apostila-protecao-sel354-2003

8/3/2019 Apostila-protecao-SEL354-2003

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SEL 354

PROTEO DE SISTEMAS

ELETROENERGTICOS


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Proteo em sistemas eletroenergticos 1

SEL 354 Proteo em Sistemas Eletroenergticos

Prof. Denis Vinicius Coury

Filosofia de proteo dos sistemas eltricos

Princpios fundamentais dos principais tipos de relsconvencionais:

Rels de corrente, tenso e potncia

Rels diferenciais, de freqncia, de tempo e

auxiliares

Rels de sobrecorrente

Rels direcionais

Rels de distncia e com canal piloto

Transformadores de corrente e potencial

Redutores de medida e filtros

Rels Universais

Localizadores de faltas em linhas de transmisso

Novas tendncias e artigos cientficos


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Bibliografia Recomendada

&PHADKE, A. G.; THORP, J. S. Computer relaying for

power systems, John Wiley & Sons Inc., ISBN 0 471

92063 0.

& Power system protection Digital protection andsignallig, Edited by Electricity Training Association

IEE, Vol. 4, ISBN 085296 838 8.

& JOHNS, A. T.; SALMAN S. K. Digital protection for power systems, Peter Peregrinus Ltd., ISBN 0 86341

195 9.

& Protective relays Application guide, GEC

Measurements.

& PHADKE, A. G.; HOROWITZ, S. H. Power systemrelaying, Research Studies Press Ltd, ISBN 0 863 801

854.


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& UNGRAD, H.; WINKLER, W.; WISZNIEWSKI, A. Protection techniques in electrical energy systems,

Marcel Dekker, Inc., ISBN 0 8247 9660 8.

& Protective relaying theory and applications, W. A.Elmore ABB Power T & D Company Inc., ISBN 0 8247

9152 5.

& CAMINHA, A. C. Introduo proteo dos sistemaseltricos, Editora Edgard Blcher Ltda., 1983.

& CLARK, HARRISON K. Proteo de sistemaseltricos de potncia, Universidade Federal de Santa

Maria, 1979.

& GERS, J.M. ; HOLMES, E.J. Protection of electricitydistribution networks, The Institution of Electrical

Engineers, London, UK, 1998.

& Peridicos cientficos que dizem respeito ao assunto.


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Proteo em Sistemas Eletroenergticos

Em oposio garantia de economia e qualidade do

servio, alm de vida til razovel das instalaes, as

concessionrias enfrentam perturbaes e anomalias de

funcionamento que afetam as redes eltricas e seus rgos

de controle.

I Consideraes gerais

SEP Proteo eficaz e confivel Atributos cada vez mais exigidos crescimento,

complexidade e interligamentos dos SEP

1.1 Pode-se prevenir os defeitos

Manuteno preventiva e operao adequada

Previso de isolamento adequado

Coordenao adequada de pra-raios

Proteo de elementos com cabos aterrados

Proteo contra a ao destruidora de animais,

terra, lixo, etc.


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1.2 Pode-se diminuir a ao do defeito:

Limitando as correntes c.c. (reatores)

Projetando elementos de circuito mais resistentescapazes de suportar os efeitos mecnicos e

trmicos das correntes de defeito

Isolando com presteza o elemento defeituoso Aumentando a estabilidade do sistema

Analisando o funcionamento adequado do sistema estatsticas do defeito.


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II Funo e importncia da proteo

Rels de proteo provocar, sem demora, odesligamento total do elemento defeituoso.

Estudo da proteoconsideraes: Eltricas caractersticas do sistema de potncia

Econmicas custo do equipamento principal versus

custo relativo do sistema de proteo

Fsicas facilidades de manuteno, distncia entre

os pontos de ao dos rels, etc.

III Causas dos defeitos

Ar c.c. por aves, roedores, galhos de rvores, etc.Rigidez dieltrica afetada por ionizao provocada por

frio ou fogo.

Isoladores de porcelana curto-circuitados ou rachados

Isolao de trafos e geradores afetados pela umidade

Descargas atmosfricas

Surtos de chaveamento


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IV Efeitos indesejveis do c.c. (caso persista)

Reduo da margem de estabilidade

Danos aos equipamentos vizinhos falha

Exploses

Efeito cascata

V Quadro estatstico dos defeitos

Quadro I - Levantamento estatstico ocorrido na CentralElectricity Generating Board Inglaterra

Maior ocorrncia de defeitos: Linhas de transmisso

Quadro II Levantamento dos tipos de faltas sobrelinhas de transmisso fornecido pela Boneville Power

Association (BPA) e Swedish State Power Boord (1951

1975)


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Quadro I Ocorrncias de faltas sobre os componentes

EQUIPAMENTO DEFEITO (%)

Linhas areas 31,3

Proteo 18,7

Transformadores 13,0

Cabos 12,0

Seccionadores 11,7Geradores 8,0

Diversos 2,1

TCs e TPs 1,8

Equipamento de controle 1,4

Quadro II Incidncia dos tipos de defeitos sobre linhas de

transmisso

Tipo dos BPA SSPB

defeitos 500KV 400 KV 200 KV

Fase - Terra 93% 70% 56%

Fase - Fase 4% 23% 27%

Fase Fase - Terra 2%

Trifsico 1%7% 17%


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VI Classificao dos rels

Tipo construtivo: eletrodinmico, disco de induo,elemento trmico, fotoeltrico, digital, etc.

Natureza do parmetro ao qual o rel responde:corrente, tenso, potncia, freqncia, presso,

temperatura, etc.

Grandezas fsicas de atuao: eltricas, mecnicas,trmicas, ticas, etc.

Mtodo de conexo do elemento sensitivo: direto nocircuito primrio, atravs de TPs e TCs.

Grau de importncia: principal ou intermedirio Tipo de contatos: NA ou NF

Tempo de atuao: instantneo ou temporizado

Tipo de fonte para atuao do elemento de controle:CA ou CC

Aplicao: geradores, transformadores, linhas detransmisso, etc.


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VI Caractersticas funcionais da proteo por

rels

Sensibilidade: capacidade de a proteo responder sanormalidades nas condies de operao e aos c.c.

para os quais foi projetada.

K fator de sensibilidade

Ipp valor mnimo da corrente de acionamento do rel

Valor usual: 1,5 a 2

Seletividade:

isolar completamente o componente defeituoso;

desligar a menor poro do SEP e

reconhecer condies onde a imediata operao

requerida daqueles onde nenhuma ou um retardo na

operao exigido.

pp

cc

IIK min=


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Velocidade de atuao: minimiza o vulto dos defeitos erisco de instabilidade

Confiabilidade: a probalidade de um componente, umequipamento ou um sistema satisfazer uma funo

prevista, sob dadas circunstncias.

VIII O rel elementar


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Contato mvel fechar o circuito operativo quando:

Fe > Fm

Se I > Iao circuito deve ser interrompido, onde Ia a corrente de atuao, de pick-up, de acionamento ou

operao do rel.

Pelos princpios de converso eletromecnica temos:

Fe fora eletromagnticaK leva em considerao a taxa de variao da

permencia do entreferro, nmero de espiras e

ajusta as unidades convenientemente.

Fora da mola:

H, pois, no rel:Elemento sensorElemento comparador

Elemento de controle

2KIFe @

Kxm =


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t1 t2 t3 t4

Ii

IdIa

t1 I comea a crescert2 I atinge o valor da corrente de acionamento Iat3 - t2 o disjuntor atua abrindo o circuitot3 a corrente comea a decrescert4 Fe < Fm o rel abre o seu circuito

magntico

Relao de recomposio:

( Kd varia na prtica entre 0,7 0,95)

Fr Fora residual

add

IK=


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( ) 0>-= mer

Feo fora eletromagntica de atuao: e + FmoFmo esforo inicial da molae compensao de atrito do eixo, etc.

IX Qualidades requeridas de um rel

ser to simples e robustos o quanto possvel

ser to rpidos o quanto possvel

ter alta sensibilidade e poder de discriminao


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realizar contatos firmes

manter a sua regulagem

ter baixo custo

A ttulo de comparao so dados valores tirados de

uma proposta de fabricante, em valores relativos:

rel de sobrecorrente, instantneo, monofsico 1,0 pu

rel de sobrecorrente, temporizado, trifsico 3,5 pu

rel de sobrecorrente, temporizado, direcional 6,5 pu

rel com fio piloto 12,0 pu

rel de distncia, de alta velocidade 56,0 pu

rel digital, incluindo software 56,0 pu

X Critrios de existncia de falta

Defeito ou falta acidental afastamento dascondies normais de operao


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Um curto-circuito traduz-se por:

altas correntes e quedas de tenso

variao da impedncia aparente

aparecimento de seqncia negativa e seqnciazero de tenso e/ou corrente

diferenas de fase e/ou amplitude entre a correntede entrada (Ie) e sada (Is) em um elemento

\se Id = (Ie Is) possuir valor elevado

h defeito

baseado nessas condies

que, na prtica, sero indicados os rels

aplicveis a cada caso.


