C.S.T. EM SISTEMAS ELÉTRICOS
GABRIEL BERBERT MOLINA
RAFAEL NUNES SILVA
ELEMENTOS DE PROTEÇÃO E AUTOMAÇÃO DE SUBESTAÇÃO
Campos dos Goytacazes
2014
GABRIEL BERBERT MOLINA
RAFAEL NUNES SILVA
ELEMENTOS DE PROTEÇÃO E AUTOMAÇÃO DE SUBESTAÇÃO
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao
Instituto Federal Fluminense, Campus Centro,
como requisito parcial para obtenção de grau de
Tecnólogo em Sistemas Elétricos.
Orientador: Prof. José Claudio Ribeiro Barreto
Coorientador: Prof. Leonardo Carneiro Sardinha, M.Sc*
Campos dos Goytacazes
2014
GABRIEL BERBERT MOLINA
RAFAEL NUNES SILVA
ELEMENTOS DE PROTEÇÃO E AUTOMAÇÃO DE SUBESTAÇÃO
Trabalho de conclusão de curso apresentado ao
Instituto Federal Fluminense, Campus Centro,
como requisito parcial para obtenção de grau
de Tecnólogo em Sistemas Elétricos.
Aprovada em de de 2014
Banca Avaliadora:
............................................................................................
José Claudio Ribeiro Barreto (orientador)
Instituto Federal Fluminense – Campus Campos Centro
............................................................................................
Leonardo Carneiro Sardinha, M.Sc* (coorientador)
Instituto Federal Fluminense – Campus Campos Centro
............................................................................................
Laurentino Paulo de Souza
Instituto Federal Fluminense – Campus Campos Centro
............................................................................................
Carlos Alberto Gomes Viana, M.Sc*
Instituto Federal Fluminense – Campus Campos Centro
Dedicamos o desenvolvimento deste trabalho, aos
nossos familiares, professores e amigos.
AGRADECIMENTOS
A Deus, por me dar sabedoria e por estar ao meu lado em todos os dias da minha vida, me
dando o suporte necessário para perseverar e vencer. E acima, de tudo, pelo dom da vida.
À minha família que me apoiou e ajudou durante todos esses anos de formação, com carinho e
amor, disposta a enfrentar tudo por mim.
À minha esposa, Rafaella, por me ajudar em todos os momentos, me apoiando, incentivando e
se preocupando com meu sucesso.
Aos professores Marco Antônio, José Cláudio e Leonardo Sardinha que nos incentivaram a
crescer e a ultrapassar as nossas limitações.
Rafael Nunes Silva
À minha família que sempre acreditou no meu potencial e me incentivou durante todo o
curso.
À minha mãe, Marília Berbert, ao meu pai, Manuel Molina e ao professor, Marco Antônio que
contribuíram de forma significativa para o desenvolvimento deste trabalho.
Ao orientador, José Claudio e ao coorientador, Leonardo Sardinha, que sempre se
disponibilizaram para tirar nossas dúvidas.
Aos meus amigos, que sempre incentivaram e ajudaram, mesmo que de forma indireta, o
desenvolvimento deste trabalho.
Gabriel Berbert Molina
“A ciência é, portanto, uma perversão de si mesma,
a menos que tenha como fim último, melhorar a
humanidade.”
Nikola Tesla
RESUMO
O avanço tecnológico alcançado nas últimas décadas no setor de comunicação permitiu à
sociedade mundial realizar a transmissão e permuta de informações não apenas de forma
eficiente, mas em tempo real. Todo este processo é dependente do desenvolvimento de
equipamentos eletroeletrônicos cada vez mais sofisticados, mas nenhum progresso seria
possível sem o indispensável investimento no sistema de energia elétrica. No Brasil, visando a
imprimir qualidade e eficiência no atendimento aos usuários, as concessionárias vêm
adotando tecnologias avançadas para aprimorar os equipamentos do Sistema Elétrico de
Potência (SEP). No presente trabalho de conclusão de curso procurou-se enfatizar a
importância de um SEP de alta confiabilidade e desempenho na oferta e distribuição de
energia elétrica, e que permita a segurança do trabalhador nas atividades desenvolvidas no
setor elétrico. Para isso, deve-se ter o controle sobre as falhas no sistema elétrico em geral e
principalmente nas subestações aplicando técnicas de automação, que se baseiam no controle
à distancia dos equipamentos e monitoramento em tempo real dos parâmetros elétricos. O
objetivo geral foi apresentar os principais equipamentos empregados nas subestações e suas
funções, enfatizando-se aqueles envolvidos no sistema de proteção e automação. Neste
contexto, foram apresentadas as características e funcionamento do relé digital, que consiste
no equipamento mais importante para a proteção do sistema elétrico automatizado, uma vez
que é responsável pela supervisão e controle dos equipamentos de operação e pela ligação
com o sistema supervisório. Estes relés, diferentemente de seus antecessores, o
eletromecânico e o estático, caracteriza-se por exercer as funções de proteção, medição e
predição e, dentre suas vantagens estão as de propiciar maior velocidade, melhor
acessibilidade, interfaceamento amigável, acesso remoto e armazenamento de informações.
Foi apresentado um exemplo de um sistema de automatizado de proteção para uma subestação
hipotética, demostrando-se as funções de proteção desempenhadas por modelos de relés
digitais comerciais provenientes de um fabricante que apresenta alta aceitação no mercado.
Palavras Chave: Sistema Elétrico de Potência. Falhas. Subestações. Automação.
Equipamentos. Controle. Relé Digital. Supervisão. Sistema Supervisório. Funções de
Proteção
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Disjuntor de potência 15
Figura 2 - Esquema básico de um TC 19
Figura 3 - Esquema básico de um TP 19
Figura 4 - Pára-raio de carboneto de silício (A) e de oxido de zinco (B) 21
Figura 5 - Chave fusível 21
Figura 6 - Configuração de um relé eletromecânico 23
Figura 7- Modelos de relés estáticos 24
Figura 8 - Evolução cronológica dos relés de proteção 24
Figura 9 - Exemplos de relés digitais de proteção 26
Figura 10 - Representação lógica dos Relés de proteção 26
Figura 11 - Diagrama de ligação entre relés e equipamentos da SE 27
Figura 12 - Subsistemas de um relé digital e seus componentes básicos 31
Figura 13 - Unidade digital do relé 32
Figura 14 - Esquema de supervisório utilizando CLP 33
Figura 15 - Exemplo da tela de um supervisório 34
Figura 16 - Concentrador de dados e conversor de protocolos, interface para o SCADA e acesso de engenharia
35
Figura 17 - Subestação genérica de distribuição 38
Figura 18 - Proteção de barramento com relé SEL-487B indicando as funções de proteção
43
Figura 19 - Proteção do transformador (T1 e T2) com relé SEL-387A indicando as funções de proteção
45
Figura 20 - Proteção dos alimentadores com relé SEL-351A indicando as funções de proteção
45
Quadro 1 - Tabela ANSI 39
ABREVIATURAS
A/D Do inglês Analogic/Digital (Analógico/Digital)
CPU Unidade Central de Processamento
D/A Do inglês Digital/Analogic Conversor (Conversor Digital-Analógico)
D/I Do inglês Data In (Entrada de Dados)
D/O Do inglês Data Out (Saída de Dados)
EEPROM Do inglês Electrically Erasable Programmable Read Only Memory (Memória
Somente de Leitura Programável Apagável Eletricamente)
ESM Do inglês Energy Management System (Sistema de Gerenciamento de Energia)
IEC Do inglês International Electrotechnical Commission (Comissão Eletrotécnica
Internacional)
IED Do inglês Intelligent Eletronic Device (Dispositivo Eletrônico Inteligente)
LAN Do inglês Local Area Network (Rede de Área Local)
SAS Sistema de Automação de Subestação
SCL Linguagem de Configuração de Subestação
SSC Sistema de Supervisão e Controle
