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INSTITUTO DE ENGENHARIA DE SISTEMAS E COMPUTADORES DO PORTO

Sistemas de Protecção Desenvolvimento de testes-padrão para relés numéricos de protecção De 02/11/2009 a 01/11/2010

Bolsa de Integração à Investigação

Paulo Alexandre Alves Félix Victor Augusto Rodrigues Veloso


Relatório Final

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Índice 1 – Motivação............................................................................................................................................... 3 1.1 – Coordenação de Relés de Máxima Intensidade................................................................................. 3 1.2 – Regimes de Neutro .......................................................................................................................... 4 1.3 – Modelos de Linha ............................................................................................................................ 4 2 – Revisão da Literatura .............................................................................................................................. 5 2.1 – Coordenação de Relés de Máxima Intensidade................................................................................. 5 2.2 – Regimes de Neutro .......................................................................................................................... 6 2.2.1 – Neutro Isolado .......................................................................................................................... 8 2.2.2 – Neutro Directamente Ligado à Terra ......................................................................................... 9 2.2.3 – Neutro Ligado à Terra através de uma Resistência................................................................... 10 3 – Testes e Resultados............................................................................................................................... 11 3.1 – Coordenação de Relés de Máxima Intensidade............................................................................... 11 3.1.1 – Disparo Instantâneo................................................................................................................ 13 3.1.2 – Tempo Inverso ........................................................................................................................ 14 3.2 – Regimes de Neutro ........................................................................................................................ 17 3.2.1 – Neutro Isolado ........................................................................................................................ 20 3.2.2 – Neutro Directamente Ligado à Terra ....................................................................................... 21 3.2.3 – Neutro Ligado à Terra através de uma Resistência................................................................... 21 4 – Dimensionamento dos Modelos de Linha .............................................................................................. 23 4.1 – Linha Aérea de Média Tensão ........................................................................................................ 23 4.1.1 – Características ........................................................................................................................ 23 4.1.2 – Cálculo dos Parâmetros da Linha ............................................................................................. 24 4.2 – Cabo Subterrânea de Média Tensão ............................................................................................... 26 4.2.1 - Características ......................................................................................................................... 26 4.2.2 – Cálculo dos Parâmetros do Cabo ............................................................................................. 26 4.3 – Material Encomendado.................................................................................................................. 30 5 – Desenvolvimento de uma página Web .................................................................................................. 31 6 – Conclusão ............................................................................................................................................. 32 7 – Referências ........................................................................................................................................... 33 8 – Anexos.................................................................................................................................................. 34

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1 – Motivação Este trabalho tem como objectivos a revisão da literatura relativa aos relés de protecção, às suas funcionalidades e aos testes associados. A construção de dois modelos analógicos de linha aérea e de cabo subterrâneo bem como o desenvolvimento de testes-padrão relativos à coordenação de relés de máxima intensidade e ainda aos diferentes regimes de neutro, constituem os restantes objectivos. Os testes foram realizados no laboratório de sistemas de protecção da Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto (Laboratório J303) e utilizou-se o material disponível do mesmo: ISM21, TPU S420, modelos de linhas aéreas, modelo de subestação e ainda material fundamental, como cabos e multímetro entre outros. De seguida apresentam-se as motivações relativas aos vários objectivos estabelecidos.

1.1 – Coordenação de Relés de Máxima Intensidade Os curto-circuitos que ocorrem num sistema eléctrico e de energia (SEE) podem provocar danos sérios nos equipamentos da rede devido às altas temperaturas atingidas. É por isso fundamental eliminar estes defeitos o mais rapidamente possível, minimizando os tempos de interrupções do serviço bem como o número de equipamentos isolados da rede. Estas condições devem ser garantidas por forma a cumprir os critérios de selectividade, fiabilidade, rapidez e sensibilidade (critérios explicados no item 2.1). A coordenação de relés assume um papel fundamental na área de sistemas de protecção. Pois para eliminar um defeito afastado de uma subestação, pode utilizar-se o disjuntor colocado à saída dessa subestação deixando uma grande zona fora de serviço no caso de se tratar de uma área populacional importante. Os prejuízos provocados por esta não continuidade de serviço tornam-se muito elevados, pois poderá ser necessário eliminar o defeito verificado com a substituição da linha afectada que constitui uma tarefa de complexidade elevada e morosa. Com a coordenação de relés é possível ter vários pontos de interrupção do serviço, distribuídos estrategicamente pela rede, de modo a que quando seja detectado algum defeito este se consiga eliminar rapidamente através das protecções primárias ou das protecções secundárias.

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Por estas razões foram realizados ensaios de coordenação de relés de máxima intensidade.