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XI Atributos dos sistemas de proteo

1 2 3

T R T R

D12 D21P

D23

O sistema pode ser subdividido em:1- Disjuntores (D)

2- Transdutores (T)

3- Rels (R) e baterias

Processo

Deciso tomada pelos relsabertura dos disjuntoresdesconexo da L. T. do restante do sistema e

eliminao da falta.

Todo o processo30 a 100 ms.Rel D23 tambm detecta a falha no ponto P, porm deve ser

seletivo de modo a no operar.


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XII Zonas de proteo

~

Zona 1Zona 2

Zona 3

Zona 4

Zona 5

Zona 6

Cada zona contm um ou mais elementos do sistemaZona 1 proteo do gerador e transformador

Zona 2 proteo do barramento de AT

Zona 3 proteo da LT

Zona 4 proteo do barramento de BT

Zona 5 proteo do transformador

Zona 6 proteo do barramento de distribuio

Cada disjuntor est includo em duas zonas de proteovizinhas

Os disjuntores ajudam a definir os

contornos da zona de proteo.

Aspecto importante: as zonas vizinhas se sobrepem.Esta sobreposio garante que

nenhuma parte do sistema fique sem proteo.


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Problema: se ocorrer falha dentro da zona desobreposio maior poro ser isolada.

\Regio de sobreposio feita a menor possvel.

Exemplo:

a) Consideremos o sistema de potncia mostrado na

figura abaixo com fontes geradoras alm das barras

1, 3 e 4. Quais so as zonas de proteo nas quais

este sistema poderia ser dividido? Que disjuntores

operariam para falhas em P1 e em P2?

b) Se forem adicionados trs disjuntores no ponto 2,

como seriam modificadas as zonas de proteo?

A

B

C

P11

2

4

3P2


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XIII Proteo de retaguarda

Encarrega-se da proteo no caso da proteo primriafalhar.

1

TR

2

A B

P

5

F G

3

D C4

E H

Para uma falta em P, a proteo primria (principal)deve abrir os disjuntores F e G.

Um mtodo de proteo de retaguardaduplicar aproteo primria completamente.

Outra opo:

Funo de proteo de retaguarda remota

Se F no atuar transferir a responsabilidade a A, D e H(elimina uma poro maior do sistema)


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Outra condio:

O sistema de retaguarda deve dar ao sistema primrio

tempo suficiente para atuar normalmente

Retardo de tempo de coordenao: necessrio para

coordenar a operao dos sistemas

primrio e de retaguarda

Outra opo:Sistema local de proteo de retaguarda: B, C e E(barra 1). Tambm chamado de sistema de

proteo de falha de disjuntor.

Problema: subsistemas comuns a ambos. Deve ento ser considerada alguma forma de

proteo de retaguarda remota para um bom

dimensionamento do sistema de proteo.


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XIV Rels de corrente, tenso e potncia

14.1 Rels de induo eletromagntica

Usam o princpio de um motor de induo.

Operam em C. A.


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Posio do contato mvel = temporizador

O entreferro uma frao de polegada

Se a corrente na bobina de operao for senoidal:

F = fluxo mximo produzido

q = defasagem provocada pelo anel

w = freqncia angular da corrente aplicada

Devido indutncia desprezvel no rotor:

if1, if2 em fase com ef1, ef2 (e = df/dt)

wtsen11 f=F( )qf +=F wtsen22

wtwdt

d

i cos11

1 f

f

f@@

( )qff

f +@@ wtwdt

di cos2

22


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Fora lquida:

Substituindo:

Simplificando:

A fora sob o disco constante (embora asgrandezas de entrada sejam senoidais) e

proporcional ao seno do ngulo entre os dois

fluxos.

Rel livre de vibraes

211212 ffff ii -@-=

( ) ( )[ ]qqff +-+ wtwtwtwtwF cossencossen21

qff sen21K


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14.2 Rels de induo de duas grandezas de

entrada

Substitui-se o anel de defasagem por duas grandezasatuantes.

1. As duas grandezas de atuao so correntes:

2. As duas grandezas de atuao so tenses:

3. Uma a tenso e a outra a corrente

Estrutura magntica simtrica: f proporcional a I.

Defasagem entre os fluxos = defasagem entre asgrandezas atuantes.

2211 sen KIIKT -= q

2211 sen KVVKT -= q

2111 sen KVT -= q


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Consideremos (quadratura entre as grandezas):

Para o rel atuar em conjugado mximo para qualquerq:

I2

I1

I1

Ref.

Posio de I2 p/ Cmx

+C

-C

q

f

t

I2

I1

I1

Filtro defasador

O processo mais simples de alterar o ngulo de mximo

torque inerente, num rel de duas grandezas, inserir entre

qualquer das grandezas atuantes e sua bobina de operao

um filtro defasador.

0901sen == qqmxF

qsen21KI=

( )fq+= sen21T


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f - deslocamento de fase introduzido

t- definidor do conjugado mximo (catlogo do fabricante)

Tmx cos(q - t) = 1 q = t

Tnulo cos(q - t) = 0 q = t 900

Finalmente:

Surge o conceito de direcionalidade(C+ I2 variando desde 0

o a 180o)

t denominado ngulo de conjugado mximo do

rel.

( )

43421

t

fq

fq

fq

-=

=+

=+

0

0

90

90

1senmxT

( )tq -= cos21KT


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14.3 Equao universal dos rels

K1, K2, K3 e K4podem ser igualados a zero.

14.4 Rels de sobrecorrente (ajuste)

Rels no direcionais que respondem a amplitude de

suas correntes. Sendo Ipa corrente do enrolamento

secundrio do TC previamente definida e Ifa correntede falta.

Descrio funcional:

Bloqueio

Disparo

T1 T2

I

If

If>Ip disparo

If


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H nomalmente dois tipos de ajuste:a) ajuste de corrente ajuste de tapes

Pelo posicionamento do entreferro, tensionamento

da mola de restrio, pesos, tapes de derivao da

bobina, etc.

b) ajuste de tempo ajuste do dispositivo de tempo

DT por meio de dispositivos de temporizaodiversos.


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Embora esses ajustes possam ser feitos de forma

independente, a interdependncia mostrada nascurvas tempo-corrente, fornecidas no catlogo do

fabricante.

Ip - Este ajuste feito atravs de tapes do

enrolamento de atuao.If>Ip - Funo potencial inversa da amplitude da

corrente.

Ajuste de tempo caracterstica no tempo pode serdeslocada:

- produz a mais rpida atuao no tempo10 - produz a mais lenta atuao no tempo

Proteo de Sobrecorrente

Correntes elevadas em SEP causadas por faltas

Tipos mais comuns de proteoo Chaves termomagnticas

Arranjos mais simples

Baixa tenso


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o Fusveis

Proteo de LTs BT e transformadores distrib.o Rels sobrecorrente

Dispositivo mais comum para se lidar com

correntes excessivas

Devem operar em situaes de sobrecorrente

e sobrecarga

Tipos de rels de sobrecorrenteo a) Corrente definida

o b) Tempo definido

o c) Tempo inverso

Rels de corrente definidao Opera instantaneamente quando corrente atinge

valor predeterminado

o Ajuste: na S/E mais distante da fonte o rel opera

com valor baixo de corrente e vice-versa

t

I

t

I

t

I

t1

a) b) c)


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o O rel com ajuste mais baixo opera primeiro e

desconecta a carga no ponto mais prximo faltao Possui baixa seletividade em altos valores de

corrente c.c.

o Dificuldade em distinguir corrente de falta entre 2

pontos quando a impedncia entre eles pequena

se comparada da fonte

o No so usados como nica proteo de

sobrecorrente, mas sim como unidade instantnea

onde outros tipos de proteo esto em uso

Rels de tempo definido

o Ajuste variado trata com diferentes nveis de

corrente, usando diferentes tempos de operao

o Ajuste: disjuntor mais prximo falta acionado no

tempo mais curto

o Disjuntores restantes so acionados

sucessivamente, com atrasos maiores, em direo

fonte

o Tempo de discriminao: diferena entre os

tempos de acionamento para a mesma corrente


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o Desvantagem: faltas prximas fonte (correntes

maiores) so isoladas em tempo relativamentelongo

o Ajuste de atraso de tempo independente do valor

de sobrecorrente requerido para operao do rel

o Muito usados quando impedncia da fonte

grande se comparada quela do elemento a ser

protegido (nveis de falta no rel so similares aos

nveis no elemento protegido)

Rels de tempo inversoo Operam em tempo inversamente proporcional

corrente de falta

o Vantagem: tempos de acionamento menores

podem ser obtidos mesmo com correntes altas,

sem risco de perda de seletividade

o Geralmente classificados conforme sua curva

caracterstica (indica a velocidade de operao):

Inversa

Muito inversa

Extremamente inversa


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Ajuste dos rels de sobrecorrenteo Possuem geralmente um elemento instantneo e

um elemento de tempo na mesma unidade

o Ajuste envolve seleo de parmetros que definem

a caracterstica tempo-corrente requerida

o Ajuste das unidades instantneas

Mais eficaz quando as impedncias doselementos protegidos so maiores que a da

fonte

Vantagens

Reduzem o tempo de operao para

faltas severas no sistema

Evitam perda de seletividade quando h

rels com caractersticas diferentes

(ajusta-se a unid. instant. para operar

antes de cortar a curva caracterstica)

t

I


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Critrio de ajuste: depende do elemento

a ser protegido:

