digitais atuais com portas de comunicação, que permitem a formação de rede e aplicação de sistemas de proteção avançados como a seletividade lógica que não existiam até meados da década de 90, época onde se utilizava ainda, de forma maciça, relés eletromecânicos. Então, nesta época como proceder para reduzir, o tempo de operação das proteções dos sistemas elétricos, principalmente industriais, sem este recurso hoje amplamente utilizado?

O artigo “Como reduzir os tempos dos relés de sobrecorrente” trata do método proposto para aquela época, introduzindo o que o autor denominou então de “Instantâneos seletivos”, e que foi o precursor do atual sistema de seletividade lógica.

O artigo apresenta vários aspectos de como reduzir os tempos de operação dos relés de sobrecorrente, que ainda se encontram atualizados.

Artigo publicado na eletricidade moderna, março de 1987.

Veja aqui o artigo original da revista ou leia abaixo o artigo completo.


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Como reduzir os tempos dos relés de sobrecorrente

Para assegurar a seletividade da cadeia de proteção contra sobrecorrentes de um sistema elétrico industrial o projetista se vê diante da necessidade inevitável de temporizar os relés, com retardos cada vez maiores conforme se caminha em direção à fonte.

Em consequência, não raro o último ou os últimos relés — os mais próximos da fonte — acabam ajustados em tempos demasiadamente longos face à suportabilidade térmica dos equipamentos e aos desejos da concessionária no que toca à coordenação da proteção de seu próprio sistema. O que fazer para reduzir esses tempos? Eliminar alguns degraus da seletividade, aceitando-se a descoordenação de alguns relés?

Visando solucionar esse conflito, o autor propõe um método, denominado “instantâneos seletivos”, que garante a cada relé uma atuação praticamente instantânea em sua respectiva zona de proteção, sem perda da seletividade global.

 


Um dos grandes desafios para o engenheiro de proteção é fazer com que o sistema de proteção seja rápido e ao mesmo tempo seletivo, duas condições amiúde contraditórias. Nos grandes sistemas elétricos industriais, notadamente nos radiais, este problema se apresenta de forma particular, de vez que as barras sucessivas de uma mesma classe de tensão (principalmente média tensão, com 2,3 kV, 4,16 kV, 6,6 kV, 13,8 kV, etc.) apresentam diferenças de curto-circuito muito pequenas, o que obriga o engenheiro de proteção a bloquear os elementos instantâneos dos relés em cadeia, na classe de tensão considerada.

O resultado final é que os relés temporizados mais próximos da fonte ficam ajustados em tempos muito grandes, às vezes inaceitáveis. Particularmente a interface com a concessionária torna-se difícil, obrigando, na maioria das vezes, aceitar-se a descoordenação em barras importantes do sistema industrial com a intenção de se reduzir o tempo de operação dos relés.

Este artigo trata das condições de ajuste dos relés instantâneos nos sistemas elétricos industriais e mostra como se pode contornar o problema do bloqueio dos relés instantâneos adotando-se a técnica dos instantâneos seletivos. Esta técnica já foi aplicada com sucesso em projeto elétrico industrial de grande porte.

INTRODUÇÃO

 

relé

Fig. 1 — Elementos instantâneos em serie: RI e R2 são relés instantâneos; Kl e as relações de transformação dos TCs

Do ponto de vista teórico, todos os relés de sobrecorrente deveriam ser instantâneos, pois isto levaria ao máximo benefício em termos de proteção, ou seja, menor solicitação térmica dos equipamentos (aumento da vida da isolação) e, principalmente, melhor proteção das pessoas (aumento da segurança pessoal).

Entretanto, em um sistema radial (e mesmo em sistemas fechados através de anéis), se todos os relés fossem instantâneos, determinados curtos-circuitos poderiam provocar desligamento de um grande número de disjuntores, com o conseqüente desligamento de grandes blocos ou setores da produção industrial.

Naturalmente que esta situação é indesejável e mesmo insustentável. Daí a necessidade de que alguns relés do sistema sejam temporizados, para que se possa obter a coordenaçäo da proteçäo ou seletividade, minimizando a paralisação da produção.