TC Transformador de Corrente
TP Transformador de Potencial
UAC Unidade de Aquisição de Dados e Controle
SE Subestação
SEL Schweitzer Engineering Laboratories
SEP Sistema Elétrico de Potência
kVA Kilo Volt Àmpere
CI Circuito Integrado
SCADA Do inglês Supervisory Control And Data Acquisition (Sistemas de Supervisão
e Aquisição de Dados)
CLP Controlador Lógico Programável
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO 11
2. OBJETIVOS 13
3 CLASSIFICAÇÃO DAS SUBESTAÇÕES 14
4 EQUIPAMENTOS DE UMA SUBESTAÇÃO 14
4.1 DISJUNTOR 14
4.1.1 Arco elétrico 15
4.1.2 Tipos de disjuntores 15
4.1.2.1 SF6 16
4.1.2.2 Sopro Magnético 17
4.1.2.3 A Óleo 17
4.2 TRANSFORMADOR DE POTÊNCIA 17
4.2.1 Classificação quanto ao meio isolante 18
4.3 TRANSFORMADOR DE CORRENTE 18
4.4 TRANSFORMADOR DE POTENCIAL 19
4.5 CHAVE SECCIONADORA 20
4.6 PÁRA-RAIOS A RESISTOR NÃO LINEAR 20
4.7 CHAVE FUSÍVEL 21
4.8 CONDUTORES ELÉTRICOS 22
5 RELÉS DE PROTEÇÃO 22
5.1 EVOLUÇÃO DOS RELÉS DE PROTEÇÃO QUANTO A TECNOLOGIA
CONSTRUTIVA
22
5.1.1 Relé Eletromecânico 23
5.1.2 Relés Estáticos 23
5.1.3 Relés Digitais 25
5.1.3.1 Funcionamento 26
5.1.3.2 Elementos de Indicação e Operação 28
5.1.3.3 Subsistemas 30
6 SISTEMA SUPERVISÓRIO 33
6.1 CLP – CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL 34
6.2 PLATAFORMA COMPUTACIONAL 35
6.2.1 Características do SEL 3354 36
7 NORMA 61850 36
7.1 PADRÃO DE COMUNICAÇÃO 37
8 PROTEÇÃO E AUTOMAÇÃO DA SUBESTAÇÃO: EXEMPLO DE CASO 37
8.1 APLICAÇÃO DOS RELÉS DE PROTEÇÃO 38
8.1.1 Proteção de Barramento 42
8.1.2 Proteção dos Transformadores 43
8.1.3 Proteção dos Alimentadores 45
9 CONCLUSÕES 46
10 REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS 47
11
1. INTRODUÇÃO
Vivemos o cotidiano de um mundo globalizado, no qual o avanço tecnológico torna
cada vez maior a dependência da sociedade por equipamentos eletroeletrônicos que atendam a
necessidade de comunicação plena e em tempo real. Para tornar possível a difusão de dados e
a troca de informações de maneira eficaz e eficiente é necessário, no entanto, investir em um
fator que é indispensável ao funcionamento de todo o processo: a energia elétrica.
Ao longo do tempo, o aumento da demanda de energia elétrica no Brasil exigiu das
concessionárias uma evolução na forma de ministrar a eletricidade, visando a atender os
consumidores de modo confiável, eficiente e com o mínimo de paralisações. Para viabilizar
este processo, foi necessário desenvolver técnicas mais avançadas e investir em tecnologias
para aprimorar os equipamentos do Sistema Elétrico de Potência (SEP). Entende-se por
Sistema Elétrico de Potência, de acordo com Tortelli (2009), o conjunto de equipamentos que
opera de maneira coordenada com a finalidade de fornecer energia elétrica aos consumidores,
dentro de certos padrões de qualidade (confiabilidade, disponibilidade), segurança e custos, e
com o mínimo impacto ambiental.
Um dos elementos mais importantes do SEP é a subestação (SE). Esta é definida como
o conjunto de condutores, aparelhos e equipamentos destinados a modificar as características
da energia elétrica (tensão e corrente), permitindo sua distribuição aos pontos de consumo em
níveis adequados de utilização (Mamede Filho, 2010, p.422). Dentre estes equipamentos
destaca-se o relé, devido a sua importância no controle e na proteção do sistema elétrico. O
relé de proteção é um dispositivo elétrico que é projetado para interpretar as condições de
entrada na forma prescrita e, após as condições especificadas serem satisfeitas, responder para
causar a operação do contator ou mudanças abruptas semelhantes associadas aos circuitos
elétricos de controle (Anderson, 1998).
O avanço da tecnologia permitiu uma significativa evolução dos relés, possibilitando a
criação dos relés digitais. Diferentemente de seus antecessores, o relé digital é caracterizado
por exercer três diferentes funções: Proteção, Medição e Predição. As funções de proteção são
aquelas que monitoram as falhas e atuam em tempo muito rápido. São dotadas de larga faixa
de medição, atuando em valores que podem atingir 20 vezes a grandeza nominal. As funções
de medição são aquelas que exercem a supervisão do sistema elétrico. Algumas medições são
registradas diretamente pelo relé, tais como tensão e corrente, enquanto outras são obtidas
através de cálculos numéricos, tais como potência e fator de potência. As funções preditivas,
por sua vez, são aquelas que realizam as medições cumulativas de determinadas grandezas,
12
tais como a duração do tempo de apuração e o número de operações de um disjuntor
(Mamede Filho e Mamede, 2011 p.17).
O presente trabalho irá retratar os principais equipamentos de uma subestação, com
ênfase para os relés digitais e destaque para os aspectos relativos à sua função de proteção do
sistema. Serão também abordadas as particularidades de um sistema supervisório e as
premissas básicas da Norma IEC 61850. Finalmente, será apresentado um estudo de caso
demonstrando a aplicação de um sistema de proteção em uma subestação.
13
2. OBJETIVOS
Geral
O objetivo geral do trabalho é apresentar uma revisão sobre os equipamentos
empregados em subestações, suas particularidades e principais funções, enfocando os
dispositivos envolvidos no sistema de proteção e automação.
Específicos
Definir e apresentar as principais características dos relés digitais, com ênfase para sua
função de proteção do sistema;
Apresentar o sistema supervisório e sua importância no processo de automação, bem
como as premissas da Norma IEC 61850;
Apresentar um estudo de caso demonstrativo de um esquema de proteção em uma
subestação hipotética, indicando dispositivos de atuação de marca comercial
conceituada.
14
3. CLASSIFICAÇÃO DAS SUBESTAÇÕES
Segundo Dualibe (1999), as subestações podem ser classificadas quanto a sua função
no sistema elétrico. São elas: subestação transformadora e subestação seccionadora, de
manobra ou de chaveamento.
a) É aquela que converte a tensão de suprimento para um nível diferente, maior ou
menor, sendo designada, respectivamente SE Transformadora Elevadora e SE
Transformadora Abaixadora.
b) É aquela que interliga circuitos de suprimento sob o mesmo nível de tensão,
possibilitando a sua multiplicação. É também adotada para possibilitar o
seccionamento de circuitos, permitindo a sua energização em trechos sucessivos de
menor comprimento (Dualibe,1999).
4. EQUIPAMENTOS DE UMA SUBESTAÇÃO
Para que a energia chegue de forma satisfatória para o consumidor, alguns parâmetros
elétricos devem ser controlados. Para isso, faz-se necessária a aplicação de alguns
equipamentos, dentre eles: disjuntor, transformador de potência, transformador de corrente
(TC), transformador de potencial (TP), chaves seccionadoras, para-raios, chave fusível e
condutores elétricos. O relé digital, cuja importância será enfatizada neste trabalho será
apresentado em separado (Item 5).
4.1 DISJUNTOR
Os disjuntores são equipamentos de proteção e manobra cuja finalidade é interromper
ou não permitir o reestabelecimento das correntes elétricas num determinado ponto do
circuito. De acordo com Mamede Filho (2005, p. 403), o disjuntor é um dispositivo de
proteção quando acompanhado da aplicação dos relés respectivos, que são os elementos
responsáveis pela detecção das correntes elétricas do circuito que, após analisadas por
sensores previamente ajustados, podem enviar ou não a ordem de comando para sua abertura.