1) Linhas entre subestaes:

- Considerar no mn. 125% da corrente simtrica para

nvel de falta mx. na prxima S/E2) Linhas de distribuio:

- Considerar 50% da corrente mx. de c.c. no ponto do

rel ou

- Considerar entre 6 e 10 vezes a mx. taxa do circuito

3) Transformadores:

- Unid. instant. no primrio do trafo deve ser ajustada

entre 125 e 150% da corrente c.c. no barramento de BT,

referida ao lado AT

- Valor elevado a fim de evitar perda de coordenao

com as altas correntes inrush


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Cobertura das unidades instantneas protegendolinhas entre subestaes

end

pickup

iI

Ik = e

element

source

SZ

Zk =

ABS

pickupXZZ

VI

+

=

Onde:

V = tenso no ponto do rel

ZS = impedncia da fonte

ZAB = impedncia do elemento a ser protegidoX = percentagem da linha protegida

ABS

endZZ

VI

+

= eABS

ABS

iXZZ

ZZk

+

+

= iAB

iSABS

kZ

kZZZX

-+

=

~

ZS

ZAB

50

A B

x


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Mas AB

S

S

Z

Zk =

( )

i

iS

k

kkX

11 +-=

(*)

Exemplo 1:

Se ki = 1,25 e kS = 1

Ento X=0,6 ou seja, a proteo cobre 60% da linha.

Exemplo 2:

O efeito da reduo da impedncia da fonte ZS na cobertura

da proteo instantnea pode ser notada, usando-se um

valor de ki = 1,25 na equao (*):

Zs (W) ZAB (W) IA (A) IB (A) % coberta

10 10 100 50 60

2 10 500 83 76


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Ajuste das unidades de tempo nos rels desobrecorrente

o Tempo de operao pode ser atrasado para

garantir que, na presena de uma falta, o rel no

atuar antes de outra proteo mais prxima falta

o Diferena de tempo de operao para os mesmos

nveis de falta margem de discriminao

o Ajuste dos parmetros:

DIAL: representa o atraso de tempo queocorre antes do rel operar

DIAL tempo de trip

t

I

B

A

Margem deDiscriminao


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TAP: define a corrente depickup do rel

Precisa permitir margem de sobrecargasobre a corrente nominal:

TAP (1,5 Inom) / RTC

valor pode variar dependendo da

aplicao (distribuio, rels de falta p/terra, linhas AT, etc).

Os procedimentos podem ser definidos pela seguinte

expresso (alternativa ao uso das curvas em papel):

1

.

-

=

a

b

SI

I

kt

t = tempo de operao do rel (s)

k = DIAL ou ajuste multiplicador de tempoI = corrente de falta (A)

Is = TAP ou corrente depickup selecionada

a , b = determinam a inclinao da caracterstica do rel


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Para rels de sobrecorrente padro:

Tipo de rel a bInverso 0,02 0,14

Muito inverso 1,00 13,50

Extremamente inverso 2,00 80,00

Dada a caracterstica do rel calcula-se a resposta no

tempo para dado DIAL k, TAP e outros valores da equao.

Coordenao com fusveis

o Fusvel opera linha permanece aberta

o Necessrio prevenir operao do fusvel

o Dilema: seletividade X continuidade do sistema


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A armadura mvel pivoteia em torno do eixo de modo a

bascular a ampola de mercrio, estabelecendo assim ocontato entre os terminais.

14.6 Rel de balano de correntes

Tipo muito usual, tanto para fins de sobrecorrente, como

de unidade direcional.

Equao de conjugado, supondo I1 e I2 em fase:

3222

211 KIKIKT --=


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Rel no limiar da operao (T = 0):

Se desprezarmos o efeito da mola K3 :

Voltando a equao do rel no limiar da operao (T =0)

e supondo I2 = 0:

(limiar da operao)

1212

3

2

12 I

IK

K

K

KI -=

21

21 I

K

KI =

1

31

K

KI =


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1

21

k

ktg-

I2

I1

T+

1

3

k

k

T-

O efeito da mola significativo somente nos baixosnveis de corrente.

14.7 Rels direcionais

Rel de duas grandezas: tenso e corrente

Capaz de distinguir entre o fluxo de corrente em umadireo ou outra

Devido a natureza indutiva da bobina corrente Iv

atrasada em relao tenso ( ngulo a).


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I

Bobina de corrente Bobina de tenso

Iv

V

I

V

q

a

t

IV

q aumenta movendo I no sentido anti-horrio

T aumenta Tmxt=q q diminui movendo I no sentido horrio

T diminui TminI coincide com Iv A caracterstica real de funcionamento de um rel de

duas grandezas:

I

V

q

t

Imnimo

Conj. positivo

Conj. negativo

)cos( tq -=KVIT

90o

IV

a


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A linha divisria entre os conjugados negativo e positivo

est deslocada da origem indicando a mnima correntenecessria para atuar o rel no ngulo de mximo torque.

14.7.1 Rels direcionais de potncia

Respondem a certa direo do fluxo de corrente sob

condies aproximadamente equilibradas.

t = 0, Iv 90o em atraso com relao a V

Bobina de tensoBobina de corrente

I

V

C+C-

Iv

Imnimo

qcosVI=

Se alterart

para 0:

Torque positivo I a 90o em relao a V.

Torque negativo I entre 90o e 270.

Respondem ao fluxo de potncia normal conj. mx.

quando fp unitrio percorre o circuito.


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Tm usualmente caractersticas temporizadas paraimpedir sua operao durante as momentneas

reverses de energia.

14.7.2 Rels direcionais para proteo contra C. C.

Curtos-circuitos envolvem correntes atrasadas com

relao ao fp unitrio rel deve desenvolver

conjugado mximo para tais condies

Algumas conexes mais usuais (com fp=1):

Ia Ia Iaa a a

c c cb b b90o 60o30oVbc

VacVbc + Vac

Alimentao de rel direcional de curto-circuito: relaode fase para fp = 1


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Exemplo: conexo 90o, ngulo de atraso de 45.

a

b

c

Ia

Vbc

Ia

Vbc

Cmx

C+

C-

Obs.: Estes tipos de rels so geralmente usados para

suplementar outros tipos de rels (sobrecorrente,

distncia) que iro decidir se se trata de um curto-

circuito de fato.

No so temporizados nem ajustveis, mas operam

sob baixos valores de corrente e tm boa sensibilidade.


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XV Rels diferenciais, de freqncia,

de tempo e auxiliares

15.1 Rels diferenciais

Opera quando o vetor da diferena de duas ou mais

grandezas eltricas excede uma quantidade pr-estabelecida.

2 tipos: - diferenciais amperimtricos- diferenciais porcentagem (percentual)

15.1.1 Rel diferencial amperimtricoRel de sobrecorrente instantneo conectado

diferencialmente, cuja zona de proteo limitada pelos

TCs.

Erros sistemticos neste tipo de proteo:

casamento imperfeito dos TCs;

componente contnua da corrente de c.c.;

erro prprio dos TCs;

corrente de magnetizao de transformadores


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Elementoprotegido

Bobina deoperao

I1 I2

If

I1 I2

Elemento protegido:

trecho de circuito de transmisso

enrolamento de um gerador ou motor

seo de barramento

transformador:- diferena de fase deve ser compensada

- corrente de magnetizao inicial

Sentido das correntes:

Defeito interno Defeito externo


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Bobina deoperao

I1 I2

I1

I2Bobina dereteno

I1

K3N1N2

I2

I1

Elementoprotegido

Corrente efetiva na bobina de reteno: (I1+I2)/2

Corrente na bobina de operao: (I1-I2)

Para uma falta externa: (ou sob corrente de carganormal)

I1 = I2 Reteno: (I1 + I1)/2 = I1

Operao: I1 I1 = 0

\plena reteno

Para uma falta interna: I2 torna-se negativoReteno: (I1 I2)/2 a reteno ser

enfraquecida

Operao: I1 + I2 operao fortalecida

\rel ativado


54/127


Se I2 = 0

Reteno: I1/2Operao: I1

\o torque de operao ser o dobro

do torque de reteno

Para o referido rel podemos escrever a equao

universal dos rels:

( ) 32

212

2211 2

kII

KIIKC -

+--=

Fazendo-se K3 = 0, no limiar da operao (C = 0),temos:

1

22121 2 K

KIIII

+=-

(equao de uma reta na forma y = ax)


55/127


Voltando a equao universal dos rels semdesprezar a fora da mola (C = 0):

( ) 32

212

2211 2

kII

kIIk +

+=-

( ) 12 3

2

2112

221 k

kII

k

kII +

+

=-

Se

1

32121 02 k

kII

II

=-

+

mostrando o efeito da mola apenas para baixas correntes.