1.2 – Regimes de Neutro Fisicamente, o ponto de neutro é o ponto comum aos três enrolamentos do transformador montados em estrela. Pode ser acessível ou não, distribuído ou não. No transporte em média tensão o neutro é dispensável, isto é, não é distribuído por razões económicas. É depois recriado no último transformador e distribuído na rede de baixa tensão. Numa instalação eléctrica de média ou baixa tensão, o ponto de neutro pode ou não ser ligado à terra, fala-se então em regime de neutro. Numa rede eléctrica de média tensão existem várias maneiras de ligar o neutro à terra. Todos os regimes de neutro têm vantagens ou inconvenientes a nível económico, de segurança, de continuidade de serviço e de qualidade da onda de tensão. Neste sentido, não existe a nível mundial um regime de neutro de referência, isto é, não existe consenso sobre o regime de neutro “ideal”. Os regimes de neutro utilizados pelas empresas de distribuição são o neutro isolado, o neutro sólido directamente à terra, o neutro ressonante e o neutro com resistência/reactância limitadora. Em 2006, em Portugal existiam 304 subestações utilizando o neutro com impedância limitadora, 77 utilizando o neutro isolado e 20 utilizando outras ligações. Neste trabalho pretendeu-se estudar os regimes de neutro isolado, neutro com resistência limitadora e neutro directamente ligado à terra. Para isso, foram utilizados modelos de linhas disponíveis no laboratório de sistemas de protecção de modo a realizar uma montagem que permitisse simular curto-circuitos fase-terra e observar os efeitos provocados nos diferentes regimes de neutro.

1.3 – Modelos de Linha Os modelos de linha são utilizados para os ensaios dos regimes de neutro e havendo diversidade nos modelos de linhas pode-se realizar testes mais completos e mais elaborados. Por isso foram dimensionados os parâmetros correspondentes a uma linha aérea e a um cabo subterrâneo, ambos de média tensão.

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2 – Revisão da Literatura Foi feita uma revisão da literatura aos diversos temas abordados e apresenta-se a seguir os conceitos mais importantes.

2.1 – Coordenação de Relés de Máxima Intensidade Antes de explicar a partir de um exemplo concreto as principais ideias referentes a este tema, apresentam-se as definições fundamentais à boa compreensão da matéria:  Fiabilidade – Requisito que garante o bom funcionamento da protecção, isto é, nos tempos definidos para proteger determinados equipamentos;  Selectividade – Requisito que garante a minimização da perda de operação do SEE, isto é, o sistema de protecções deve apenas isolar o equipamento defeituoso;  Sensibilidade – Requisito que garante a máxima fiabilidade na sua zona de actuação e permanece estável em condição de máxima carga.  Rapidez – Requisito que garante a actuação dos equipamentos de protecção num tempo mínimo;  Protecção primária – Um equipamento de protecção deve cobrir várias zonas. Este quando efectua protecção primária deve actuar em primeiro e o mais rapidamente na zona em que é activo;  Protecção secundária (backup) – Uma protecção além de proteger a sua zona principal deve assistir zonas periféricas. Esta protecção de backup deve actuar no caso de a protecção primária falhar por qualquer motivo. Apresenta-se a seguir um breve exemplo teórico para perceber a importância que a coordenação de relés ocupa nos sistemas de protecção:

Figura 1. Esquema de uma rede eléctrica com dois relés e três barramentos

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Considerando o esquema apresentado na figura 1, pode-se facilmente analisar o funcionamento da coordenação de relés. Havendo um defeito entre os barramentos 2 e 3, ou a jusante de 3, o relé que deverá actuar em primeiro lugar (protecção primária) deverá ser o relé B que caso detecte uma corrente superior a um determinado limite definido (por exemplo 1.1 ou 1.2 vezes superior à corrente nominal) durante um período de tempo estimado, dá ordem de disparo ao disjuntor mais próximo fechando os seus contactos no caso de um relé electromecânico ou enviando um sinal eléctrico no caso de um relé digital. Se por algum motivo o relé B não estiver em boas condições de funcionamento e falhar, a protecção da rede fica a cargo do relé A (protecção secundária) que apesar de também ter detectado o defeito demora mais tempo a actuar que o relé B (por exemplo o relé B demora 1 segundo a actuar e o A 1,3 segundos), para que o defeito possa ser eliminado pela actuação do relé que se encontra mais perto do mesmo. Caso haja um defeito entre os barramentos 1 e 2 o relé A terá de detectar esse defeito e por conseguinte dar a ordem de abertura ao disjuntor associado à zona protecção.

2.2 – Regimes de Neutro Numa rede eléctrica, o regime de neutro ocupa um papel essencial. De facto, quando ocorre um defeito de isolamento ou um defeito à terra, os valores da corrente de defeito, das tensões bem como das sobretensões dependem da forma como se liga o neutro à terra. A importância dos danos causados aos equipamentos tais como motores ou alternadores está igualmente relacionada com o regime de neutro adoptado. A escolha do regime de neutro, tanto na baixa tensão como na média tensão, depende da natureza da instalação e da rede. É igualmente influenciado pela natureza das cargas eléctricas, da continuidade de serviço pretendida e finalmente da limitação do nível de perturbação imposto pelos equipamentos mais sensíveis da rede. Iremos por isso considerar os vários regimes de neutro de forma a determinar as vantagens e os inconvenientes de cada um, mas primeiro é importante referir as consequências gerais para a rede eléctrica quando ocorre um defeito fase-terra, seja qual for o regime de neutro utilizado. Quando a rede eléctrica funciona no seu estado normal, isto é, sem estar submetida a nenhum defeito, as correntes circulam nas chamadas resistências e capacidades de fuga. É de referir que tendo em conta os valores elevados dessas resistências (da ordem dos kΩ), são desprezáveis estas correntes porque sendo bastante reduzidas. No caso de funcionamento normal da rede eléctrica, 6