Na Figura 1, que mostra o corte longitudinal de um disjuntor, podem ser vistas suas partes
principais.
15
Figura 1: Disjuntor de potência. Fonte: ABB (2014)
Segundo a empresa Scheider-Eletric (2012), são funções básicas do disjuntor: (i)
proteger os cabos contra sobrecargas e curtos-circuitos; (ii) permitir o fluxo normal da
corrente sem interrupções; (iii) abrir e fechar o circuito à intensidade nominal; e, (iv) garantir
a segurança da instalação e dos utilizadores.
4.1.1. Arco Elétrico
Arco elétrico é definido como a interrupção da passagem da corrente elétrica por um
condutor ou quando os elétrons rompem o dielétrico (resistência elétrica) do ar e a corrente
elétrica passa através do ar atmosférico, dissipando grande quantidade de energia, que é
transformada em calor, luz e som, no meio onde se propaga. De acordo com Mamede Filho
(2005, p. 403) trata-se de
[...] Um fenômeno que ocorre quando se separam dois terminais de um
circuito que conduz determinada corrente de carga, de sobrecorrente ou de
defeito. Pode ser definido também como um canal condutor, formado num
meio fortemente ionizado, provocando um intenso brilho e elevando,
consideravelmente, a temperatura do meio em que se desenvolve.
16
4.1.2. Tipos de Disjuntores
Os disjuntores diferem entre si pelo modo como o arco elétrico é extinto. Os principais
disjuntores aplicados em subestações são apresentados a seguir.
4.1.2.1 - SF6
Os disjuntores SF6 recebem este nome por utilizarem o gás hexafluoreto de enxofre
para a extinção do arco elétrico. Existem algumas técnicas de utilização deste disjuntor, que
são descritas como:
a) Dupla Pressão:
Esta técnica consiste na utilização de dois vasos de pressão durante o processo de
funcionamento do disjuntor. Segundo Mamede Filho (2005 p.418):
Quando este inicia o processo de abertura, é liberada de um vaso de alta
pressão, da ordem de 16 Kg/cm², certa quantidade de SF6 dirigida sobre a
região dos contatos. Logo em seguida, o gás é levado ao vaso de baixa
pressão, da ordem de 3 Kg/cm². Depois, o SF6 é bombeado para de alta
pressão.
Atualmente, essa técnica está em desuso pelo fato deste sistema ser de baixa
confiabilidade. Segundo Dualibe (1999), o SF6 tem tendência a liquefazer a temperatura
ambiente quando comprimido, o que torna necessária a instalação de aquecedores nos vasos
de alta pressão, com consequente aumento da complexidade do equipamento e redução da
confiabilidade.
b) Autocompressão:
Esta técnica consiste na utilização de apenas um vaso de pressão, também denominada
pressão única, ou ainda impulso. Este sistema é descrito como:
Quando o disjuntor atua, o deslocamento do êmbolo, em cuja extremidade
encontra-se o contato móvel, pressiona o SF6, no interior do vaso, onde o
gás é forçado a penetrar na região dos contatos, atingindo o arco de forma
transversal, roubando calor e o extinguindo-o rapidamente (Mamede Filho,
2005, p.418, 419).
De acordo com Dualibe (1999), os disjuntores de pressão única apresentam projeto
mais simples que o de dupla pressão e dispensam a instalação de aquecedores para impedir a
liquefação do SF6, sendo consequentemente mais econômicos e mais confiáveis.
17
c) Arco Girante
Este sistema pode ser descrito como:
Quando o disjuntor atua e os contatos se separam, forma-se um arco entre
eles que produz um campo magnético agindo sobre o próprio arco, fazendo-
o movimentar-se num percurso anular no interior da câmara de SF6. Neste
momento, a corrente a ser interrompida passa a ser conduzida por uma
bobina ligada em série com o contato de arco fixo e que é envolvida pelo
contato principal fixo no disjuntor (Mamede Filho, 2005, p. 419).
De acordo com Mamede Filho (2005 p. 419), a construção da bobina proporciona uma
elevada velocidade no deslocamento do arco, resfriando-o de maneira eficiente e quanto
maior for à intensidade da corrente, maior será o seu resfriamento.
4.1.2.2 - Sopro Magnético
Os disjuntores de Sopro Magnético, segundo Mamede Filho (2005 p. 414), utilizam o
princípio da força eletromagnética para conduzir o arco elétrico a uma câmara de extinção,
onde o arco é dividido, desionizado, resfriado e extinto.
4.1.2.3 - A Óleo
Neste equipamento os contatos do disjuntor a óleo estão imersos em óleo mineral
isolante, o qual impede o restabelecimento do arco elétrico, resfriando-o. Sua aplicação é vista
em subestações de pequeno e médio porte. Mamede Filho (2005 p. 409) cita os motivos da
sua forte presença no mercado, devido a seu custo reduzido, robustez construtiva,
simplicidade operativa e reduzidas exigências de manutenção.
4.2. TRANSFORMADOR DE POTÊNCIA
É um equipamento muito importante em uma subestação de distribuição, pois ele é o
responsável por controlar a energia das linhas de transmissão em valores de kVA, elevando ou
abaixando a tensão, ou seja, mudando os parâmetros de corrente e tensão que se deseja
trabalhar.
Transformador é um equipamento de operação estática que por meio de
indução eletromagnética transfere energia de um circuito, chamado primário,
para um ou mais circuitos denominados, respectivamente, secundário e
18
terciário, sendo, no entanto, mantida a mesma frequência, porém com
tensões e correntes diferentes (Mamede Filho 2005, p. 448).
A operação desse equipamento se dá por três formas:
Operação a vazio - quando o transformador está energizado, mas não existe
nenhum consumo de energia (carga) ligado ao circuito secundário;
Operação em carga - quando existe uma carga consumindo energia do
secundário;
Operação em curto-circuito - quando o secundário é ligado a um circuito de
impedância desprezível e a tensão nos terminais seja nula. Isso provoca perdas
nos enrolamentos de cobre do transformador.
4.2.1 Classificação Quanto ao Meio Isolante
Os transformadores são classificados quanto ao meio isolante em dois grandes grupos,
são eles: transformadores em líquido isolante e transformadores a seco.
a) Transformadores em líquido isolante: são empregados de modo generalizado em
sistemas de distribuição e força e em plantas industriais comuns. Três tipos de líquidos
isolantes são usados em transformadores: óleo mineral, silicone e ascarel. O uso deste
último foi proibido em território nacional;
b) Transformadores a seco: são empregados mais especificadamente em instalações
onde o perigo de incêndios for eminente, ou seja, em locais onde seja exigido um nível
maior de segurança contra explosões de inflamáveis. São equipamentos que têm um
custo muito elevado comparado aos isolados por líquidos isolantes. As bobinas podem
ser enroladas de forma que os fios de cobre sejam revestidos por fios de fibra de vidro
impregnados em epóxi ou podem ser usados os enrolamentos colocados em moldes e
aplicando epóxi, dosado com sílica e talco, sob vácuo, para eliminar as bolhas e selar a
bobina.
4.3. TRANSFORMADOR DE CORRENTE
A finalidade dos transformadores de corrente (TC’s) é intermediar a conexão entre os
valores diretos de corrente alternada em circuitos de alta tensão e instrumentos de medição,
controle e proteção (Caminha, 1977). A Figura 2 ilustra o esquema de ligação.
19
Figura 2: Esquema básico de um TC. Fonte: Dualibe (1999).
4.4. TRANSFORMADOR DE POTENCIAL
Autores como Mamede Filho e Mamede (2011, p.79) relatam que os transformadores
de potencial (TP) são equipamentos que permitem aos instrumentos de medição e proteção
funcionar adequadamente sem que seja necessário possuir tensão de isolamento de acordo
com a rede à qual estão ligados (Figura 3). Mamede (2005, p.192) salienta ainda que os TP’s
são equipamentos utilizados para suprir aparelhos que apresentam elevada impedância, tais
como voltímetros, relés de tensão, bobinas de tensão de medidores de energia, etc.
