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C.S.T. EM SISTEMAS ELÉTRICOS

GABRIEL BERBERT MOLINA

RAFAEL NUNES SILVA

ELEMENTOS DE PROTEÇÃO E AUTOMAÇÃO DE SUBESTAÇÃO

Campos dos Goytacazes

2014


RAFAEL NUNES SILVA


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


RAFAEL NUNES SILVA


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)


............................................................................................

Laurentino Paulo de Souza


............................................................................................

Carlos Alberto Gomes Viana, M.Sc*


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).

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


50/51G – Sobrecorrente residual instantânea e temporizada para o primário e


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

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