Entretanto, se o número de relés temporizados em cascata (relés em série nas barras do sistema) é muito grande, os relés mais próximos da fonte devem ser ajustados em tempos muito elevados, provocando dificuldades diversas, como:

  • tempos inaceitáveis (não compatíveis com a capacidade térmica 12 t dos equipamentos);
  • impasse na seletividade com as concessionárias, já que para as mesmas a indústria é uma “ponta de carga” e, como tal, deve apresentar baixos tempos de operação da proteção.

Estas considerações levam o engenheiro de proteção a adotar medidas de redução dos tempos de operação dos relés temporizados. Estas medidas passam pela compreensão de alguns fatos relacionados ao sistema, relatados a seguir.

CRITÉRIOS PARA APLICAÇÃO DOS RELÉS INSTANTÂNEOS

Os elementos instantâneos só podem ser aplicados em série (ou em “cascata”) sob determinadas circunstâncias. Para entendermos por que considere-se o exemplo da figura 1:

O curto-circuito na barra 2 possui o mesmo valor que o na barra 1, isto é, entre as barras não existe impedância considerável. Como os relés instantâneos são sensíveis ao curto-circuito subtransitório assimétrico, admitindo-se o fator de assimetria K para curto na barra 1 (o qual será o mesmo para a barra 2) segue que para o relé R2 não operar para um curto na barra 1 deve-se ter:

sendo Iccal — corrente de curto-circuito subtransitório assimétrico na barra 1 e Iccs = corrente de curto-circuito simétrico.

relé

Fig. 2 — Relé junto à carga

Ora, para este ajuste nenhum curto na barra 2 será detectado, já que Icc barra 2 = Icc barra 1. O ajuste de R2 não terá sentido e dizemos que o relé R2 deve ser bloqueado, isto é, não deve operar. O relé R2 deverá ser, pois, do tipo temporizado, coordenando com o relé RI instantâneo.

Concluímos do exposto que somente em alguns casos os relés instantâneos podem ser ajustados com sucesso. Estes casos são os seguintes:

  1. O relé é o primeiro da cadeia, isto é, o mais próximo da carga.

Neste caso deve ser verificado se a carga possui alguma corrente transitória (corrente de partida de motor, corrente de inrush de transformador e banco de capacitores, etc.). O valor de ajuste deve ser acima da corrente eficaz equivalente ao valor assimétrico da corrente de inrush.

No caso da figura 2, por exemplo, o valor de ajuste do elemento instantâneo deve ser:

fórmula elétrica

sendo

I p = corrente de partida simétrica;

e K = fator de assimetria da corrente de partida (depende da relação X/R).

relé

Fig. 3 — Casos em que o nivel de curto-circuito na barra 2 é superior ao da barra 1

  1. O relé está situado em uma barra onde o nível de curto-circuito é superior ao da barra do relé com o qual ele coordena.

Este caso acontece quando entre as barras de instalaçao dos relés existe uma impedância limitadora fornecida por uma linha de transmissão, cabos longos, transformadores, etc (figura 3).

No caso “a” (existência de transformador), o ajuste do relé 150 deve ser

 

fórmula elétrica

 

onde

K relação de transformação do TC que dilmenta o relé 150; K — fator de assimetria da corrente Ifi (barra 1).

relé

Fig. 4 — Rele situado a montante de um fusível limitador

No caso ‘ ‘b” (existência de uma linna de transmissão, por exemplo):

relé

onde K e Kl têm o rrtesmo significado anterior.

fusível limitador

Fig. 5 — Caracteristicas do fusível limitador

Note-se que no caso ‘ ‘a”, admitindo-se Vp>Vs pode-se ter I f1 > I f2. Porém, o valor de If1 visto da barra 2 é sempre menor que If2, isto é:

fórmula elétrica

Isto acontece porque a impedância do transformador funciona de forma limitante, diferenciando o curto na barra 1 do da barra 2.