Figura 3: Esquema básico de um TP. Fonte: Dualibe (1999).
20
4.5. CHAVE SECCIONADORA
Segundo Mamede (2005, p.223), os seccionadores são utilizados em subestações para
permitir manobras de circuitos elétricos, sem carga, isolando disjuntores, transformadores de
medida, de proteção e de barramentos.
Os seccionadores podem desempenhar várias e importantes funções dentro de uma
instalação elétrica, tais como:
Manobrar circuitos, permitindo a transferência de carga entre barramentos de uma
subestação;
Isolar um equipamento qualquer da subestação, tais como transformadores,
disjuntores, etc. para execução de serviços de manutenção ou outra finalidade;
Propiciar o By-Pass de equipamentos, notadamente dos disjuntores e religadores
da subestação.
4.6. PÁRA-RAIOS A RESISTOR NÃO LINEAR
As linhas de transmissão e distribuição são sensíveis às descargas atmosféricas ou
surtos de tensão (variação brusca de tensão em um espaço de tempo muito curto), ocasionados
por manobras efetuadas na subestação. Por esse motivo, as concessionárias e os grandes
consumidores de energia elétrica (indústrias) utilizam equipamentos apropriados para limitar
a sobretensão (tensão acima dos valores normais de funcionamento) a um valor máximo,
compatível com a suportabilidade desse sistema, os chamados pára-raios. Segundo Mamede
(2005, p.01) ele é utilizado para proteger os diversos equipamentos que compõem uma
subestação de potência ou simplesmente um único transformador de distribuição instalado em
poste.
Existem dois tipos de pára-raios mais utilizados (Figura 4):
De carboneto de silício: utilizam como resistor não linear o carboneto de silício
(SiC) e tem em série com este um centelhador formado por vários gaps (espaços
vazios);
De Óxido de Zinco: utilizam como resistor não linear o óxido de zinco (ZnO) e
não possuem centelhadores em série.
21
Figura 4: Pára-raio de carboneto de silício (A) e de oxido de zinco (B).
4.7. CHAVE FUSÍVEL
Equipamento destinado à proteção de sobrecorrentes de circuitos primários (Figura 5),
utilizado em redes aéreas de distribuição e em pequenas subestações de consumidor e de
concessionária. Um elemento fusível é responsável pelas características de operação (Mamede
2005, p. 46).
Segundo Paradelo Junior (2006), fisicamente, o elo fusível é montado dentro do
cartucho e é composto de um elemento metálico que na passagem de corrente elétrica elevada,
funde-se dentro de um intervalo de tempo determinado.
Figura 5: Chave fusível. Fonte: Delmar (2012).
22
4.8. CONDUTORES ELÉTRICOS
Condutor de energia é o meio pelo qual se transporta potência desde um determinado
ponto, denominado fonte ou alimentação, até um terminal consumidor (Mamede-Filho, 2005,
p. 77).
Os metais mais utilizados na fabricação dos condutores elétricos são o alumínio e o
cobre, sendo o primeiro mais vantajoso economicamente. O cobre, apesar de ser um bom
condutor elétrico, possui um alto custo no mercado. Esses cabos ou fios são revestidos por
dois tipos de materiais isolantes, pelos aspectos técnicos e econômicos, o cloreto de polivinila
(PVC) e o polietileno (PE). Estes dois materiais perdem suas características básicas (isolantes)
quando submetidos a temperaturas superiores a 70 °C.
5. RELÉS DE PROTEÇÃO
Os relés de proteção historicamente são de grande importância para o sistema elétrico
de potência. Estes identificam as falhas1, e em conjunto com outros equipamentos de
proteção, impedem que danos ao sistema de potência se agravem. Barboza (2008) afirma que
a principal função do relé é mitigar os efeitos dos curtos-circuitos e de outras condições
anormais de operação, e também exercem uma função importante na determinação do tipo de
falha que está ocorrendo no sistema, como a sua localização, possibilitando uma análise mais
ampla do problema e suas possíveis soluções.
As falhas identificadas pelos relés de proteção são aos distúrbios nos parâmetros
elétricos dimensionados na subestação como tensão, corrente, frequência, potência, dentre
outros.
5.1. EVOLUÇÃO DOS RELÉS DE PROTEÇÃO QUANTO A TECNOLOGIA CONSTRUTIVA
Ao longo do tempo, os relés de proteção foram sendo aprimorados em relação à forma
de construção. Alguns deles são: relés eletromecânicos, relés estáticos e relés digitais.
1 Falhas: qualquer anormalidade que faça o sistema elétrico operar fora dos limites previstos ou de parte dele.
MAMEDE FILHO E MAMEDE (2011, p.1).
23
5.1.1. Relés Eletromecânicos
A primeira classe dos equipamentos de proteção do Sistema Elétrico de Potência
foram os relés eletromecânicos, os quais utilizam o campo magnético do circuito (bobina)
para mover a parte móvel do relé (armadura) e assim fechar ou abrir os contatos. A Figura 6
representa um relé eletromecânico (Netto, 2008).
Figura 6: Configuração de um relé eletromecânico. Fonte: Netto (2008).
5.1.2. Relés Estáticos
Com a evolução da primeira classe de relés de proteção foram desenvolvidos os relés
estáticos que são constituídos por dispositivos eletrônicos (transistores e os circuitos
integrados – CI’s), os quais dispensam o uso de elementos mecânicos móveis (válvulas). Esta
característica trouxe uma segurança para o manuseio dos relés, uma vez que, ao contrário dos
mecânicos, os relés estáticos funcionam em baixas tensões (Netto, 2008).
A evolução tecnológica dos relés estáticos resultou no surgimento dos relés
eletrônicos, que utilizam dispositivos microprocessados controlados por um software
específico à proteção que se deseja monitorar. A Figura 7 ilustra modelos de relés estáticos.
24
Figura 7: Modelos de relés estáticos. Fonte: Netto (2008).
Na Figura 8 é apresentada a evolução cronológica dos relés de proteção até a quarta
geração do relés estáticos eletrônicos microprocessados.
Figura 8: Evolução cronológica dos relés de proteção.
O avanço tecnológico trouxe para os relés de proteção maior agilidade de atuação
contra falhas, maior segurança operacional, em relação às altas cargas elétricas a que eram
submetidos, e redução da sua robustez. Em relação às funções exercidas no Sistema Elétrico
25
de Potência, o progresso se deu na forma de monitorar os parâmetros elétricos, que passou a
ser feito em tempo real, bem como na melhoria da seletividade em relação à interrupção de
circuitos na ocorrência falhas elétricas (Netto, 2008).
5.1.3. Relés Digitais
Atualmente, as subestações empregam os relés digitais por serem tecnologicamente
mais evoluídos. Os relés digitais (Figura 9) geram uma proteção baseada em
microprocessadores, os quais mantém o mesmo princípio de funcionamento dos relés
antecessores (estático, indução, eletromecânico, etc.). Têm a capacidade de processar
digitalmente os valores medidos do sistema, tais como tensão, corrente e frequência, e de
realizarem operações lógicas e aritméticas. Além disso, os relés digitais apresentam novas
funções, que acarretam em maior velocidade, melhor acessibilidade, interfaceamento
amigável, acesso remoto, armazenamento de informações, dentre outras (Mamede Filho,
2005).