1

21

k

ktg-

(I1 + I2)/2

I1 I2

+C

1

3

k

k

-C

a

OPERA

NO OPERA


56/127


Ajustes:

a) valor inicial:

13

kk

Compensa o efeito da mola, atritos, etc.

b) declividade:

-

1

21

k

ktg

Na prtica, da ordem de 5-20% para geradores e de

10-40% para transformadores

Qual o rel mais sensvel:Amperimtrico ou percentual

Exemplo:

F

If

10 A

50 A40 A

1000/51000/5

(TC com erro)

I1 I2

Elementoprotegido


57/127


Corrente de falta: 10000 A TC introduz um erro de 20%

Rel amperimtrico: para evitar a operao para uma

falta externa sensibilidade mnima 10 A.

Rel percentual: Operao: 10 AReteno: (40+50)/2= 45 A.

Considerando a curva caracterstica do rel(declividade de 25%):

I1 I2

(operao)Ponto para uma faltaexterna de 10000 A,

20% de erro em um dos TCs

(I1 + I2)/2

+C

-C

20 40

10

2

8

6

4

10 30

25%


58/127


15.2 Rels de freqncia

Quedas de freqncia no podem ser toleradas Rejeio de carga feita em degraus sucessivos,

permitindo a recuperao da frequncia nominal do

sistema

Para uma freqncia menor que a nominal, a correnteISF preponderante em relao ICF , defasando IEF de

um ngulo menor que 90 graus em relao ISF e vice-

versa.

C

ISR

V

IE = IS+ICindutor fixo

quadro mvel

IC

indutor varivel

f

F

circuito oscilanteparalelo

Indutor varivel permite ajustar convenientemente o

circuito oscilante, tal que o quadro mvel tenha conjugado

nulo quando IS e IE so defasadas de 90 graus.


59/127


V

IEf ISf

ISN

ISF

IEN

IEF

ICF ICN ICf

f xL xc IL IC f xL xc IL IC

( )SS IIIIC ,cos=

Conjugado na freqncia de regulagem N (60 Hz):

= 90cosENSN

IC

F < N a bobina se deslocar num dado sentido(ngulo menor que 90o)

F > N a bobina se deslocar no sentido contrrio(ngulo maior que 90o)

15.3 Rels de tempo, auxiliares ou intermedirios

Rels de tempo Funo: definir a ao de outros rels

Valor de retardo regulvel


60/127


Disponveis em corrente alternada ou contnua

Ampla temporizao: At 20s em rels de corrente contnua

De 25 a 90s para mecanismos tipo relojoaria

> 90s para motores com engrenagens

Rel de tempo com circuito RC

Fechamento do contato de comando: alimenta o

rel e carrega o capacitor

Abertura do contato de comando: capacitor

descarrega sobre a bobina do rel, retardando o

retorno posio de repouso

Resistncia R: regula a temporizao e evita

descarga oscilante do capacitor

R

C

Contato de comando

Contatosdo rel

MolaBobina dorel

+

_


61/127


Rels auxiliares ou intermedirios Repetidores: destinados principalmente

multiplicao do n de contatos do rel principal

Contatores: para manobrar um ou mais contatos de

grande poder de corte ou fechamento

So essencialmente instantneos, robustos, do tipo

corrente ou tenso, com contatos normalmenteabertos e/ou fechados


62/127


XVI Rels de distncia

16.1 Introduo

Estes rels geralmente usam estruturas de altavelocidade e temporizadores.

Recebe este nome porque mede a distncia(impedncia) entre o local do rel e o ponto de falta.

Torque positivo nveis de impedncia abaixo

de um valor especfico.

Na prtica de aplicao desses rels, alguns erros demedida, quedas de tenso outras que a dos condutores,

alm da impedncia Z considerada, podem provocar a

imperfeita correspondncia do que foi exposto.

16.2 Causas pertubadoras na medio

Rudo presente nas ondas.

Insuficincia ou inexistncia de transposio doscondutores na L. T. (5 a 10% de erro esperado).


63/127


Variao da impedncia ao longo das linhas em paralelo(no homogeneidade do solo).

Erros nos redutores de medida de corrente e tenso emconseqncia da saturao dos ncleos sob os grandes

valores das correntes de defeito (erro de 3% ou

superior).

Erros originados pelas variaes de temperaturaambiente.

A prpria construo do rel.

Algumas compensaes so propostas

para que possa atuar de forma confivel.

16.3 Diagrama R-X

Ser usado para mostrar as caractersticas defuncionamento dos rels de distncia.


64/127


~ F

A B

R

ZF

Zl

P

Q

Diagrama RX (segundo a figura anterior):

Zl

ZFPQ

R

QP

X

QP

QP

Para curto-circuito:VF e IF medidas do relqF ngulo entre V e I

FFFF

F

F jXRZI

V+== q


65/127


A impedncia de carga pode cair em qualquer dos4 quadrantes (depende de P e Q).

Rels a distncia: podem distinguir entre umlocal de falta e outro (independente do mdulo

da corrente).

O diagrama R-X pode ser construdo com ohmsprimrios ou secundrios (sem ou com uso de TPs

e TCs).

16.4 Rel de impedncia ou ohm

Por definio, um rel de sobrecorrente com restriopor tenso:

K3 V I


66/127


Equao de conjugado:

32

22

1 kVkIkC --=

Para passar de uma regio de conjugado negativo (no-

operao) para uma regio de conjugado positivo do rel

(operao) passa-se obrigatoriamente por C=0 (chamado

limiar de operao).

Para C = 0 vem:

32

12

2 kIkVk -=

( ) 223

2

12

22

2Ik

k

k

k

I

VIk -=

22

3

2

1

Ik

k

k

kZ

I

V-== (*)

Desprezando o efeito da mola (k3 = 0), vem:

2

1

k

kZ= = constante

Equao do crculo com centro na origem,

representado em um plano Z = R+jX.


67/127


Se k3=0, a equao (*) torna-se

2

1

k

kZ

I

V==

que da forma

1

21k

k

VVZZ

V

I===

ou tambm y = ax

representando uma linha reta no plano I-V

1

21

k

ktg-

V

I

1

3

k

k


68/127


A caracterstica no plano R-X (desprezando K3):

R

X

Z

q

Regio de

operaoLimiar daoperao

- O rel ajustado para um curto valor de Z

(pode ser alterado mudando-se K1 e K2);

- Opera sempre que enxergar um valor

menor ou igual ao ajustado;

- O rel ento insensvel ao ngulo q entre

V e I no inerentemente direcional.

Porm, as caractersticas do rel de impedncia edirecional podem ser combinadas para se obter um

rel direcional:


69/127


R

X

R

X

C-

C+

+ figura =anterior

no disparadispara

UnidadedirecionalUnidade de

impedncia

no dispara

Mx.torque

( ) 21 cos kVIKT --= tq

Os contatos da unidade direcional estaro em sriecom os contatos de disparo do rel de impednciaou impediro a atuao deste por algum meio, tal

como abrir o circuito da bobina de tenso do rel

de impedncia.

Ainda complementando um rel de impednciapara funcionar como rel de retaguarda:


70/127


R

X

t1

t

t2

t3

Z1 Z2 Z3

+ torque

- torque

- R

- X

t1

t2

t3

t

l1 l2 linhaUnidadedirecional

AdmitamosZ1 = 80% do comprimento; T1 = 0

Z2 = 120% do comprimento; T2 = 0,5s

Z3 = 200% do comprimento; T3 = 1,0s

Se a falta ocorre em:

Z1 as trs zonas sentem > tempo de abertura t1

Z2 Z2 e Z3 sentem > tempo de abertura t2 ( tempo de abertura t3


71/127


16.5 Rel de reatncia

por definio, um rel de sobrecorrente com restriodirecional.

( ) 322

1 cos kVIkIkC ---= tq

Considerando t = 90o, temos:

322

1 sen kVIkIkC --= q

Na eminncia de operao (C = 0), e desprezando oefeito da mola (k3 = 0):

qsen22

1 VIkIk = 2

2Ik

XZI

V

k

k=== qq sensen

2

1ou

.2

1 cte

k

kX ==

No plano R-X representa uma reta paralela ao eixo R.


72/127


X

R

-C

+C

Rarco

qt

ZZ

k1/k2No atua

Atua

Tem restries por ser de caracterstica aberta. Independncia quanto ao valor de resistncia de arco.

X < k1/k2 torque positivo

X > k1/k2 torque negativo

Pode distinguir distncia baseando-se apenas na

componente reativa da impedncia.

Vantagem: o rel insensvel variao de resistnciano circuito. Atuaria para um defeito mesmo que a

resistncia do arco fosse grande.


73/127


Desvantagem: No direcional. Atua para qualquercarga com reatncia menor que o ajustado. Por isso

este rel acoplado a um rel de admitncia.

Rel de impedncia angular

No geralmente usado como rel de distncia, mas

constitui parte importante de muitos esquemas que

utilizam rels de distncia, como os rels de disparo por

falta de sincronismo e diversos outros.

( ) 322

1 cos kVIkIkC ---= tq

Similar ao rel de reatncia, mas com t 90 na

condio de mximo torque.