3. O rele esta situado a montante de um fusível limitador (figura 4).

Se o curto na barra 1 é limitado a um valor I (valor eficaz), então o ajuste do relé instantâneo deverá ser tal que:fórmula elétrica

sendo
I= corrente de curto-circuito eficaz limitada pelo fusível; e
K = relação de transformação do TC que alimenta o relé.

Os fabricantes de fusíveis limitadores fornecem curvas de limitação nas quais entrando-se com a corrente de curto-circuito subtransitória simétrica que efetivamente passa pelo fusível obtemos o valor de pico da corrente limitada pelo mesmo (figura SA):

Nota-se na figura 5B o valor de pico limitado pelo fusível. Este valor de pico deve ser transformado em valor eficaz para efeito de coordenação com os relés. Uma forma bastante satisfatória de se proceder é considerar a curva da onda de corrente limitada pelo fusível como de formato triangular. O valor eficaz pode então ser deduzido do valor de pico, empregando-se a definição de valor eficaz:

fórmula elétrica

onde T = período da onda;

i = valor instantâneo da corrente;

e  I ef= valor eficaz.

relés

Fig. 6 — Como evitar subalimentações

relés

Fig. 7 — Aplicação de reles diferenciais

Aplicada a onda triangular, segue-se que:

fórmula elétrica para relés

onde valor de pico limitado pelo fusível.

MÉTODOS CLÁSSICOS DE REDUÇÃO DOS TEMPOS DE OPERAÇÃO DOS RELÉS TEMPORIZADOS

Quando os relés de sobrecorrente não se enquadram nas situações descritas anteriormente, eles devem ser temporizados. Tradicionalmente, a redução dos tempos finais dos relés temporizados tem sido feita através de alguns artifícios aplicados quer na fase de projeto, quer na fase de ajustes dos relés.

Na fase de concepção do sistema, se este detalhe é percebido, pode-se atuar das três formas seguintes:

1. Evitando-se a existência de grande número de subalimentações, isto é, de quadros alimentados por outros quadros (figura 6).

Isto de certa forma pode aumentar o custo da instalação, pela utilização de alimentadores mais longos, mas o benefício deve ser considerado.

2. Aplicando-se relés diferenciais de barramento (ou mesmo de alimentadores)

Isto evita que sejam utilizados relés temporizados protegendo as entradas.

Na figura 7, a proteção de sobrecorrente é toda feita com relés diferenciais — que dispensam, por concepção, retardos intencionais para efeito de seletividade.

As dificuldades de aplicação desse sistema se ligam ao custo maior da instalação e à utilização de relés diferenciais especiais para barramento, quais exigem também critérios especiais para dimensionamento dos trans-formadores de corrente para se adequar a relação de transformação e se evitar saturação desigual. Nos alimentadores, quando longos, pode ser necessária a utilização de relé diferencial a fio piloto.

relés

Fig. 8 — Substituição de disjuntores de entrada de barra por seccionadoras

relés

Fig. 9 Casos típicos em que se pode descoordenar os relés

Pelo exposto, nota-se que existem dificuldades técnicas e econômicas para se aplicar a proteção descrita, pelo que a mesma tem sido evitada. Entretanto, se superadas as dificuldades técnicas, seu emprego pode se justificar em ca 30s onde a redução dos tempos é necessária. Em determinadas subestações pode-se efetivamente combinar a proteção diferencial de barramento com a proteção de sobrecorrente para se obter uma redução no tempo final de operação dos relés.

  1. Suprimindo-se alguns disjuntores de entradas de barras, substituindo-os por secionadoras (figura 8)

Naturalmente que esta solução pode empobrecer o sistema de proteção, no que concerne à localização do defeito e tempo de reposição do sistema, principalmente se as barras 1 e 2 forem distantes uma da outra.

relés

Fig. 10 — Esquema do método ‘instantâneos seletivos’

Na fase de ajuste dos relés ou estudo de seletividade pode-se reduzir os tempos provocando intencionalmente a operação de dois ou mais disjuntores, isto é, descoordenando relés.Os pontos preferidos, então, devem ser: — dispositivos de proteção primário e secundário de um mesmo transformador;

  • relés de proteção na origem e na chegada de alimentadores.