Estes dispositivos eletrônicos apresentam as seguintes vantagens em relação aos seus
antecessores: (i) Pequeno consumo de energia reduzindo a capacidade dos transformadores de
corrente; (ii) Elevada confiabilidade devido à função de auto supervisão; (iii) Diagnóstico de
falha por meio de armazenamento de dados de falha; (iv) Possibilidade de comunicação com
um sistema supervisório, através de uma interface serial; (v) Possibilidade de serem ajustados
à distancia; (vi) Durante os procedimentos de alteração nos ajustes mantêm a proteção do
sistema elétrico ao nível dos ajustes existentes; (vii) Elevada precisão à tecnologia digital;
(viii) Amplas faixas de ajuste com vários degraus e ajuste dos parâmetros guiados por uma
interface amigável; (ix) Indicação dos valores de medição e dos dados de falha por meio de
display2 alfanumérico (Mamede Filho, 2005, p.269).
Para o gerenciamento dos parâmetros elétricos nas subestações, podem-se destacar:
diagnóstico de falha – função que otimiza o trabalho do operador na detecção da falha ou do
setor onde ocorreu a falha; comunicação com o supervisório – permite uma visualização total
da planta local e também a comunicação com outras subestações; ajuste à distância – feito
por acesso remoto através de um software específico garante a segurança do trabalhador, já
que este não precisa se aproximar da rede de alta-tensão.
2 Apresentação visual da informação
26
Figura 9: Exemplos de relés digitais de proteção. Fonte: Schweitzer Engineering Laboratories (2013).
5.1.3.1 - Funcionamento
O funcionamento do relé digital baseia-se na aquisição de dados provenientes dos
equipamentos da subestação. Os sinais de entrada consistem na tensão, corrente ou
frequência. Os equipamentos usados são o Transformador de Potencial (TP) e o
Transformador de Corrente (TC).
De acordo com Barboza (2008), a sequencia lógica da aquisição de dados, do
processamento e da tomada decisão do relé digital ocorre segundo o esquema mostrado na
Figura 10.
Figura 10: Representação lógica dos Relés de proteção. Fonte: BARBOZA (2008).
A importância da tomada de decisão de um relé de proteção, isto é, o envio do sinal de
abertura do disjuntor (sinal de trip3), é determinado pelo pré-ajuste do usuário de acordo com
as funções desejadas e suas configurações, já que para cada função exige uma parametrização
3 Atuação de Proteção de um equipamento mediante a uma falha do sistema
27
específica de acordo com a topologia da rede elétrica, da lógica de proteção adotada e da
porção do sistema que se deseja proteger (Barboza, 2008). A Figura 11 representa um
diagrama simplificado, apenas do sistema de proteção, da ligação entre os equipamentos de
uma subestação (TP, TC e disjuntor) e os relés de proteção.
Figura 11: Diagrama de ligação entre relés e equipamentos da SE. Fonte: Maezono
(2003).
Para que a proteção atue de forma eficiente dentro do sistema, ou seja, com rapidez e
precisão, e com a parametrização correta dos relés, algumas características básicas devem ser
observadas. São elas:
Confiabilidade: assegurar que a proteção atuará corretamente quando for
necessária, distinguindo entre situações de falta e condições normais de operação;
Seletividade: maximizar a continuidade do serviço de fornecimento de energia,
desconectando o mínimo do sistema em situações de falta. Segundo Mamede
Filho e Mamede (2011, p. 32), em um projeto de um sistema de proteção cada
elemento protetor deve ter uma abrangência de atuação, denominada
simplesmente zona de proteção. Há dois casos a considerar:
28
(i) Proteção de primeira linha: Corresponde ao elemento de proteção para o
qual é definida uma zona de responsabilidade dentro dos limites
predefinidos, devendo atuar num tempo previamente ajustado, sempre que
ocorrer um defeito nessa zona. (ii) Proteção de segunda linha ou de
retaguarda: Corresponde ao elemento de proteção responsável pela
desconexão do sistema caso haja uma falha na proteção de primeira linha,
dentro de um intervalo de tempo definido no projeto de coordenação.
Velocidade de operação: minimizar o tempo de duração da falta e consequente
perigo para os equipamentos;
Simplicidade: mínimo de equipamentos de proteção e circuitos elétricos
associados para executar os objetivos da filosofia de proteção desejada;
Economia: máxima proteção com o mínimo de custo.
5.1.3.2 - Elementos de Indicação e Operação
O relé digital é basicamente um microprocessador que possui interfaces de vídeo e
inserção de dados (programação) para que o equipamento seja facilmente operado por
qualquer usuário. Estes elementos são classificados por Mamede Filho (2005, p. 269 - 272)
como:
Display (mostrador) alfanumérico: utilizado para mostrar os valores de medição
e de ajuste, os dados armazenados na memória de massa e as mensagens que o
relé quer transmitir;
Teclas: São utilizadas para ativar os parâmetros de medida a serem indicados e
indicar o armazenamento desses parâmetros;
Interface com o processo: há duas formas do relé digital interfaciar com o
processo elétrico:
Condicionamento dos sinais: Significa realizar a interface entre o processo e o
ambiente eletrônico, isolando galvanicamente os referidos ambientes, a fim de
evitar que as grandezas do sistema elétrico normalmente de valor elevado, tais
como tensão e corrente, causem danos aos circuitos muito sensíveis do relé
digital que operam com valores típicos de +/-5 A e +/-15 V;
29
Conversão dos sinais analógicos para digitais: É através de conversores A/D
que os relés realizam a conversão analógica da grandeza elétrica numa
sequência numérica (sinais digitais) que é enviada aos microprocessadores.
Microprocessadores: são elementos do relé que recebem os sinais digitais do
conversor, além dos sinais digitais gerados naturalmente pelos contatos secos de
chaves, contatores, etc. e executam as funções de medição, proteção e controle,
etc. O resultado dessas operações é mostrado no display de cristal líquido do relé
e/ou enviando para os canais de saída, representados por microprocessadores;
Memória EEPROM4: Segundo Mamede Filho e Mamede (2011, p. 265), é a
memória utilizada para armazenar os parâmetros programados pelo usuário. Todos
os dados armazenados são mantidos mesmo que o relé perca a sua alimentação
auxiliar.
Entradas e saídas seriais: É o componente do relé capaz de receber e enviar
informações digitais, tais como mensagens operacionais, estados de operação do
disjuntor.
Fonte de alimentação: Os relés digitais necessitam de uma fonte de tensão
operando em baixas voltagens com a finalidade de fazer operar o mecanismo de
abertura do disjuntor.
Auto supervisão: A fim de garantir a confiabilidade do sistema elétrico e do
próprio dispositivo, os relés são monitorados constantemente por um software
dedicado (do próprio relé) que informa o estado dos diversos componentes que
integram a unidade, tais como fonte de alimentação, memórias, processador, etc.
No caso de ocorrência de uma condição não favorável ao desempenho do relé, um
alarme sonoro e/ou luminoso será emitido indicando sua origem.
Interface Homem Máquina – IHM: O relé é acompanhado de um software que
permite ao usuário, a partir de um microcomputador, comunicar-se facilmente
com o dispositivo de proteção. A comunicação tem por objetivo introduzir e
alterar os ajustes dos relés, acessar informações armazenadas e carregar tais
informações para posterior análise.
4 Sigla em inglês, que significa Electrically-Erasable Programmable Read-Only Memory.
30
Relatórios e falha: O relé digital é dotado de memória para armazenamento de
eventos relacionados a eles próprios, além de informações sobre os últimos
defeitos ocorridos no sistema elétrico que protegem. Estes relatórios serão gerados
quando houver alguma falha no SEP, se não houver falha o programa retornará
seu ciclo de trabalho sem gerar relatórios.
5.1.4. Subsistemas
Segundo Coury (2012) o relé digital possui subsistemas com funções bem definidas,
cujos estágios são mostrados desde a entrada de dados no relé até o processamento. Estes
subsistemas são:
Subsistemas de condicionamentos de sinais;
Subsistemas de conversão de sinais;
Subsistema de processamento digital dos sinais.