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as correntes são teoricamente equilibradas, pelo que não circula corrente no neutro. O seu potencial eléctrico é então igual ao da terra:

No entanto quando ocorre um curto-circuito fase-terra, uma corrente

é criada entre a fase

de defeito e a terra. Esta corrente fecha-se pela impedância do neutro

e pelas

capacidades/resistências de fuga das fases sãs, como se pode observar no seguinte esquema:

Figura 2. Esquema das correntes de defeito quando ocorre um CC fase-terra na fase 3

Como se pode observar, na ocorrência de um defeito à terra cria-se um circuito perigoso para a rede eléctrica e os equipamentos ligados à mesma. O neutro atinge um potencial eléctrico diferente de zero:

É por isso essencial escolher um regime de neutro que satisfaça as necessidades pretendidas (continuidade de serviço, segurança…). Pois, cada regime de neutro implica correntes de defeito e tensões diferentes pelo que se deve ter em atenção as vantagens e os inconvenientes de cada um. A seguir apresentam-se alguns dos regimes de neutro utilizados pelas empresas de distribuição.

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2.2.1 – Neutro Isolado

Figura 3. Esquema de um neutro isolado da terra

Não existe ligação eléctrica entre o ponto de neutro e a terra excepto para medições ou protecções. Pode também ser colocada como se mostra na figura 3 uma impedância

de

elevado valor entre o neutro e a terra. Trata-se do segundo regime de neutro mais utilizado no nosso país. Este regime de neutro é caracterizado por correntes de defeito reduzidas quando comparadas com o sistema de resistência/reactância limitadora por exemplo. Isto acontece porque de facto só existem contribuições capacitivas da rede para a corrente de defeito, dada a ausência de uma ligação à terra. No entanto, verifica-se um forte desequilíbrio das tensões, com a tensão de neutro a atingir, em módulo, a tensão simples e as tensões nas fases sãs subirem à tensão composta. As redes de distribuição que utilizam este tipo de regime de neutro são capazes de manter correntes de defeito significativas quando se trata de redes extensas. Como já é sabido, nas redes que usam cabos subterrâneos, as capacidades à terra são muito superiores quando comparado com as redes aéreas e portanto também as correntes de defeito são superiores. No entanto, devido à reduzida distância entre os condutores (nos cabos tripolares), qualquer defeito fase-terra leva à destruição do isolamento envolvente e passa a defeito polifásico. Quando se trata de redes aéreas com cabos nus, é frequente verificar-se fenómenos de reacendimento que provocam importantes sobretensões transitórias.

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Numa rede com neutro isolado ou fortemente resistivo/reactivo, os danos causados às máquinas são reduzidos mas é necessário que os equipamentos tenham um nível de isolamento compatível com os níveis de sobretensões transmitidos para a rede. Em conclusão, o neutro isolado permite uma continuidade de serviço na baixa tensão e até na média tensão na medida em que as protecções não disparam quando ocorre o primeiro defeito, no entanto tem que respeitar os decretos relacionados com a segurança dos trabalhadores.

2.2.2 – Neutro Directamente Ligado à Terra

Figura 4. Esquema do Neutro directamente ligado à terra

Da figura 4 observa-se que o neutro é ligado à terra sem recurso a nenhuma impedância. Este tipo de regime de neutro permite limitar as sobretensões mas tem como desvantagem tolerar correntes de defeito muito elevadas. Impõe um disparo dos equipamentos de protecção logo no primeiro defeito de isolamento. Numa rede com neutro directamente ligado à terra, uma máquina afectada por um defeito é fortemente danificada pelos fortes valores das correntes de defeito atingidos, pelo que é preciso ter especial atenção no que diz respeito à protecção dessas máquinas mais sensíveis.

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2.2.3 – Neutro Ligado à Terra através de uma Resistência

Figura 5. Esquema do Neutro ligado à terra por intermédio de uma resistência

Como podemos observar na figura 5 acima apresentada, neste regime de neutro é colocada uma resistência entre o neutro e a terra. É de salientar que esta resistência nunca é puramente resistiva e tem sempre componente reactiva, pelo que trata-se sempre de um misto entre reactiva e resistiva. O valor desta resistência serve em geral para limitar o valor da corrente de defeito nos 300 A. Destacam-se a seguir algumas razões importantes pelas quais se utiliza este tipo de ligação do neutro à terra. Primeiro, serve para limitar as sobretensões verificadas nas fases sãs da rede eléctrica atingida por defeitos. Depois também serve para diferenciar a corrente residual das linhas em defeito da das linhas sãs. As resistências são dimensionadas por forma a suportarem a máxima corrente de defeito durante vários segundos. No entanto, a constante de tempo de arrefecimento desta resistência é de mais ou menos 8 minutos, pelo que para defeitos consecutivos na rede a jusante podem existir esforços térmicos demasiados grandes, ao ponto de levar à queima da resistência devido ao calor acumulado.