R

X

C-

C+

t = + 45

R

X

C-

C+

t = - 45

t

t

Para t = 0 rel de resistncia (reta paralela ao eixo X)


74/127


16.6 Rel MHO ou de admitncia

basicamente um rel direcional com reteno portenso, cuja equao de conjugado :

( ) 32

21 cos kVkVIkC ---= tq

C = 0:

( ) 312

2 cos kVIkVk --= tq

( K2VI)

( )

VIk

k

k

kZ

I

V 1cos

2

3

2

1--== tq

k3 = 0

( )tq -== cos2

1

k

kZ

I

V

( )tq -= cos21

kkZ

A equao representa um crculo passando pela origem,

com dimetrok1/k2

e inclinao de t.


75/127


t condio de fabricao do rel.

R

X

t

dispara

k1/k2 no dispara

C+ Z cai dentroC- Z cai fora

Z

Z

Tamanho do crculo aproximadamente independentedo valor da tenso e corrente aplicados ao rel.

O rel desenvolve torque positivo (desligamento)

quando Z cai dentro da caracterstica e torque negativo

quando Z fica fora da mesma, ondeo

I

VZ 0=

Instalando dois ou trs rels mho, podemos garantirproteo instantnea para a seo de linha adjacente

bem como proteo de retaguarda retardada para as

linhas adjacentes.


76/127


Vantagens com relao ao rel de impedncia: Direcionalidade inerente

Melhor acomodao de uma possvel resistncia de

arco do que no rel de impedncia. Constata-se que

para proteger um mesmo trecho de linha sob dada

resistncia de arco, o rel abrange menor rea no

plano R-X. Isto vantajoso quanto menorsensibilidade s possveis oscilaes do sistema.

Rel mho de trs zonas:

R

X

Z1

Z2

Z3

A zona Z1 instantnea. Z2 e Z3 so temporizados.


77/127


16.7 Rel de impedncia modificado

Caracterstica deslocada no plano R-X atravs deartifcio de polarizao.

Conjugado:

( ) 32

22

1 kCIVkIkC ---=

Artifcio de compoundagem: faz com que o rel de

impedncia tenha sua caracterstica deslocada no plano

R-X, de modo a oferecer resultados semelhantes aos do

rel mho no que diz respeito acomodao de certa

resistncia de arco voltaico. Isso feito polarizando-se abobina de tenso com uma componente CI proporcional

corrente aplicada no rel.

Para C = 0 e k3 = 0, desenvolve-se a expresso

vetorial:

0222

1 =-- CIVkIk

0cos2 22222

1 =+-- ICCVIVkIk q

2I


78/127


0cos2

2

22

22

2

21 =

+-- I

IC

I

CVI

I

Vkk q

0cos2 2221 =+-- CCZZkk q

E como 222 RZ += e RZ =qcos

02 22221 =+-+- CCRXRkk

0)( 2221 =+-- XCRkk

( )

2

2122

=+- k

kXCR

Equao de um crculo com centro

deslocado C da origem e com raio igual a 21

k

k

.


79/127


X

R

X

C

Z Z

Rav

A tenso CI gerada forando uma corrente I por

uma impedncia C e somando este valor a V,ligando CI em srie.

O ngulo de fase e a magnitude de C determinama direo e a magnitude, respectivamente, do

movimento do centro do crculo.

Outros artifcios mostram que podemos colocara caracterstica em qualquer ponto R-X.


80/127


XVII Rels estticos e semi-estticos

O desenvolvimento de transistores SCR com alto graude confiabilidade conduziu a construo de rels que

utilizam estes elementos.

Rels estticos so extremamente rpidos e nopossuem partes mveis.

Vantagens bsicas com relao a relseletromecnicos:

Alta velocidade de operao

Carga consideravelmente menor para

transformadores de instrumentos

Menor manuteno

17.1 Rels semi-estticos

Ao invs da estrutura eletromecnica pode-se usar duasestruturas retificadoras atuando sobre um sensvel relde bobina mvel.


81/127


Se chamarmos a corrente de operao de Io e a corrente

de restrio de Ir (proporcional a uma tenso aplicada

sobre um resistor Z), e k3 sendo uma constante

semelhante ao de uma mola, vir:

32

2

2

01 kIkIkC r --=

Escolhendo-se convenientemente o tape noenrolamento intermedirio do TC pode-se obter trs

caractersticas diferentes:


82/127


a) Rel de impedncia (Z), se K4=0 e IK

U

3

b) Rel de condutncia (G), se K4=1 e IIKU

-

3

c) Rel de impedncia combinada (Zc), se K4=K4 e

IIKK

U- 4

3

O rel de condutncia fornece excelente cobertura para

faltas com arco voltaico, no entanto, limita o emprego alinhas com ngulo q de at 60 graus.

Uma soluo intermediria a caractersticadenominada ohm deslocado ou impedncia combinada

(Zc)

q

X

R

ZZc

G

K4K3 K3 2K3


83/127


Como resultado as pontes fazem a comparao dosdois membros da equao e, quando o conjugado

gerado por I for maior que o proporcionado pela

restrio (U/K3 K4 I), uma corrente de desequilbrio

percorrer o rel de bobina mvel e o disjuntor do trecho

de linha correspondente ser operado.

17.2 Rels estticos

Rel de sobrecorrente esttico

Consta basicamente de um certo nmero de mdulos em

circuitos independentes denominados:

Mdulo bsico ou conversor de entrada:

o Faz a adaptao das correntes vindas dos TCs

do circuito principal

o Em geral, transforma as correntes em tenses

atravs de um resistor Mdulo de ajuste da corrente:

o Constitudo por uma tenso de referncia

o Enquanto a corrente for inferior ao nvel ajustado

no h conduo. Se a corrente aumenta


84/127


ultrapassando a tenso de referncia, iniciada

a conduo

Mdulo de ajuste de tempo:

o Consta, por ex., de resistores variveis que

modificam o tempo de carga dos capacitores e

portanto a temporizao desejada

Mdulo de sinalizao e comando:

o No qual diversos sinais de alarme e disparo do

disjuntor podem ser obtidos, aps a passagem

por circuitos de amplificao convenientes

Mdulo de alimentao

Rel de distncia esttico

Consistem em circuitos transistorizados que

desempenham funes lgicas e de temporizao.

Um exemplo de funo de temporizao mostrado nafigura:


85/127


Funcionamento:

Se uma entrada de 6ms ou mais se apresenta ao rel

ocorrer uma sada. Alm disso, mesmo depois de

removido o sinal de entrada, o sinal de sada permanece

durante 9ms.

Se o sinal de entrada tem durao inferior 6ms,

nenhum sinal de sada ocorrer.

Todos os tipos de caracterstica (ohm, mho, reatncia,etc.) so obtidas medindo-se o ngulo de fase entre duas

tenses.

No interior do rel as correntes so transformadas em

tenses por meio de transactors (transformador com ncleo

de ar que produz uma tenso secundria proporcional

corrente primria).

6 9ENTRADA SADA

6ms

9ms


86/127


A impedncia prpria do transactor (ZT) estabelece o

alcance da caracterstica.A unidade mho executa as medidas considerando

primeiramente as tenses de entrada senoidais em baixo

nvel, tal que as formas de onda se assemelhem a ondas

quadradas.

Suas partes positiva e negativa so separadas e aplicadas

a diferentes blocos de funes E.

H duas outras caractersticas que pode m ser obtidas a

partir da unidade mho, simplesmente variando-se o ajuste de

picape ou de atuao dos temporizadores; so as

caractersticas denominadas na literatura de:

Lente;

Tomate.


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Transformadores de Corrente - TCs

Conectam rels e/ou aparelhos de medidas aosistema de potncia

Basicamente constitudos de um ncleo de ferro,enrolamento primrio (geralmente o prprio condutor

primrio do sistema) e enrolamento secundrio

Adaptam a grandeza a ser medida s faixas de

utilizao da aparelhagem correspondente

Problema: saturao resultante das componentes DC

e AC da corrente de defeito requerem maior cuidado

que os TPs

Primrio

Secundrio


88/127


Caracterizao de um TC (ABNT) Corrente e relao nominais

Classe de tenso de isolamento nominal

Freqncia nominal

Classe de exatido nominal

Carga nominal

Fator de sobrecorrente nominal Limites de corrente de curta durao para efeitos

trmico e dinmico

Corrente e relao nominais Corrente nominal secundria = 5A (norma)

Correntes nominais primrias = 5, 10, 15, 20, 25,30, 40, 50, 60, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300,

400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1500, 2000, 3000,

4000, 5000, 6000 e 8000 A


Definida pela tenso do circuito ao qual o TC serconectado (tenso mxima de servio)

Freqncia nominal 50 e/ou 60 Hz


89/127


Classe de exatido Erro mximo de transformao esperado,

respeitando-se a carga permitida

TCs de proteo devem retratar com fidelidade as

correntes de defeito sem sofrer os efeitos da

saturao

Erro de ngulo de fase: geralmente desprezado

Circuito equivalente:

Onde:

I1

= valor eficaz da corrente primria (A);

I1 = corrente primria referida ao secundrio;

K = N2/N1 = relao de espiras secundrias para

primrias;

Z1 = impedncia do enrolamento primrio;

Z1 = idem, referida ao secundrio;

I1

I1 = I1/K

Z1 = K2.Z1

IO

Z

Z2

I2

ZCE2 V


90/127


I0 = I0/K = corrente de excitao referida ao

secundrio;Zm = impedncia de magnetizao referida ao

secundrio;

E2 = tenso de excitao secundria (V);

Z2 = impedncia do enrolamento secundrio (W);

I2 = corrente secundria (A);Vt = tenso nos terminais do secundrio (V);

Zc = impedncia da carga (W).