Os dois primeiros subsistemas são universais para os relés digitais, já o terceiro varia
de acordo com a função específica nele programado, ou seja, para o funcionamento de um relé
digital as duas primeiras etapas (subsistema de condicionamentos de sinais e subsistemas de
conversão de sinais) são iguais para todos e a terceira etapa (subsistema de processamento
digital dos sinais) depende do tipo de proteção que se deseja fazer. Seus componentes são: (i)
D/O (Date/Output); (ii) D/I (Date/Input); (iii) CPU (Central Processing Unit); (iv) D/A =
Conversor Digital-Analógico; e, (v) A/D = Conversor Analógico-Digital.
Na Figura 12 é mostrado um diagrama com os subsistemas de um relé digital,
especificando seus componentes básicos. Cada um dos subsistemas pode ser analisado de forma
independente, como segue:
a) Subsistema de Condicionamento de Sinais
Na primeira etapa, os sinais provenientes dos Transdutores (TP e TC) são
condicionados em níveis compatíveis à conversão A/D, isolando eletricamente os circuitos
eletrônicos do relé dos circuitos de entrada (Espinoza, 2011). Isto é, os níveis de alta corrente
e alta tensão são atenuados para níveis em que seja possível fazer a conversão A/D (corrente
de 1A até 5A e tensões entre 127V até 220V) (COURY, 2012). Após os sinais de corrente e
tensão terem sidos atenuados pelos Transdutores eles entram em um módulo de interface.
Segundo Coury (2012), esse módulo é composto por filtros passa-baixa e transformadores. A
função deste último é reduzir ainda mais o nível de tensão da entrada, enquanto os filtros
31
eliminam os componentes transitórios de alta frequência dos sinais de entrada, evitando um
fenômeno conhecido como aliasing5, que é a sobreposição de frequências.
Figura 12: Subsistemas de um relé digital e seus componentes básicos. Fonte: Coury (2012)
5 Sobreposição dos espectros de frequências do sinal de entrada no relé. Tal fenômeno, se não for evitado,
acarretará em erros na conversão A/D.
32
b) Subsistema de Conversão Digital
Nesta segunda etapa, os sinais já condicionados, são convertidos em sinais digitais
pelo circuito Sample and hold em conjunto com o Multiplexador. Estes últimos são descritos
como:
O circuito Sample and Hold é responsável pela amostragem e
armazenamento do sinal de entrada para que o conversor A/D possa realizar
as várias conversões existentes para cada instante de amostragem. Esses
vários circuitos em conjunto com um circuito multiplexador possibilitam
uma solução economicamente viável ao processo de amostragem do sinal.
O multiplexador é um dispositivo que seleciona um sinal de um número de
canais de entrada e o transfere para o canal de saída, permitindo a
transmissão de vários sinais simultaneamente (COURY, 2012).
Segundo Espinoza (2011), após a passagem dos sinais analógicos pelo circuito Sample
and Hold, estes são multiplexados por um multiplexador analógico e convertidos em sinais
digitais. Desta forma, os sinais digitais estão aptos a serem processados.
c) Subsistema de Processamento Digital de Sinais
De acordo com Espinoza (2011), este bloco é encarregado de executar os algoritmos
numéricos de proteção, controlar diversas funções temporizadas e realizar tarefas de
autodiagnostico e comunicação com os periféricos. O sinal de trip enviado depende da lógica
armazenada na memória (que foi introduzida pelo usuário) e das funções que o relé pode
executar. A Figura 13 ilustra esta situação.
Figura 13: Unidade digital do relé. Fonte: Coury (2012).
33
6. SISTEMA SUPERVISÓRIO
O sistema Supervisory Control And Data Acquisition (SCADA) é um software que
possibilita a interface homem/máquina de forma a obter um melhor controle e supervisão dos
equipamentos de uma subestação (disjuntores, chaves seccionadoras, etc.). Além disso, ele
extinguiu os painéis elétricos que ocupavam grandes salas e eram utilizados também para
controle e supervisão de toda subestação. Baseado na tecnologia microprocessada dos
computadores, o software de controle e supervisão torna a operação de uma subestação mais
rápida e segura. O software de supervisão e controle busca informações armazenadas no CLP,
em tempo real, das variáveis (tensão, corrente, potência, etc.) e do estado dos equipamentos
da subestação (ligado/desligado). Após interpretá-los, o sistema gera os gráficos das
ocorrências e aciona os alarmes. Assim, o sistema possibilita uma melhor análise dos
acontecimentos (falhas) de uma subestação, tornando a sua operação mais segura, de melhor
qualidade e com menor custo (Vianna, 2000). A Figura 14 esquematiza o processo.
Figura 14: Esquema de supervisório utilizando CLP. Fonte: Vianna (2000)
A programação do sistema supervisório resulta em uma tela virtual que simula a
organização física dos elementos da subestação (disjuntores, transformadores, linhas de
transmissão, chaves seccionadoras, etc.) e através dos sinais obtidos pelo CLP (controlador
lógico programável), são indicados os parâmetros elétricos correspondentes dos equipamentos
nesta tela. A Figura 15 mostra um exemplo da tela de um supervisório de uma subestação.
34
Figura 15: Exemplo da tela de um supervisório. Fonte: Vantel (2013).
6.1. CLP – CONTROLADOR LÓGICO PROGRAMÁVEL
O PLC (do inglês Programable Logic Control) ou CLP é um dispositivo de controle e
armazenamento das informações dos dispositivos elétricos. A associação de equipamentos
elétricos NEMA (National Electrical Manufacturers Association) o descreve como:
Aparelho eletrônico digital que utiliza uma memória programável para o
armazenamento interno de instruções para implementações específicas, tais
como lógica, sequenciamento, temporização, contagem e aritmética, para
controlar, através de módulos de entradas e saídas, vários tipos de máquinas
ou processos (NEMA, 2013).
Comparado a outros dispositivos utilizados para controle (os relés eletromagnéticos),
o CLP apresenta as seguintes características Vianna (2000):
Menor espaço físico para instalação;
Menor exigência de potência elétrica;
Possibilidade de reutilização;
É programável, em caso de mudança nos requisitos de controle;
Maior facilidade de manutenção;
Maior flexibilidade;
35
Permite interface através de redes de comunicação com outros CLPs e
microcomputadores (supervisórios);
Projeto do sistema mais rápido.
O CLP permite a interface através de redes de comunicação com outros CLPs e
microprocessadores devido à padronização da linguagem de programação e portabilidade
estabelecida pela norma IEC-1131-3 Vianna (2000).
6.2. PLATAFORMA COMPUTACIONAL
Em lugar do CLP, a intermediação entre o sistema SCADA, os relés de proteção e os
equipamentos da subestação é feita por um relé concentrador de dados, como o SEL 3354,
fabricado pela empresa Schweitzer Engineering Laboratories. Segundo dados do fabricante, o
SEL 3354 utiliza os dados coletados diretamente dos relés, eliminando a necessidade de
equipamentos de baixa confiabilidade como CLP’s. A Figura 16 apresenta o diagrama geral da
subestação com emprego do relé concentrador, mostrando a ligação direta do SCADA ao relé
3354, que por sua vez está ligado aos relés de proteção e aos equipamentos da subestação
(intermediado pelo equipamento SEL 24116).
Figura 16: Concentrador de dados e conversor de protocolos, interface para o SCADA
e acesso de engenharia. Fonte: Schweitzer Engineering Laboratories (2013).
6 Equipamento utilizado para dar Tap nos transformadores e medições de tensão, corrente, potência, fator de
potência, frequência, dentre outras.
36
6.2.1. Características do SEL 3354
De acordo com a Schweitzer Engineering Laboratories, o SEL 3354 possui
processador, memória RAM, portas seriais, comunicação ethernet, dentre outras. Operam em
subestações e indústrias. As principais funções deste equipamento são:
Configuração de Hardware e Software flexíveis: permite a instalação em qualquer
sistema de proteção (Geração, Transmissão, Distribuição ou Industrial);
Fornece acesso remoto aos dados provenientes de relés de proteção e outros
dispositivos digitais, para diferentes usuários locais e/ou remotos;
Simplifica e gerencia o acesso remoto aos equipamentos digitais de uma
subestação, via porta serial, rede ethernet, ou outros meios físicos, otimizando o
processo de coleta de dados, ajustes e parametrização remota;
Multiusuário, permitindo acesso via diferentes portas seriais.