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3 – Testes e Resultados 3.1 – Coordenação de Relés de Máxima Intensidade No trabalho desenvolvido no laboratório foram utilizados relés de máxima intensidade cuja função consiste em monitorizar as correntes a veicular na linha, dando ordem de disparo aos órgãos de protecção caso essas grandezas ultrapassem valores pré-definidos. Utilizaram-se dois relés de máxima intensidade, sendo eles de dois tipos diferentes. O primeiro é electromecânico (analógico) e é designado por ISM21. É um relé temporizado de máxima corrente fabricado pela BBC (agora ABB). Podemos salientar que estes relés eram muito utilizados nas redes de alta e média tensão pela EDP Distribuição, sendo agora de uso pouco corrente. Como já referido o relé foi testado como relé de máxima intensidade, apesar de poder executar outras funções. Para o testar foi necessário escolher qual a corrente nominal, 2.5 ou 5 A, através da colocação de duas pequenas chapas metálicas na parte de trás do relé. Depois foi necessário indicar qual a corrente máxima admissível do relé, por exemplo 1.2In. Esta corrente máxima admissível indica-se através da alteração de uma pequena roda à direita, quando se observa de frente o relé. O tempo que o relé deve suportar aquela corrente sem dar ordem de disparo ao disjuntor regula-se à esquerda, também numa pequena roda onde está uma escala de tempo. O segundo relé é digital e é designado por TPU S420. Trata-se de um relé de tecnologia mais recente fabricado pela EFACEC e actualmente utilizado para protecção e supervisão de linhas aéreas e cabos subterrâneos de média tensão. O relé efectua medidas de várias grandezas com grandes precisões e permite também um leque de funções de protecção. O TPU S420 foi inicialmente testado para protecção de máximo de corrente de limiar alto, com disparo instantâneo. Para configurar o relé para tal, apenas se tem que alterar os parâmetros existentes no menu do próprio relé. As alterações necessárias estão disponíveis no guião da coordenação de relés.

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Quando se utiliza este relé com a função de protecção de máximo corrente de limiar baixo de tempo inverso é necessário alterar novamente a programação da TPU S420 de modo a desempenhar novas funções. Um dos aspectos a ter em atenção é o facto de o valor de arranque da protecção de tempo inverso ser de 1.2Iop. Por isso, se a corrente nominal for de 2.5 A, deve-se colocar na TPU S420 uma corrente Iop de 2.09 A. Também o TMS deverá ser ajustado consoante a curva que se utilize. No nosso caso utilizou-se primeiro a curva NI e depois a VI ou MI, obedecendo à norma CEI 602553. Este relé foi ainda utilizado na parte prática associada aos regimes de neutro. Foi por isso testada mais uma das suas funcionalidades: a função de protecção de máximo de corrente direccional contra defeitos à terra. Esta função de protecção direccional é o bloqueio do disparo da protecção por máximo de corrente no caso de o defeito não ser na linha. Para testar esta funcionalidade utilizaram-se vários ângulos característicos e ainda a direcção para a qual se pretende que a actuação actue. De resto não houve mais considerações do que aquelas que são indicadas no guião relativo aos regimes de neutro. Foi montado o seguinte circuito monofásico no laboratório de sistemas de protecção para realizar testes sobre coordenação de relés de máxima intensidade:

TPU S420

R1 AC

A

ISM 21

R2

B

R3

C

RL

22V

Figura 6. Circuito utilizado para simular a coordenação de relés de máxima intensidade

Antes de provocar curto-circuitos em diferentes pontos do circuito montado para analisar a actuação dos relés, foi preciso determinar alguns parâmetros, como a corrente prevista.

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Sabemos que R1 = 2.3 Ω, R2 = 2.4 Ω, R3 = 2.0 Ω e RL = 2.0 Ω (pelas medidas efectuadas). A corrente que irá transitar no circuito será

. Como iremos simular

curto-circuitos apenas em B e C (utilizando para o efeito um interruptor ligado entre o barramento de defeito e a terra), determinou-se as correntes de curto-circuito previsíveis para os dois casos:

Como se pode verificar quando ocorrer um curto-circuito em B a corrente será superior do que quando este ocorrer em C como era de prever.

3.1.1 – Protecção Amperimétrica Em primeiro lugar foi programado o valor de actuação dos relés, isto é, a máxima corrente admissível antes de dar ordem de disparo. Para o relé ISM21 o valor programado foi o seguinte:

Foram também programados os relés para actuarem em tempos diferentes no sentido de perceber o funcionamento da coordenação de relés. O relé ISM21 foi programado de modo a actuar ao fim de 1 segundo após ter sido ultrapassado o valor da corrente admissível. Por sua vez, o relé TPU S420 foi programado de modo a actuar após terem passados 2 segundos. Garante-se assim a selectividade da rede, isto é, minimiza-se as perdas de operação de certos equipamentos. Pois é fundamental o ISM21 disparar antes do TPU S420, porque em caso de falha por parte do sistema no barramento C, ainda se consegue garantir a alimentação do barramento B se o ISM21 actuar. Caso fosse o TPU S420 a actuar num caso idêntico perdia-se uma parte mais significativa da rede pelo que iríamos aumentar fortemente a factura de custos associados à não continuidade de serviço. Após aplicar tensão na rede em estudo (sem provocar curto-circuito nenhum), verificou-se uma tensão de 22V como era de esperar e uma corrente um pouco acima dos 2.5A. Os relés, como era de esperar não actuaram pois a corrente admissível não foi ultrapassada.