Curva de magnetizao

Obtida experimentalmente pelo fabricante

Relaciona E2 e IO

Permite determinar a tenso secundria a

partir da qual o TC comea a saturar (PJ)

ES

IO

EPJ

IPJ

10% EPJ

50% IPJ

Corrente deexcitao secundria

Tenso

deexcitao

secundria


91/127


Ponto de Joelho (PJ) definido como aquele

em que, para se ter aumento de 10% em E2,precisa-se aumentar 50% em IO .

Classificao - ABNT

Baseada na mxima tenso eficaz que pode

manter em seus terminais secundrios sem

exceder o erro IO/I

2especificado de 10 ou

2,5%.

Ex.: Seja um TC: B 2,5 F10 C100

- Baixa impedncia secundria

- Erro mx. de 2,5%

- Fator de sobrecorrente 10 In

- Capaz de alimentar a carga de

100VA

Portanto deve-se especificar a tenso

secundria mxima (E2 = ES) a partir da qual o

TC passa a sofrer os efeitos da saturao,

deixando de apresentar a preciso da suaclasse de exatido.

Carga nominal Zt = R + jX , Zt = ZC + Z2 + ZL

Catlogo Z2 e ZC

Deve-se adicionar a impedncia dos cabos ZL


92/127


Fator de sobrecorrente nominal Expressa a relao entre a mxima corrente com a

qual o TC mantm sua classe de exatido e a

corrente nominal

ABNT: 5, 10, 15 ou 20 In

Limite de corrente de curta durao para efeitotrmico

Valor eficaz da corrente primria que o TC pode

suportar por tempo determinado, com o

enrolamento secundrio curto-circuitado, sem

exceder os limites de temperatura especificados

para sua classe de isolamento. Geralmente maior ou igual corrente de

interrupo mxima do disjuntor associado.

Limite de corrente de curta durao para efeitomecnico

Maior valor eficaz de corrente primria que o TCdeve suportar durante determinado tempo, com o

enrolamento secundrio curto-circuitado, sem se

danificar mecanicamente, devido s foras

eletromagnticas resultantes.


93/127


Seleo de TCs pela curva de magnetizao Curva ES X IO fornecida pelo fabricante

Mtodo: construir curva mostrando a relao entre

as correntes primria e secundria para um tap e

condies de carga especificada.

Procedimento:a) Assumir um valor qualquer para IL (ou I2)

b) Calcular VS de acordo com a equao

VS = IL (ZC+Z2+ZL)

c) Localizar o valor de VS na curva para o tap

selecionado e encontrar o valor correspondente

da corrente de magnetizao Ie ou IO

d) Calcular IH = I1 = (IL + Ie)n referida ao lado

primrio

e) Obtido um ponto da curva IL X IH , repetir o

processo para obter outros valores de IL e IH

f) Depois de construda, a curva dever ser

checada para confirmar se a mxima corrente

primria de falta est fora da regio de

saturao do TC. Se no, repete-se o processo

mudando o tap do TC at que a corrente de falta

esteja contida na zona linear da caracterstica.


94/127


Precaues quando trabalhando com TCs Secundrio aberto sobretenses elevadas

o Alta tenso desenvolvida pela corrente primria

atravs da impedncia de magnetizao

Circuitos secundrios devem sempre ser fechados

ou curto-circuitados

Transformadores de Potencial TPs

Enrolamento primrio conectado em derivao com ocircuito eltrico

Enrolamento secundrio destinado a reproduzir atenso primria em nveis adequados ao uso em

instrumentos de medio, controle ou proteo

Posio fasorial substancialmente preservada

Caracterizao de um TP Tenso primria nominal e relao nominal

o ABNT: classes de isolamento de 0,6 a 440kV

o Tenses primrias nominais de 115V a 460kV

o Tenses secundrias de 115 ou 120V

o Seleciona-se a relao normalizada para uma

tenso primria igual ou superior a de servio


95/127



o Depende da mxima tenso de linha do circuito Freqncia nominal

o 50 ou 60Hz

Carga nominal

o Potncia aparente (VA) indicada na placa e com

a qual o TP no ultrapassa os limites de

preciso de sua classe

o ABNT: cargas de 12.5, 25, 50, 100, 200 e 400VA

Potncia trmica nominal

o Mxima potncia que o TP pode fornecer em

regime permanente, sob tenso e freqncia

nominais, sem exceder os limites de elevao de

temperatura especificados

o No deve ser inferior a 1,33 vezes a carga mais

alta do TP

TPs capacitivos Tamanho do TP proporcional tenso nominal

TP capacitivo soluo econmica

Menor preciso que o TP de ncleo de ferro

Divisor de tenso capacitivo

Impedncia XL varivel


96/127


o Minimiza a queda de tenso do circuito auxiliar

o Faz com que a tenso na carga esteja em fasecom a tenso do sistema

ZB

VP

C1

C2VC2 VS VB

XL

T


98/127

Marzio P. Pozzuoli

GE Power ManagementMarkham, Ontario, Canada

Utilities and manufacturers have been speculatingon the feasibility of a Universal Relay for a num-ber of years. The ultimate goal for a Universal

Relay, from both a technology and economic standpoint, isa unified, modular substation solution that can be net-worked and seamlessly integrated with existing hardwareand/or software regardless of the vendor or communica-tions network.

A key driving force behind the need for the UniversalRelay is implementation cost. By having a platform that isopen enough to keep pace with todays technology andmaintains the modularity and flexibility to allow for futureupgrades, utilities can not only preserve their intitial tech-nology investment, they can substantially reduce long-term

implementation costs in the substation environment. Nomore stranded relay investments.Although listing the attributes of a Universal Relay in

theoretical terms is a relatively easy task, for developers thechallenge has been in defining the necessary logisticalrequirements for the ideal Universal Relay. What buildingblocks are needed to make it as open as possible giventodays advancements in technology? How do you design arelay with the flexibility to cover every foreseeable protec-tion application - today and in the future?

As daunting a proposal as this may seem, one needonly look at the evolution of PC technology to see how thiscan be achieved. In just a few short years, the PC has

become the general purpose or universal tool and indis-pensable engine of the information age.

It is worthwhile to note the key concepts which havemade the PC a general purpose tool - i.e. a common hard-ware and software platform, a scalable, modular andupgradable architecture, and a common human-machine-interface (HMI) - are also the key requirements for a uni-versal relay.

However, until recently, an essential element that hasbeen missing from the Universal Relay equation is thedevelopment of a communication standard within the utili-ty industry. PC technology overcame that hurdle a numberof years ago to the point where PCs are so open, they can

function in virtually any environment, communicate withany other device on a network, and run almost any soft-ware application without the need for customized inter-faces or configurations.

The utility industry has now followed suit with thedevelopment of an international standard that is bringingthe Universal Relay to the forefront as the utilitys generalpurpose tool and indispensable engine of the substationenvironment.

*Universal Relayis a trademark of GE Power Management

Open Communications Protocols

In todays open systems the ability to share data seam-lessly through company-wide networks is the key to increas-ing efficiency and reducing costs as well as enhancingopen connectivity between a companys related functionalareas. This is especially true in the utility industry, whereorganizations have been grappling with a range of propri-etary hardware and software products that can be neitherintegrated nor upgraded at a reasonable cost and/oreffort. Special communications interfaces or gateways mustbe used to connect any new equipment to an existing datanetwork if a utility wants to expand beyond its proprietaryequipment.

The effort to achieve a common protocol that provideshigh-speed peer-to-peer communications as well as deviceinteroperability for substation automation is being drivenin North America by a select group of international utili-ties as well as the manufacturers. This is being done

through EPRI (Electric Power Research Institute) in con-junction with the relevant standards-related groups in theIEEE and IEC committees.

With the progress being made by EPRI in establishingopen-systems communication protocols, hardware and soft-ware from different vendors can be linked and progressive-ly integrated over time, thereby providing a means to cost-effectively upgrade as needs and technology develops.

The proposed solution for the substation is implement-ed based on existing standards. These standards includethe Manufacturing Message Specification (MMS) andEthernet as the data link and the physical layer. The intentis that the substation communication will be UCA (Utility

Communications Architecture)-compliant in order to elim-inate gateways, and allow maximum interconnectivityamong devices at minimum cost.

The development and increasing application of theproposed solution has the potential for saving millions ofdollars in development costs for utilities and manufactur-ers by eliminating the need for protocol converters (bothhardware and software) when integrating devices from dif-ferent manufacturers. Also because of the high-speed peer-to-peer communications LAN (local area network) a greatdeal of inter-device control wiring can be eliminated byperforming inter-device control signaling over the LAN.