A empresa fabricante destaca ainda como principais aplicações destes equipamentos:
Interface homem-máquina para o sistema supervisório em tempo real,
possibilitando telas de alarme, indicação local e controle;
Concentração de todos os dados coletados de relés, processadores de comunicação
ou outros dispositivos conectados.
Seleção e envio de dados específicos para diferentes usuários. Ex: Sistema
supervisório, equipe de engenharia, equipe de manutenção, etc.
Coleta de oscilografia, parametrização remota e eventos para o sistema
supervisório compartilhadas num único canal Ethernet.
7. NORMA IEC 61850
Na implantação de um sistema automatizado em uma subestação são usados
equipamentos eletrônicos de diferentes fabricantes e equipamentos de diferentes gerações, o
que dificulta a comunicação entre eles. De acordo com Souza e Carmo (2004):
A comunicação entre esses equipamentos é difícil, pois a maior parte deles
usa protocolos específicos o que leva o uso de um equipamento de conversão
entre os protocolos específicos (gateway) ou a imposição de usar
equipamentos com o mesmo protocolo de comunicação, o que possivelmente
implica no uso de equipamentos de um mesmo fabricante (Souza e Carmo,
2004).
37
Para solucionar este problema de comunicação entre os equipamentos e dar liberdade
ao proprietário de quais marcas de equipamentos irá utilizar, foi criada em 2004 a norma IEC
61850, que tem como objetivo principal, de acordo com Moreira (2009), garantir a
interoperabilidade entre IEDs de diferentes fabricantes, permitindo o uso e a troca irrestrita de
dados afim de que sejam realizadas suas funcionalidades dedicadas individuais.
7.1. PADRÃO DE COMUNICAÇÃO
Em uma subestação equipada com IEDs e funcionando segundo as especificações da
norma IEC 61850, a comunicação é feita por meio de uma rede local (LAN – Local Area
Network). Uma vantagem na utilização dessa inovação é a drástica redução na quantidade de
fios de cobre, uma vez que se possibilita o uso da rede ethernet para troca de informações por
cabos ópticos (Lacerda e Carneiro, 2012).
A Linguagem de Configuração de Subestação (SCL – Substation Configuration
Language) habilita a configuração da subestação e possibilita a especificação da relação da
comunicação entre as unidades que compõem o SAS (Sistema de Automação de Subestações).
Esta linguagem consiste em:
[...] uniformizar a nomenclatura utilizada através de um modelo único de
dados, criando, assim, um vocabulário comum. Este tipo de padronização é
essencial para uma comunicação eficiente [...] (Lacerda e Carneiro, 2012).
8. PROTEÇÃO E AUTOMAÇÃO DA SUBESTAÇÃO: EXEMPLO DE CASO
Como foi visto nos itens anteriores, os relés digitais fazem, juntamente com os
equipamentos da subestação (disjuntor, transformadores, barramentos e chaves), a proteção, o
controle e a supervisão do sistema elétrico de potência. Neste item será apresentado um
exemplo de estudo das proteções necessárias para operar uma subestação de distribuição
genérica. O modelo de subestação utilizado para o estudo é apresentado na Figura 17.
A subestação proposta pode ser utilizada, por exemplo, em uma cidade, sendo um circuito
consumidor destinado a atender uma indústria e outros três a atender residências. Durante este
estudo, foi mostrada a importância da automação de uma subestação. A aplicação dos relés
digitais para proteção e controle desta subestação será feito a seguir.
38
Figura 17: Subestação genérica de distribuição. Adaptado de Mamede Filho e
Mamede (2011).
8.1. APLICAÇÃO DOS RELÉS DE PROTEÇÃO
A Tabela ANSI (American National Standards Institute), apresentada no Quadro 1, é a
relação de todas as proteções que um relé pode desempenhar. O modelo apresentado está
disponibilizado pela empresa SEL (Schweitzer Engineering Laboratories, Comercial Ltda)
em seu sítio na Internet.
39
Quadro 1 - Tabela ANSI (Schweitzer Engineering Laboratories, Comercial Ltda, 2013).
40
41
42
Foram escolhidos os relés digitais da empresa Schweitzer Engineer Laboratories para
exemplificar como é feita a proteção da subestação estudada (Figura 16). Os elementos a ser
protegidos são barramento, transformadores e alimentadores.
8.1.1. Proteção de Barramento
Segundo Mamede Filho e Mamede (2011, p.485) o barramento principal de uma
subestação concentra uma grande quantidade de potência e muitas derivações para
atendimento das cargas elétricas, tornando-se um elemento de elevada importância para a
confiabilidade do sistema. Desta forma, é necessária a sua proteção com relação aos seguintes
defeitos (Mamede Filho e Mamede, 2011, p.485):
(i) Rompimento da isolação devido a danos de natureza elétrica ou mecânica; (ii) objetos
estranhos, muitas vezes caídos sobre a subestação; (iii) esquecimento da retirada dos cabos de
aterramento após os serviços de manutenção; (iv) esquecimento de ferramentas de trabalho
sobre as barras; (v) falha nos dispositivos de bloqueio das chaves de aterramento utilizadas
nos serviços de manutenção; (vi) falhas ou inexistência de um sistema de proteção contra
descargas atmosféricas – SPDA; (vii) presença de répteis sobre os barramentos; (viii)
contaminação de poluentes ambientais, tais como maresia, poeira de resíduos industriais.
Segundo Mamede Filho e Mamede (2011, p.485) as seguintes funções são utilizadas
para a proteção do barramento:
87B – Diferencial de Barramento
Segundo Madergan (2010), são relés que operam quando a diferença da corrente
de entrada em relação à corrente de saída ultrapassa um valor preestabelecido ou
ajustado;
50/51 – Sobrecorrente de fase instantânea e temporizada.
A função 50 atua de forma instantânea quando a corrente nominal do barramento
ultrapassa o valor ajustado no relé, enquanto que a função 51 atua se a falha
persistir por um determinado tempo.
50/51N – Proteção instantânea e temporizada de neutro;
50/51Q – Sobrecorrente instantânea e temporizada de seqüência negativa;
64 – Proteção de terra;
67G – Proteção direcional de Terra;
46 – Proteção de fase aberto (desbalanceamento de corrente).
43
Para este estudo foi utilizado o relé SEL-487B. Apenas as seguintes funções foram
habilitadas (Figura 18), conforme indicado pela empresa:
87B – Diferencial de barramento (até 7 bays com um relé ou até 21 bays com três relés);
50/51 - Sobrecorrente instantâneo e temporizado.
Figura 18: Proteção de barramento com relé SEL-487B indicando as funções de proteção.
8.1.2 Proteção dos Transformadores
Normalmente, os transformadores de potência devem ser protegidos contra: (i)
sobrecarga; (ii) curto-circuito: entre fases e entre fase e terra; (iii) sub e sobretensão; (iv)
presença de gás: relé de Buchholz; (v) sobre pressão: óleo e gás; (vi) temperatura do ponto
mais quente e do topo do óleo (Mamede Filho e Mamede, 2011, p.290 e 292).
Segundo Mamede Filho e Mamede (2011, p.485), para a proteção do transformador, as
seguintes funções são utilizadas:
87 – Diferencial;
50/51 – Sobrecorrente de fase instantânea e temporizada para o primário e
secundário do transformador;
44
50/51N – 3 entradas independentes para proteção de neutro do transformador (opcional);
Atua de forma instantânea e temporizada sobre a corrente no neutro do
transformador.
50/51G – Sobrecorrente residual instantânea e temporizada para o primário e
secundário do transformador; Atua de forma instantânea e temporizada sobre a
corrente residual no transformador.
50/62BF – Falha de disjuntor;
Esta função permite que o relé digital envie o sinal de trip para o relé 86 (relé de
bloqueio) que irá atuar na bobina do disjuntor caso ele falhe.