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Quando provocado um curto-circuito no ponto C do circuito observa-se uma corrente de 3.1 A, valor um bocado inferior ao previsto nos cálculos prévios, pois as resistências utilizadas não eram muito fiáveis. Nesta situação verificou-se o disparo do relé analógico após 1 segundo e o disparo do relé digital passados 2 segundos. Conclui-se que os relés actuaram correctamente e como previsto. Salientou-se acima a importância neste caso (CC no ponto C) do relé ISM disparar antes do TPU. Podemos também confirmar que em caso de falha por parte do relé mais perto do defeito, isto é, o relé ISM21, o relé TPU S420 que corresponde à protecção backup neste caso, actuou e portanto houve correcta coordenação dos relés de máxima intensidade. Por outro lado, quando provocado um curto-circuito no barramento B verifica-se uma corrente de 3.85 A circulando na rede. Ou seja, temos uma corrente superior à corrente admissível pelas protecções, logo verificou-se disparo nos tempos correspondentes dos dois relés.

3.1.2 – Tempo Inverso Também foram efectuados ensaios para relé em modo de tempo inverso. O critério de coordenação dos relés de tempo inverso é igual ao dos relés de tempo definido. Neste trabalho foram utilizados os tempos de actuação definidos na norma CEI 60255-3, sendo que a TPU S420 também nos permitia a utilização dos tempos de actuação correspondentes à norma IEEE 37.112. Na norma CEI 60255-3 as características tempo versus corrente são obtidas pela seguinte expressão:

sendo que:  top é o tempo de operação do relé;  a e b são constantes;  TMS é o Time Multiplier Setting, ou seja, a selectividade de tempo;  Ia é o valor da corrente de arranque, e vale 1.2Iop;  Icc é o valor da corrente de curto-circuito.

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Os valores das constantes a e b são indicados na norma utilizada, e variam consoante o tipo de curva em questão: Standard Inverse, Very Inverse ou Extremely Inverse e são apresentados na tabela seguinte: Tabela 1. Características a e b segundo a norma CEI 60255-3

Tipo de Curva Standard Inverse Very Inverse Extremely Inverse

a 0.14 13.5 80

b 0.02 1 2

Apresentamos agora as curvas correspondentes a cada tipo, adaptadas a este circuito considerando o valor mínimo para o TMS; valendo este 0.05 e a corrente de arranque sendo de 2.5 A, enquanto que Iop corresponde aproximadamente a 2.1 A. 4

3,5

3

top (s)

2,5

2

1,5

1

0,5

0 2

4

6

8

10

12

14

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Icc (A) SI

VI

EI

Figura 7. Curvas de tempo de actuação para relés com características tempo inverso

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Observa-se na figura 7 que até um pouco mais de 8 A, a curva EI é a que apresenta o maior tempo de actuação seguida da VI e por fim da SI, mas a partir desse ponto a curva VI tem um tempo de operação inferior à da curva SI e por volta dos 11 A, a curva SI é a que apresenta o maior tempo de operação. Caso a corrente de curto-circuito continue a aumentar, será a curva EI a que terá o menor tempo de operação. Ou seja, para correntes mais elevadas os dispositivos de protecção têm uma actuação mais rápida. Portanto, os relés configurados com o tempo inverso são mais versáteis porque permitem uma larga gama de configurações para tornar a coordenação de relés entre diversas protecções, isto é, num sistema de grande dimensão, viável. Passando agora para a parte prática, utiliza-se o circuito já referido anteriormente, pois vão ser realizados testes em tudo semelhantes aos já realizados. Há apenas que alterar as configurações da TPU S420 de modo que funcione em tempo inverso. Inicialmente vai-se utilizar a curva SI ou NI, para depois comparar com os resultados obtidos com a curva VI ou MI. Aplicando tensão na rede e ainda sem defeito na mesma, confirma-se que a corrente se situa nos 2.5 A. Depois provoca-se um curto-circuito em C e a corrente de curto-circuito obtida é de aproximadamente 3.5 A. Observando a curva SI acima representada, facilmente se repara que o tempo de operação é de aproximadamente 1 segundo. No entanto o relé deu ordem de abertura aos disjuntores cerca de 0.8 segundos depois do início do defeito. Sabendo que o relé ISM21 dispara passado 1 segundo, a TPU S420 terá de disparar pelo menos passado 1.4 segundos. Convém por isso alterar o TMS para 0.15 de modo a garantir selectividade. Alterando então o valor do TMS na TPU S420 e aplicando tensão na rede, provoca-se novamente um defeito em C e a actuação dos relés já vai ser coordenada de modo a que tal como anteriormente actue primeiro o relé que se encontra mais perto do defeito e só depois outro que se encontre a montante deste. Provocando agora um curto-circuito em B, a corrente de curto-circuito é de aproximadamente 4.7 A. Observando novamente a figura 7, pode-se reparar que o tempo de actuação da curva SI para uma corrente de curto-circuito desta intensidade se situa perto dos 0.5 segundos. Deve-se por isso alterar o TMS para garantir a selectividade. Para passar esses 0.5 segundos para aproximadamente 2 segundos, é necessário que o TMS seja maior ou igual a 0.2. 16


