Protecão de Sistemas Elétricos de Potência

Elementos da Proteção dos Sistemas Elétricos

Na operação dos sistemas elétricos de potência surgem, com certa frequência, falhas nos seus componentes que resultam em interrupções no fornecimento de energia aos consumidores conectados a esses sistemas, com a consequente redução da qualidade do serviço prestado.

Assim, como indicadores fundamentais para se desenvolver um sistema de proteção, temos:

• Corrente de curto-circuito

A falha mais comum em qualquer sistema de potência é o curto-circuito, que dá origem a correntes elevadas circulando em todos os elementos energizados, tendo como resultado graves distúrbios de tensão ao longo de todo o sistema elétrico, ocasionando, muitas vezes, danos irreparáveis ao sistema e às instalações das unidades consumidoras.

• Tensão

O nível de tensão da instalação, seja ela uma indústria, rede de distribuição, linha de transmissão etc., nos proporciona avaliar os tipos de equipamentos e dispositivos que deverão ser utilizados. Isso implica necessariamente a avaliação do investimento e a complexidade do estudo de coordenação e seletividade. Quanto maior for o nível de tensão, mais complexa deve ser a configuração de barramento da subestação: barra dupla com disjuntor de transferência, barra dupla com um disjuntor a quatro chaves, anel fechado, disjuntor e meio, entre outras.

• Estabilidade em regime transitório

Quando um sistema de potência considerado síncrono está em plena operação surgem normalmente pequenas anormalidades intrínsecas decorrentes de pequenas alterações, por exemplo, flutuações temporais das cargas, mas que permitem a sua recomposição mantendo-se estável a velocidade síncrona. No entanto, se essas flutuações envolverem sobrecarga duradoura podem originar danos materiais significativos nos equipamentos.

Podemos definir como limite da estabilidade de um sistema de potência a maior da potência que pode ser transmitida sem perda da estabilidade.

Em qualquer sistema elétrico podem ocorrer certos eventos danosos aos equipamentos e dispositivos: as sub e sobretensões com diferentes origens, de descargas atmosféricas e manobras, entre outras. Algumas vezes estão associadas aos curtos-circuitos.

Os curtos-circuitos, as sobrecargas e as sub e sobretensões são inerentes ao funcionamento dos sistemas de potência, apesar das precauções e cuidados tomados durante a elaboração do projeto e a execução das instalações, mesmo seguindo as normas mais severas e as recomendações existentes. Essas anormalidades poderão ter consequências irrelevantes ou desastrosas, dependendo do sistema de proteção preparado para aquela instalação em particular.

A principal função de um sistema de proteção é assegurar a desconexão de todo sistema elétrico ou parte dele submetido a qualquer anormalidade que o faça operar fora dos limites previstos. Em segundo lugar, o sistema de proteção tem a função de fornecer as informações necessárias aos responsáveis por sua operação, de modo a facilitar a identificação dos defeitos e a sua consequente recuperação.

De modo geral, a proteção de um sistema de potência é projetada tomando como base os fusíveis e os relés incorporados necessariamente a um disjuntor, que é, na essência, a parte mecânica responsável pela desconexão do circuito afetado com a fonte supridora.

O fusível representa uma gama numerosa de dispositivos que são capazes de interromper o circuito ao qual estão ligados, sempre por meio da fusão de seu elemento metálico de proteção. É normalmente empregado nos sistemas de distribuição de média tensão e muito raramente nos sistemas de alta-tensão, em razão de sua baixa confiabilidade e da dificuldade de se obter sistemas seletivos.

Já os relés representam outra gama de dispositivos, com as mais diferentes formas de construção e funções incorporadas, para aplicações diversas, dependendo da importância, do porte e da segurança da instalação considerada. Os relés sempre devem atuar sobre o equipamento responsável pela desconexão do circuito elétrico afetado, normalmente o disjuntor ou o religador.

A detecção de um defeito em um sistema elétrico é obtida, de modo geral, pela aplicação de um dos seguintes critérios:

• Elevação da corrente;
• Elevação e redução da tensão;
• Inversão do sentido da corrente;
• Alteração da impedância do sistema;
• Comparação de módulo e ângulo de fase na entrada e na saída do sistema.

Para melhor compreensão das características de funcionamento de uma estrutura de proteção, descreveremos algumas definições de termos clássicos utilizados no cotidiano dos técnicos que trabalham nesse segmento:

1. Corrente nominal: é o valor da corrente que pode circular permanentemente no relé.
2. Corrente de ajuste: é o valor da corrente ajustada no relé, acima da qual o relé atuará.
3. Corrente de acionamento: é o valor da corrente que provoca a atuação do relé de proteção.
4. Corrente máxima admissível: é o valor máximo da corrente que pode suportar os componentes do relé, tais como bobinas, contatos, elementos eletrônicos etc., durante um tempo especificado.
5. Consumo: é o valor da energia solicitada pelo relé aos equipamentos de medida aos quais está conectado, durante o seu funcionamento.
6. Potência nominal: é o valor da potência que é requerida pelo relé e fornecida pelos transformadores de potencial e de corrente.
7. Tensão nominal: é o valor da tensão para o qual foi isolado o dispositivo.
8. Tensão de serviço: é a tensão do sistema ao qual o relé está conectado.
9. Tensão máxima admissível: é o valor da tensão máxima a que pode ficar submetido o relé em operação.
10. Temporização: é o valor do tempo, normalmente em segundos, ajustado no relé, para o qual o mesmo atuará.