UCA Version 2

EPRIs UCA Version 1 protocol was introduced in1991 and represented the first comprehensive suite ofopen communication protocols to meet the specific needsof the electric utility industry. In 1997, the new UCAVersion 2 standard substantially expands the versatility ofUCA by including internet compatibility and specifying acommon interface standard for electric, gas and water utili-ty systems.

UCA2, in being able to provide an interface to differ-ent vendors products, ensures that equipment from multi-

The Universal Relay - The Engine for Substation Automation


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ple sources can interface. In addition, it can support exist-ing and future network protocols.

EPRIs work to date in this area has established that anopen communication protocol allows utilities to improveoperating and business decisions based on real-time avail-ability of data, combine different local and wide areamedia with minimal modification costs, reduce systemimplementation time and cost through using standardizedutility devices and eliminate redundant storage, since infor-

mation can be accessed wherever it resides.With communication protocols well on their way tobecoming standardized, a major stumbling block to theUniversal Relay has been removed. It is now time for it tomove from the drawing board into the hands of the utilities.

The evolution of the relay

When GE Power Management embarked on an ambi-tious design program to develop a next generation familyof protection relays, it relied on the same concepts andtechnologies that have driven the desktop personal com-puter (PC) market to such phenomenal heights in terms of

performance and cost effectiveness to make it a generalpurpose or universal tool and the engine of the informa-tion age.

The aim of the program was to provide utilities with acommon tool for protection, metering, monitoring andcontrol across an entire power system, one that wouldserve as the universal engine for substation automation.

In order to understand where the technology standstoday, perhaps its best to look at the evolution and func-tionality of protective relays over the years.

IEEE defines a protective relay as a relay whose func-tion is to detect defective lines or apparatus or other powersystem conditions of an abnormal or dangerous nature and

to initiate appropriate control circuit action (IEEE 100-1984). This definition could best be classified as generalrather than universal in nature.

Traditionally, manufacturers of protective relay deviceshave produced different designs that are specific to theprotection of generation, transmission, distribution andindustrial equipment. This approach has its roots from thedays of electromechanical and solid-state relay designs,where the widely varying complexities associated with eachtype of protection had to be implemented in proprietaryhardware configurations. For example, there was a signifi-cant difference in cost and complexity between an overcur-rent relay used for feeder protection and a distance relay

used for protection of EHV (extreme high voltage) lines.This leads us to an essential requirement of a Universal

Relay. A Universal Relay must at minimum, be capable ofproviding protection for all the sectors of the power system- from simple overcurrent protection for feeders to high-speed distance protection for EHV lines. More importantly,it must offer a cost-effective solution for both.

Development milestones

One key contributor to the feasibility of the universalrelay design has been the advancements made in digital

technology and the evolution of microprocessors, as well asthe proliferation of numerical/digital relays within theindustry.

One only need look at the PC industry to see that thepower and performance of microprocessors have increaseddramatically while prices have decreased. In fact, the tech-nology is now at the point where the performance require-ments of a distance relay and the cost/performancerequirements of a feeder relay can be met by the same

microprocessor and digital technology.The proliferation of numerical relays, also has allowedmanufacturers to develop and perfect software for protec-tive relaying devices across a power system.

By leveraging the advancements of microprocessor anddigital technology, and combining those with the array ofexisting and proven software developments, the universalrelay becomes the logical outcome.

Just as the PC is a general-purpose tool that can per-form numerous tasks by running different application pro-grams on the same platform, so can a numerical relay builton a common platform become a general purpose or uni-versal protection device by running different protection

software for the apparatus being protected.As a general purpose tool, there are a number of

essential functional blocks that must be incorporated intothe design of a Universal Relay.

Universal Relay building blocks

Most modern numerical, microprocessor based relaysare comprised of a core set of functional blocks:

A. Algorithmic and control logic processing, usually per-formed by the main protection microprocessor and oftenreferred to as the CPU (central processing unit). Most

numerical relays have multiple processors for differentfunctions.

B. Power system current and voltage acquisition, usuallyperformed by a dedicated digital signal processor (DSP)in conjunction with an analog-to-digital data acquisitionsystem and interposing current and voltage transformers.

C. Digital inputs and outputs for control interfaces, usuallyrequired to handle a variety of current and voltage ratingsas well as actuation speed, actuation thresholds and differ-ent output types (e.g. Form-A, Form-C, Solid-State).

D. Analog inputs and outputs for interfacing to transducer

and SCADA (Supervisory Control & Data Acquisition) systems,usually required to sense or output dcmA currents.

E. Communications to station computers or SCADA systems,usually requiring a variety of physical interfaces (e.g.RS485, Fiber Optical, etc.) as well as a variety of protocols(e.g. Modbus, DNP, IEC-870-5, UCA 2.0, etc.)

F. Local Human Machine Interface (HMI) for local opera-tor control and device status annunciation.

G. Power supply circuitry for control power, usuallyrequired to support a wide range of AC and DC voltageinputs (e.g. 24-300 VDC, 20-265 VAC).


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The design of a universal relay requires an architecturethat can accommodate all of the above functional blocks ina modular manner and allow for scalability, flexibility, andupgradability in a cost effective manner for all applications.

The biggest challenge for relay designers is the costeffective manner. The risk they have faced in the past iscreating an architecture with all of the above attributeswhere the base cost of the platform is too high for themore cost sensitive applications such as feeder protection.

Today, this has been resolved as a result of cost reduc-tions inherent in the production of a common platformfor all applications. Like the PC industry, common compo-nents such as power supplies, network cards and disk dri-ves continue to drop in price, while delivering ever-increas-ing performance levels.

While protective relay production is nowhere near thevolume of PCs, a next generation relay platform based on amodular architecture which can accommodate all applica-tions will yield significant development and manufacturingcost reductions.

The Universal Relay Architecture

In defining what a Universal Relay needs to do, it isimportant to understand the architectural elements thatperform the above mentioned functions.

Modularity

On the hardware side, modularity is achieved througha plug-in card sys-tem similar to thatfound in program-mable logic con-trollers (PLCs) as

well as PCs. A keyelement in thesuccessful perfor-mance of such asystem is the high-speed parallel buswhich provides themodules with acommon powerconnection andhigh-speed datainterface to themaster processor

(CPU) as well asto each other.Figure 1 showssuch a system withall the core func-tional blocksimplemented asmodules.

Figure 2 rep-resents a physicalrealization of themodular architec-

ture used in the design of GE Power ManagementsUniversal Relay - a 19-inch rack-mount platform, 4 rackunits in height, capable of accepting up to 16 plug-in mod-ules.

Modules plug into a high-speed data bus capable of

data transfer rates as high has 80 Mbytes/sec. Thehigh-speed bus should be completely asynchronous,thus allowing modules to transfer data at rates appro-priate to their function. This is crucial in order tomaintain a simple, low-cost interface for all modules.

The bus should be capable of supporting both paral-lel and serial high-speed communications simultane-ously (up to 10Mbps serial) which allows those mod-ules which must transfer data as quickly as possible touse the high-speed parallel bus (80 Mbytes/sec),while others can use the serial bus to avoid communi-cation bottlenecks.

One of the key technical requirements of such asystem for protective relaying applications is that themodules must be capable of being completely drawnout or inserted without disturbing field wiring whichis terminated at the rear of the unit (see Figure 3).

Modularity can also be applied at the sub-mod-

High-Speed Data Bus

P C D D A CO P S I N O

W U P G A M

E I I M

R O O S

LED modules

Displaymodule

Keypad

moduleMODULAR HMI

POWER= Power Supply Mode

CPU = Main Microprocessor Module

DSP = Digital Signal Processor & Magnetics

DIGIO = Digital Input/Output Module

ANAIO = Analog I/O Module

COMMS = Communications Module

Figure 1 - System configuration showing a high-speed databus and modules with a common power connection and high-speed data interface to the zcpu.

Figure 2- A working example of the modular architecture found in aUniversal Relay.

Figure 3- Plug-in modules can beremoved or inserted without dis-turbing wiring.


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ule level (Figure 4). Configurable input/output (I/O)combinations can accept plug-in sub-modules, whichmeans that each sub-module can be configured for virtual-ly any type of I/O interface desired, to meet both presentand future demands. This gives the relay a universal inter-face capability.

Scalability and flexibility

A modular architecture of this type allows for bothscalability and flexibility. In particular, scalability is foundin the ability to configure the relay from minimum to max-imum I/O capability according to the particular require-ments. The flexibility lies in the ability to add modules con-figured with the desired sub-module I/O. This allows formaximum flexibility when interfacing to the variety of con-trol and protection applications in the power system(Figure 5).

Upgradability and Enhancements

Another obvious benefit of this architecture is the abil-ity of users to upgrade or enhance their relay simply byreplacing or adding modules. For example:

* Upgrading from a twisted pair copper wire communi-cations interface to high-speed fiber optics communi-cations.

* Enhancing a transformer protection application

by adding an Analog I/O (ANIO) module with thesub-modules to detect geomagnetic induced currents,sense and adapt to tap-position, perform on-load tap-changer control, or detect partial discharge activity.