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Alterado o valor do TMS na TPU S420 e provocando novamente um curto-circuito em B, as protecções já actuam de acordo com o esperado. Utilizando agora a curva VI ou MI, vai-se voltar a provocar um curto-circuito em C. Com um valor de 0.1 para o TMS deverá esta, garantir a selectividade. Provocando então um defeito em C observa-se efectivamente a coordenação dos relés, já que o relé mais perto do defeito actua primeiro do que o outro que se encontra a montante. Para um defeito em B, um TMS de 0.15 já assegurará selectividade. Provoca-se então um curtocircuito em B e tal como anteriormente se garante o bom funcionamento das protecções. O TMS tem de ser actualizado para cada caso, pois com um TMS que assegure a selectividade em todas as situações, por exemplo, um TMS de 0.25, poderá permitir que as correntes de curtocircuito durem durante muito tempo e possam danificar o equipamento. Também se verificou que os tempos de operação teóricos são um pouco diferentes dos práticos. Em algumas situações eram valores muito próximos, no entanto, numa ou noutra havia diferenças que não podiam ser desprezáveis.

3.2 – Regimes de Neutro A presença de uma tensão homopolar indica a existência de assimetrias e defeitos fase-terra. Logo é necessário dotar as redes eléctricas com equipamento sensíveis a essas grandezas de modo a evitar danos na própria rede e nos seus equipamentos. O sistema de protecção garante essa segurança e permite evitar consequências graves para a rede. Foi por isso utilizada uma unidade de supervisão e controlo nos testes efectuados de modo a verificar o bom desempenho da instalação eléctrica. Para comprovar o que foi mencionado anteriormente na revisão da literatura e então verificar na prática quais as consequências consoante se decide escolher um ou outro regime de neutro, realizou-se uma montagem semelhante àquela apresentada no seguinte esquema:

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Figura 8. Circuito para realização de testes sobre os regimes de neutro na média tensão

O circuito como se pode observar na figura 8 é composto por dois modelos de linha ligados em paralelo e alimentados pela rede trifásica do laboratório (primário do transformador a 400V). É de referir que os modelos de linhas utilizados não foram aqueles previstos. Isto é, surgiu um problema logístico na construção dos modelos de linhas já que faltaram os condensadores apenas (ver o relatório de actividades em anexo). Para não ficar desocupados, decidiu-se utilizar os modelos de linhas já montados e disponíveis no laboratório de protecções. Estes modelos correspondem a linhas de baixa tensão e os seus componentes foram dimensionados para funcionar como tal. Existe também no circuito um modelo de subestação que transforma a tensão composta da rede para 15 V. Além disso foi integrado um equipamento de protecção (TPU S420), para verificar se a rede era protegida (ordem de disparo do TPU) em caso de defeito à terra. Finalmente para provocar curto-circuitos à terra nas duas linhas utilizou-se um interruptor. A montagem realizada foi a seguinte:

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Figura 9. Montagem realizada no laboratório de protecções para efectuar testes nos modelos de linhas

A seguir apresentam-se os vários resultados verificados no circuito para os diversos regimes de neutro bem como alguns comentários. Pode-se já indicar que os ensaios efectuados foram os mesmos para todos os regimes de neutro. Programou-se a função de protecção “máximo de corrente de terra” do TPU S420 de modo a que Iop seja igual 0.9 A e Top igual a 1 segundo. Também foi programada a função de protecção “direccional de terra” do TPU para ângulos característicos de 0º, 7º e 90º. Quando se era provocado um CC no modelo de linha 1 (ou seja colocava-se o conector C1 na posição 2), era necessário alterar nessa função do TPU o estado “Frente” para “Trás”. Antes de apresentar os resultados quando provocados defeitos à terra, confirmou-se se o circuito estava a funcionar correctamente. Obtiveram-se os resultados seguintes:

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Figura 10. Resultados obtidos sem defeito à terra

Observa-se que as tensões nas fases correspondam mais ou menos ao esperado, isto é, 15V. Em relação às correntes nas fases, observa-se que a fase “b” tem um valor diferente das outras, isto porque faltava uma resistência para estabelecer uma ligação física entre dois pontos da fase, logo o circuito ficava em aberto. A seguir apresentam-se os resultados quando provocado um defeito à terra na fase C.