Estrutura básica dos Dispositivos de Proteção

De modo geral, o esquema básico de funcionamento de um relé de proteção pode ser entendido pela ilustração da Figura 1.1, que descreve os seus diversos componentes.

• Unidade de entrada

Corresponde aos equipamentos que recebem as informações de distúrbios do sistema elétrico, tais como transformadores de corrente e de potencial, e enviam esses sinais à unidade de conversão do relé de proteção. As unidades de entrada também oferecem uma isolação elétrica entre o sistema e os dispositivos de proteção, evitando que tensões e correntes elevadas sejam conduzidas a esses dispositivos.

• Unidade de conversão de sinal

É o elemento interno aos relés que recebe os sinais dos transformadores de corrente e de potencial e os transforma em sinais com modulação adequada ao nível de funcionamento dos relés. A unidade de conversão é própria da proteção com relés secundários – estudaremos esse assunto mais adiante. Na proteção com relés primários não existe a unidade de conversão, já que a corrente e/ou a tensão da rede são aplicadas diretamente sobre a unidade de disparo do relé que proporciona a abertura do disjuntor.

• Unidade de medida

Ao receber os sinais da unidade de conversão, a unidade de medida compara as suas características (módulos da corrente e tensão, ângulo de fase, frequência etc.) com os valores que foram previamente armazenados nela e tidos como referência de operação. Caso os sinais de entrada apresentem valores superiores aos valores previamente ajustados, a unidade de medida envia um sinal à unidade de saída.

• Fonte de tensão auxiliar

É a unidade que fornece energia às unidades de medida para processar as informações e à unidade de saída. Também fornece energia à unidade de acionamento, às vezes constituída por uma pequena bobina que aciona um contato auxiliar. Em geral, a fonte auxiliar é constituída por uma bateria. Em alguns dispositivos de proteção, a fonte auxiliar pode ser constituída por um circuito interno que converte a corrente que chega da unidade de entrada em uma pequena tensão por meio da queda de tensão propiciada por um resistor instalado internamente ao dispositivo de proteção.

• Unidade de saída

Pode ser constituída por uma pequena bobina acionando um contato auxiliar ou por uma chave semicondutora.

• Unidade de acionamento

Normalmente é constituída por uma bobina de grossas espiras montada no corpo do elemento de desconexão do sistema, que pode ser um disjuntor ou um interruptor. A unidade de acionamento é característica dos sistemas de proteção com relés secundários. Na proteção com relés primários, a unidade de acionamento é ativada diretamente pelas unidades de entrada.

A partir dessa abordagem geral, podemos apresentar uma visão geral de uma estrutura de proteção, detalhada na Figura 1.2. Veja a seguir a descrição sumária do funcionamento desses dispositivos.

TC – transformador de corrente: equipamento responsável pelo suprimento da corrente ao elemento de avaliação da corrente (A) que se quer controlar.

TP – transformador de potencial: equipamento responsável pelo fornecimento da tensão ao elemento de avaliação da tensão (V) que se quer controlar.

D – interruptor ou disjuntor responsável pela desconexão do sistema.

F – fonte auxiliar de corrente que supre os diversos elementos envolvidos na proteção. Em geral, trata-se de uma fonte de corrente contínua.

A – elemento de avaliação das medições de corrente e tensão que tem as seguintes funções:

gerenciar as condições operacionais do componente elétrico protegido, tais como a linha de transmissão, o transformador de potência etc.;

decidir, a partir dos valores recebidos de corrente e tensão, as condições em que se dará a operação de desconexão.

B – elemento lógico da estrutura de proteção; recebe as informações do elemento de avaliação, procede à comparação com os valores ajustados e, se for o caso, libera o sinal de atuação para o interruptor ou disjuntor.

C – elemento que modula o sinal de disparo do interruptor ou disjuntor.

S – elemento de sinalização ótica ou sonora de todas as operações realizadas na estrutura básica de proteção.

K – elemento responsável pela recepção de sinais de comando originados ou não de outros pontos distantes da parte do sistema sob proteção; pode ser a própria régua de borne dos condutores dos circuitos de proteção.

Em alguns esquemas de proteção, os transformadores de potencial podem ser suprimidos, como no caso da proteção de sobrecorrente. Quando se tratar somente da proteção de sub e sobretensão, não é necessária, no entanto, a aplicação do transformador de corrente. E, finalmente, em alguns esquemas de proteção utilizando relés primários, não é necessário empregar nenhum transformador de medida.

O Sistema Elétrico de Potência (SEP) é uma infraestrutura complexa que engloba todo o conjunto de componentes necessários para a geração, distribuição e utilização de energia elétrica em larga escala.

Eng. Moisés Rodrigues - Gerente de Operações.