Na figura 9, se os relés RI e R 2 forem descoordenados não haverá perdas de cargas adicionais, sendo entretanto prejudicada a pesquisa do local do defeito.

MÉTODO DOS “INSTANTÂNEOS SELETIVOS”

Um método muito pouco conhecido de diminuir os tempos de operação dos relés de sobrecorrente tem sido empregado pelo autor. Este método, a que denominamos instantâneos seletivos, permite superar de uma forma económica os inconvenientes de outros métodos, garantindo que praticamente todos os relés instantâneos, ao invés de bloqueados, sejam ativados por ocasião da fase de ajuste dos relés ou estudo de seletividade.

O método consiste no seguinte (figura 10):

Ao operar, o elemento instantâneo (função 50) de um determinado relé deve executar duas açóes.

— em primeiro lugar, aciona um relé de tempo eletrônico com ajuste de 6 a 30 ciclos (0,1 a 0,5 segundo) que, quando nào bloqueado pelo relé a jusante, desliga o disjuntor respectivo, após decorrido o tempo de ajuste; — em segundo lugar, envia um sinal (sem retardamento) que bloqueia o relé de tempo do relé instantâneo situado a montante e com o qual deve coordenar.

O sistema deve ser aplicado em cadeia de tal forma que quando ocorre um curto-circuito dentro da zona de proteçào de um determinado relé, o elemento instantâneo do mesmo não é bloqueado mas bloqueia o relé de tempo imediatamente acima, em direçäo à fonte. Assim, não importa o ponto em que ocorra o curto-circuito, ele será sempre eliminado de forma instantånea,a menosdo retardo(O,1 a 0,5 s) aplicado ao relé de tempo. Inclusive, a experiência revela que esse retardo nunca precisa ser superior a 0,15 s. O importante, portanto, é que cada relé age instantaneamente em sua zona de proteçäo; eles não mais ficam subordinados à temporização ditada pela escada da seletividade convencional. Devido ao tipo de bloqueio praticado, os relés podem ser sempre mantidos em baixos níveis de ajuste.

Convém observar, como se verifica no esquema da figura 10, que deverá existir um único relé de tempo para atender os relés de terra e de fase de um determinado disjuntor. Vale notar, também, que o sistema é adotado somente para os elementos instantâneos; os elementos temporizados atuarão de forma normal. Outro detalhe: a tensão auxiliar para o relé de tempo será a mesma utilizada no controle dos disjuntores, preferivelmente em corrente contínua.

CONCLUSÃO

Pelo exposto anteriormente, conclui-se que o engenheiro de proteção dispõe de recursos para a redução dos tempos finais de operação dos relés de sobrecorrente, devendo atuar principalmente na fase de concepção do sistema de proteção. Dos métodos apresentados, o que denominamos instantâneos seletivos, se implementado adequadamente, pode contribuir de forma econômica para se lograr os objetivos propostos, pois utiliza relés de sobrecorrente normais, com relés de tempo de curto retardo acoplados aos elementos instantâneos.

Os cuidados básicos na aplicação deste método se prendem ao dimensionamento correto dos transformadores de corrente (principalmente onde existem cabos secundários longos) e ao emprego de fusíveis limitadores (onde for obrigatório o uso de fusíveis).

Onde a distância entre o relé a montante e o a Jusante for multo longa, inviabilizando o envio de sinal de bloqueio, pode-se utilizar o sistema mantendo o relé instantâneo a montante apenas bloqueando o seu antecessor na cadeia de proteção. Se este antecessor pertence a uma subestação de distribuição, então pode-se aplicar nesta o sistema de instantâneos seletivos.

O desenvolvimento de relés instantâneos já com a temporização interna e contato de recebimento de bloqueio também interno implementaria de forma notável o processo. Já existe pelo menos um fabricante nacional com relés que facilitam a aplicação deste processo, mas somente a nível de proteção contra faltas a terra (relés de tempo definido).