3.2.1 – Neutro Isolado Os resultados obtidos neste regime de neutro foram os seguintes. Quando provocado o curtocircuito à terra no modelo de linha 2 (ver figura 8) para um ângulo característico de 0º, a corrente de defeito Ic é igual a 1.185 A e as tensões nas diferentes fases sãs: Ua =38 V, Ub = 32 V e Uc = 8 V. Ou seja, verifica-se como era de esperar uma corrente de defeito reduzida mas um forte desequilíbrio de tensões. O TPU nesta situação não deu ordem para disparar. Para os ângulos característicos de 7º e 90º os resultados obtidos foram os mesmos que os obtidos anteriormente. Provocando um curto-circuito na linha em paralelo, obteve-se uma corrente Ic igual e 0.060 A e uma tensão Uc igual a 6 V. No que diz respeito às tensões e às correntes das outras fases, o resultado difere muito pouco. A corrente observada na fase C é relativamente baixa porque o

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defeito é provocado na outra linha cuja resistência é muito inferior à da linha onde se encontra o equipamento de protecção.

3.2.2 – Neutro Directamente Ligado à Terra Após colocar o conector C2 na posição 2 para ligar o neutro directamente à terra, obtiveram-se os seguintes resultados para um ângulo característico de 0º: 

Ic = 2.620 A;

Ua = Ub = Uc = 17 V.

Estes resultados estão de acordo com o esperado pois observa-se uma corrente na fase de defeito bastante elevada enquanto que a corrente nas outras fases se mantém inalterada. Em relação às tensões verificadas, vemos que são iguais para todas as fases e que não existem sobretensões. Nesta situação verificou-se uma ordem de disparo por parte do TPU. Tal como anteriormente, para os ângulos característicos de 7º e 90º os resultados obtidos foram os mesmos. Também nestes casos o TPU actuou e deu ordem de disparo para protecção da rede. Provocando o defeito à terra no modelo de linha 1 (ver figura 8), observa-se que a corrente na fase de defeito apresenta um valor muito mais baixo do que nas situações anteriores e esse valor da corrente ronda a corrente obtida sem defeitos. Não houve por isso ordem de disparo. Relativamente às tensões nas fases, podemos ver que são iguais e não se verificam sobretensões.

3.2.3 – Neutro Ligado à Terra através de uma Resistência Após colocar o conector C2 na posição 3 e regular a resistência para 50Ω, obtiveram-se os seguintes resultados: 

Ic = 1.140 A;

Ua = 35 V;

Ub = 28 V;

Uc = 8 V.

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Relatório Final

2010/2011

Verifica-se que estes resultados se encontram dentro do previsto até porque quando a resistência é elevada estamos num regime de neutro semelhante ao do neutro isolado. Também por essa razão não houve ordem de disparo do TPU. Com ângulos característicos de 7º e 90º, os resultados obtidos foram também muitos parecidos e por isso o TPU não deu ordem de disparo. Quando provocado o defeito na linha em paralelo, observa-se que a corrente na fase de defeito é baixa pela mesma razão apontada anteriormente no regime de neutro isolado. Para as tensões, também se verifica desequilíbrio nas diferentes fases. Diminuindo ligeiramente o valor da resistência de neutro observa-se que apenas para o valor 12.5 Ω é que ocorre a ordem de disparo do TPU. Os resultados obtidos neste caso foram os seguintes: 

Ic = 1.345 A;

Ua = 31 V;

Ub = 22 V;

Uc = 9 V.

Observa-se que a corrente de defeito é ligeiramente superior à da corrente de defeito observada no regime de neutro isolado. Como esperado, este valor é limitado pela resistência de neutro. No que diz respeito às tensões verifica-se que apesar de existir desequilíbrio, este é menor do que na situação anterior, com a resistência de 50Ω. Com ângulos característicos de 7º e 90º, os resultados obtidos foram também muitos parecidos e por isso o TPU deu ordem de disparo.

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Relatório Final

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4 – Dimensionamento dos Modelos de Linha 4.1 – Linha Aérea de Média Tensão 4.1.1 – Características

Esta linha aérea de média tensão [15kV] terá um comprimento total de 20 km. Os condutores serão de alumínio com alma de aço para melhorar a resistência mecânica dos mesmos. Pois, é claramente o material mais utilizado para linhas aéreas devido ao seu baixo peso e menor custo. Foi escolhida como disposição dos condutores a disposição em toalha horizontal transposta com 1 condutor por fase. Só se utilizam feixes de condutores por fase para tensões superiores a 220kV porque quanto maior o campo eléctrico maior a possibilidade de ocorrência do efeito coroa.

Figura.11 - Disposição de condutores em toalha horizontal transposta

A distância D entre condutores considerada é de 1 metro, pois pareceu-nos suficiente e plausível. Quanto a secção dos condutores foi-nos aconselhado pelo orientador da bolsa escolher uma secção de

. Finalmente podemos salientar que o modelo irá representar a linha no

seu modelo equivalente em π pelo que teremos de ter em atenção que a capacidade é dividida em 2 neste modelo matemático. Consultando o catálogo da Solidal e tendo em conta todas as características atrás referidas foi escolhido o cabo de alumínio-aço (ACSR) de normas de fabrico EDP DMA-C34-120/E e CEI 1089 de com 6 fios de alumínio e 1 fio de aço.