59 – Proteção contra sobretensão.
Atua quando os transformadores são submetidos a níveis elevados de tensão de
curta duração, provenientes de descargas atmosféricas ou de longa duração como
surtos de manobra caracterizados pela perda de um grande bloco de carga.
64 – Proteção de terra
81 – Proteção contra subfrequência e sobrefrequência
Atua quando houver variação da frequência da rede.
27 – Proteção contra subtensão. Atua quando a tensão que passa pelos terminais
do transformador está abaixo da tensão nominal do transformador.
63 – Proteção contra presença de gás (Relé Buchholz).
Informa a atuação do relé de gás.
Para este estudo foi utilizado o relé SEL – 387A. Apenas as seguintes funções foram
habilitadas (Figura 19), conforme indicado pela empresa:
87 – Diferencial;
50/51 – Sobrecorrente de fase instantânea e temporizada para o primário e
secundário do transformador;
50/51G – Sobrecorrente residual instantânea e temporizada para o primário e
secundário do transformador;
50/51N – 3 entradas independentes para proteção de neutro do
transformador (opcional);
45
50/62BF – Falha de disjuntor.
Figura 19: Proteção do transformador (T1 e T2) com relé SEL-387A indicando as funções de proteção.
8.1.3 Proteção dos Alimentadores
Os alimentadores são os circuitos direcionados aos consumidores ligados a esta
subestação. Eles são protegidos contra a sobrecorrente conforme mostra a Figura 20. Neste
caso, será usado o relé SEL-351A com as seguintes funções habilitadas:
50/51
50/51N
Figura 20: Proteção dos alimentadores com relé SEL-351A indicando as funções de proteção.
46
9. CONCLUSÕES
O trabalho buscou mostrar os aspectos positivos da aplicação da automação em
subestações, bem como a importância do sistema supervisório e da Norma IEC 61850 no
processo de automação. Enfatizou-se a importância dos relés digitais na proteção,
monitoramento e controle de uma subestação, destacando-se suas vantagens em relação aos
seus antecessores.
Em relação a demanda de energia consumida, um sistema elétrico de médio e grande
porte fica vulnerável a intempéries se não houver um sistema automático. A falha no sistema
pode ser inevitável tanto no sisitema automatizado quanto no convencional, mas a forma de
eliminar os efeitos da falha em uma subestação automatizada é mais ágil e seletivo. A melhor
forma de controlar esses efeitos negativos é eliminar a passagem de energia no ponto
vulnerável, ou seja, as causas só podem ser evitadas se houver a extinção da energia naquele
circuito em particular por um período seguro, de modo que não danifiquem os equipamentos
de campo. Desta forma, os relés digitais são programados para seccionar os circuitos, após a
identificação do defeito, de forma temporizada (quando o problema ocorrer por um tempo
determinado e seguro para o sistema) ou instantâneo (no momento que ocorrer). Nas
subestações convencionais, além de inseguro para o operador, possivelmente o tempo de
percepção do defeito e da atuação para seccionar o circuito seja insuficiente para preservar a
subestação.
Com o objetivo de ilustrar a aplicação dos relés digitais em uma subestação hipotética, foi
apresentado um exemplo das funções mais utilizadas para a proteção dos barramentos,
transformadores e alimentadores e identificadas conforme a falha ocorrida. O monitoramento
e identificação das falhas com antecedência permite que o sistema seja mais seguro e eficaz,
permitindo-se tomar as medidas de controle antes que ocorram os defeitos no sistema elétrico,
os quais possivelmente danificariam os equipamentos da subestação.
47
10. REFERENCIAS BIBLIOGRÁFICAS
ABB. Disjuntores. Disponível em:
. Acessado em:
12/03/2014
ANDERSON, P. M. Power System Protection. New York: IEEE Press Series on Power
Engineering, 1998.
BARBOSA, D. Estimação da Frequência em Sistemas Elétricos de Potência Através de
Filtragem Adaptativa. Dissertação de Mestrado. Universidade de São Paulo, Escola de
Engenharia de São Carlos, 2007. Disponível em:
.
Acessado em: 8/05/2012
BARBOZA, Daniel. Relés Numéricos de Proteção. Disponível em:
.
Acessado em: 8/05/2012.
CAMINHA, A.C. Introdução à Proteção dos Equipamentos Elétricos. São Paulo: Edgard
Blücher, 1977.
COURY, D.V. Introdução aos Sistemas Elétricos de Potência. Disponível em:
.
Acessado em: 14/06/2012.
DELMAR. Chave Fusível. Disponível em: .
Acessado em: 15/05/2012
DUALIBE, P. Subestações: Tipos, Equipamentos e Proteções. Centro Federal de Educação
Tecnológica Celso Suckow da Fonseca. Disponível em:
. Acessado em: 15/05/12.
ESPINOZA, R.G.F. Análise de Proteção de Linhas de Transmissão Através de Relés
Numéricos e Uso de Models Externos No ATP (Alternative Transient Program). Disponível
em:
. Acessado em: 18/06/2012.
LACERDA, S.L.M.; CARNEIRO, G.H.R. Dispositivos Eletrônicos Inteligentes (IED’s) e a
Norma IEC61850: União que Está Dando Certo. Disponível em:
. Acessado 26/04/2012.
MAMEDE FILHO, J. Instalações Elétricas Industriais. Rio de Janeiro: LTC, 2010.
MAMEDE FILHO, J. Manual de Equipamentos Elétricos. Rio de Janeiro: LTC, 2005.
MAMEDE FILHO, J.; MAMEDE, D.R. Proteção dos Sistemas Elétricos de Potência. Rio de
Janeiro: LTC, 2012.
48
MAEZONO, P.K. Proteção das Linhas de Transmissão. São Paulo: Edição do Autor, 2003.
MARDEGAN, C.S.; MARQUES, F.Z.; LIMA, L. A Importância da Integração dos Estudos
de Curto-Circuito, Seletividade, ARC Flash e Proteção Para a Segurança em Eletricidade.
Disponível em: < http://www.engepower.com/dow/integracao_esw.pdf >. Acessado em
18/05/2012.
MOREIRA, V.M.. Avaliação do Desempenho da Comunicação de Dados Baseada na IEC
61850 Aplicada a Refinarias de Petróleo. Disponível em:
.
Acessado em: 25/04/2012.
NETTO, U.C. Aplicação de Controle e Supervisão Distribuídas em Subestações de Energia
Elétrica Através do Uso de Relés Digitais de Proteção. Disponível em: <
www.teses.usp.br/teses/disponiveis/18/18154/tde...144037/.../Ulisses.pdf >. Acessado em:
12/12/2013.
PARADELO JUNIOR, Romildo de C. Proteção de Sobrecorrente em Sistemas de
Distribuição de Energia Elétrica Através de Abordagem Probabilística. Disponível em: <
http://www.teses.usp.br/teses/.../3/.../DissertacaoRomildo200605150822.pdf%E2%80%8E >.
Acessado em: 15/05/2012.
PEREIRA, A.C. Integração dos Sistemas de Proteção, Controle e Automação de Subestações
e Usinas - Estado da Arte e Tendências. 2005. Disponível em:
. Acessado em: 15/01/2012.
SHENEIDER ELETRIC. Especificação de Disjuntores Segundo a ABNT. Disponível em:
. Acessado em:18/05/2012
SOUZA, B.A.; CARMO, U.A. Aspectos de Comunicação da Norma IEC 61850. Disponível
em:. Acessado em: 25/04/2012.
TORTELLI, O.L. Sistemas Elétricos de Potência. Disponível em:
. Acessado em: 20/12/2011.
VANTEL. Sistema de Supervisão e Controle de Subestações e Utilidades. Disponível em:
. Acessado 15/12/2013
VIANNA, W.S. Controlador Lógico Programável. Centro Federal de Educação Tecnológica,
2000. Campos dos Goytacazes, Rio de janeiro.