* Upgrading the CPU module for more powerfulmicroprocessor technology allowing for more sophisti-cated and protection algorithms (e.g. Fuzzy Logic,Neural Networks, Adaptive).

* Enhancing the metering capability of the relay byadding a second DSP module with current and voltagetransformer sub-modules capable of revenue classmetering accuracy.

* Enhancing the control capabilities by adding a DigitalI/O (DIGIO) module with customized labeling to cus-tomize the reporting of events.

* Enhancing the HMI capabilities by adding an LEDmodule with customized labeling to customize eventreporting.

Modular Software

Scalability and flexibility issues are not exclusive tohardware.

Software must be able to support the same features. Infact, the software has its own form of modularity based onfunctionality. These include:

* Protection elements

* Programmable logic and I/O control

* Metering

* Data and Event capture/storage

* Digital signal processing

* HMI control

* Communications

The key advancement in software engineering that hascome to dominate the software industry is Object OrientedProgramming and Design (OOP/OOD). This involves theuse of objects and classes. By using this concept one cancreate a protection class and objects of the class such asTime Overcurrent (TOC), Instantaneous Overcurrent(IOC), Current Differential, Under Voltage, Over Voltage,Under Frequency, Distance Mho, Distance Quadrilateral,etc. These represent software modules that are completelyself-contained or encapsulated (Figures 6a and 6b).

The same can be done for metering, programmablelogic and I/O control functions, HMI and communica-tions or, for that matter, any functional entity in the system.

Therefore, the software architecture is able to offerFigure 5- An example showing minimum and maximum moduleI/O capability.

Figure 4- Configurability at a sub-module level.


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scalability andflexibility: scal-ability in thatthe number ofobjects in anapplication arescalable (e.g.multiple IOCelements); flex-

ibility in thatobjects can becombined tocreate customcombinationsto suit theapplication(e.g. TOC,IOC, Distance

Underfrequency and Directional IOC).In combining these attributes - modularity, scalability,

flexibility, upgradability and modular software - the capabil-ity is there to run a wide variety of applications on a com-mon platform. Figure 7 shows the concept of a common

platform Universal Relay capable of running multipleapplications.

The benefits

Overall, theability to standard-ize on one hard-ware configura-tion that canaddress the major-ity of specificapplications is a

major potentialbenefit to users.As a common plat-form, theUniversal Relaycan be used torun any variety ofthe appropriateapplication soft-ware.

Standardizingon a common

platform also potentially reduces engineering and commis-sioning costs through simplified wiring diagrams, reduceddrafting expenses, simplified commissioning and test pro-cedures, as well as reduced learning time when applyingthe device to different applications.

The key element which results from a common plat-form approach in simple terms is that of a common lookand feel across the entire family of applications - the idealscenario for substation automation.

The Universal Relays role in substation automation

As mentioned earlier, utilities worldwide have beenclamoring for a standard that will allow different devicesfrom different manufacturers to communicate with a com-mon protocol and to interoperate. Now that the standardissue is being resolved, one can look to add value by net-working protective relaying devices. This is achieved byleveraging their ability to communicate among themselves(i.e. peer-to-peer) and to the station interface.

Since the Universal Relay offers a modular hardwareand software architecture that is scalable, flexible, and

upgradable, as well as advanced peer-to-peer communica-tions, it can accommodate the requirements of any substa-tion automation proposal.

In addition, the configurable object oriented softwarecan handle both new and legacy communications proto-cols, which means a Univeral Relay can coexist in todaysenvironments, as well as handle any future migration toEthernet or other future technology without incurring thesignificant investments normally associated with systemconversions or upgrades.

As performance and functional requirements evolve totake advantage of the new possibilities brought about byhigh-speed peer-to-peer communications the Universal

Relay can just as easily evolve to remain in-step with usersrequirements and budgets.

FiberOpticHub #1

FiberOpticHub #2

DISTANCERELAY

LINEDIFFERENTIAL

T RA NS FOR ME R F EE DE R C ON TR OL LE R

ROUTER

HUBBRIDGE

OTHERVENDORS

IEDs

WANENTERPRISENETWORK

Figure 8- Schematic of entire Universal Relay setup, from workstation to relays.

Protection

Metering

Control

HMI

Comms

DSP

CLASSES

Application Software

CommonCore

Software

TOC

IOC Distance

Differential

Frequency

Volts/Hz

etc.

Protection Class

Objects

Figures 6a and 6b - TheOOP/OOD concept uses objectsand classes to create self-con-tained software modules.

Figure 7- The elements of the Universal Relayplatform

SUBSTATION AUTOMATION USING

EPRI MMS/ETHERNET & GEPM IEDS


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PROTEO RPIDA DE LINHAS DE TRANSMISSO COM O USO DE EQUAES DIFERENCIAIS

RENATA ARARIPE DE MACDO1 DENIS VINICIUS COURY2

Departamento de Engenharia Eltrica

Escola de Engenharia de So Carlos - ESSC-USPCP 359 - CEP 13560-970 FONE: (016) 273-9363FAX (016)273-9372 So Carlos - SP

[email protected] [email protected]

RESUMO Este trabalho apresenta uma implementao de proteo rpida para linhas de transmissode alta tenso. O algoritmo proposto calcula a distncia em que a falta ocorreu na linha atravs daequao diferencial da mesma. A determinao numrica da distncia da falta feita pelo clculo dosparmetros de linha, ou seja, a sua resistncia e indutncia. Para este esquema, as tenses e correntestrifsicas foram empregadas como entradas. O software Alternative Transients Program - (ATP) usado para gerar os dados referentes a uma linha de transmisso (440 kV) em condies de falta. Oobjetivo dos testes foi demonstrar que o algoritmo converge em menos de dois ciclos e que podeanalisar corretamente vrias situaes de faltas sobre a linha de transmisso protegida. Os resultadosutilizando-se da tcnica proposta demonstram que o mtodo apresenta bastante preciso e rapidez noclculo da distncia da falta para efeitos de proteo.

ABSTRACT- This work presents a proposal for fast protection of high voltage transmission lines. Theproposed algorithm calculates the distance that the fault occurred in the line through its differentialequation. The numerical determination of the fault distance is made through the calculation of the lineparameters: its resistance and inductance. For this scheme, the three-phase voltage and current signalswere used as inputs. The software Alternative Transients Program - (ATP) was used to generate the

data related to the transmission line (440 kV) in faulted condition. The objective of the tests was toprove that the algorithm converged in less than two cycles, analyzing several situations of faultscorrectly on the protected line. Results using the technique demonstrate that the method presents highprecision in the calculation of the fault distance for protection purposes.

Key Words - System Protection, Digital Protection, Differential Equation.

1 Introduo

A funo do sistema de proteo detectar faltas oucondies anormais no sistema eltrico de potncia, e

remov-las o mais rpido possvel. Este sistema deveretirar de operao apenas o elemento sob falta, visandoa continuidade do fornecimento de energia eltrica. Ainterrupo no fornecimento de energia eltrica deveento ser minimizada ou, se possvel, evitada. Dentre ascaractersticas mais desejveis de um sistema deproteo destacam-se: rapidez, seletividade,sensibilidade e confiabilidade.

O rel o dispositivo lgico do sistema de proteo.Este detecta as condies anormais, e inicia sua operaopara a abertura ou no dos disjuntores adequados, a eleassociados. O rel deve ser capaz de estabelecer umalgica entre os parmetros do sistema e tomar uma

deciso correta de abertura. Os parmetros que mais

comumente refletem a presena da falta no sistema soos sinais de tenso e corrente, obtidos nos terminais dorel. Normalmente estes parmetros so usados em relsde distncia na proteo de linhas de transmisso. Estescalculam a impedncia aparente entre a localizao do

rel e a falta. Como a impedncia por quilmetro dalinha de transmisso considerada constante, atravs doclculo da impedcia aparente, o rel aponta a distnciada falta na linha.

A escolha do algoritmo mais adequado para aproteo est , dentre outras coisas, baseada no tempo noqual o algoritmo leva para extinguir a falta no sistema.Este deve ser o menor possvel reduzindo, assim, apossibilidade de instabilidade transitria do sistema,danos aos equipamentos e riscos pessoais.

Este trabalho apresenta o desenvolvimento de umalgoritmo baseado na modelagem do sistema detransmisso por meio de equaes diferenciais,

formuladas atravs dos parmetros resistncia e


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indutncia da linha de transmisso a ser protegida. Nestaabordagem no necessrio que a entrada do algoritmoseja puramente senoidal, admitindo a presena deharmnicos e componentes CC presentes na linha comoparte da soluo do problema, quando da ocorrncia deuma falta ou algum distrbio no sistema.

Os fundamentos tericos utilizados para odesenvolvimento do algoritmo so citados na literaturaem trabalhos de Phadke & Thorp (1994), e por Johns &Salman. (1995). Outros trabalhos podem ser citadoscomo referncias: Mann & Morrison (1971), sugeriramum algoritmo para o clculo da impedncia da linhabaseado na predio dos valores de pico das formas deonda de tenso e corrente de entrada. Ranjbar & Cory(1975), propu

apostila-protecao-sel354-2003

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