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Relatório Final

2010/2011

4.1.2 – Cálculo dos Parâmetros da Linha A seguir serão apresentados os detalhes dos cálculos efectuados para obtermos os diferentes parâmetros da linha. Primeiro, foi calculado o parâmetro mais importante numa linha deste tipo, ou seja, a indutância. Considerando as características todas do cabo anteriormente referidas sabe-se que a indutância é calculada da seguinte maneira:

Em que

representa a permeabilidade magnética do vazio;

a

distância entre fases e R o raio de cada condutor (em metros). Do catálogo da Solidal observa-se que para o cabo escolhido o diâmetro do mesmo é

,

por isso o raio do condutor é

A linha considerada tem comprimento total de 20 km logo a indutância terá como valor:

A seguir foi calculada a resistência do cabo para uma temperatura de uma temperatura ambiental igual a

. Sabendo que para

a resistência eléctrica máxima do cabo é

temos que:

Onde o alumínio,

representa o coeficiente de variação de resistividade a 20° para e

.

Substituindo na expressão temos:

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Relatório Final

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Sendo a linha de comprimento total 20 km temos que:

Finalmente falta calcular a capacidade da linha que iremos considerar sem influência da terra pelo que temos que utilizar a seguinte expressão:

Onde

representa a média geométrica da distância entre fases e é iguala:

representa a média geométrica da distância entre raios e é igual a:

E finalmente

represente a permissividade eléctrica do vazio.

Substituindo na expressão temos que:

Sendo a linha de comprimento total 20 km temos finalmente que:

Sendo o nosso modelo de linha o esquema equivalente em π da linha real temos como novo valor para a capacidade:

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Relatório Final

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4.2 – Cabo Subterrânea de Média Tensão Será agora modelizada uma rede subterrânea de média tensão com as características seguintes.

4.2.1 - Características Esta rede de média tensão [15 kV] terá um comprimento total de 10 km. Os condutores serão de alumínio porque tendo um peso menor do que o cobre. A secção escolhida foi

devido

ao seu uso na EDP para cabos desta natureza. Como montagem subterrânea dos cabos foi escolhida a montagem em esteira: a a b

b

Figura.12 - Disposição dos condutores em esteira

Após consulta do catálogo disponibilizado pela Solidal escolheu-se o cabo monopolar LXHIV de para tensões de 8,7/15 kV. Este cabo possui uma alma condutora de alumínio, é isolado em PEX, tem blindagem bem como bainha exterior em PVC.

4.2.2 – Cálculo dos Parâmetros do Cabo A seguir apresentam-se os cálculos para obter os diferentes parâmetros do cabo escolhido. Primeiro, calculou-se a indutância tendo em conta que numa canalização simétrica formada por condutores não magnéticos o coeficiente de auto-indução aparente médio é igual para todos os condutores, sendo dado pela expressão:

Sabendo que

então consegue-se calcular o raio da alma condutora:

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Relatório Final

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Onde e

corresponde ao diâmetro da alma condutora à média geométrica das distâncias entre eixos dos condutores. Por outro lado

sabemos do catálogo que

.

É aconselhado pelo distribuidor de energia deixar um espaço entre os cabos, , de pelos menos 10% do diâmetro do cabo pelo que admitimos que (ver figura 12), logo teremos que

.

Substituindo na expressão anterior:

Sendo a rede de comprimento total 10 km então:

A seguir foi calculada a resistência do cabo para uma temperatura de uma temperatura ambiental igual a

. Sabemos que para

a resistência eléctrica máxima do cabo em corrente

contínua é calculada da seguinte maneira:

Os valores de

para secções normalizadas e segundo a classe de flexibilidade da alma

condutora são fixados pela normalização portuguesa e internacional, assim temos no nosso caso que:

Em corrente alternada a resistência é igual a:

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Relatório Final Em que

2010/2011 é o coeficiente associado ao efeito pelicular e

é o coeficiente associado ao efeito

de proximidade. O método de cálculo destes coeficientes pode ser encontrado na Publicação n°287 da CEI. No entanto, à frequência industrial (50Hz) podem ser desprezados aqueles dois efeitos ( para secções dentro das gamas seguintes:

Tendo em conta que a secção do cabo escolhida é de

então despreza-se o efeito dos

coeficientes. A resistência linear de um condutor, em corrente alternada, pode ser calculada pela seguinte expressão:

Substituindo:

Sendo a rede de comprimento total 10 km temos que:

Finalmente falta calcular o último parâmetro do cabo sendo ele a capacidade do mesmo. Para isso, utilizou-se a expressão seguinte considerando o cabo de campo radial:

Em que

corresponde à permissividade relativa do dieléctrico, o PEX,

corresponde ao raio da alma condutora e

ao raio sobre o invólucro isolante.

Substituindo:

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Relatório Final

2010/2011

Logo para um comprimento total de 10 km da rede temos que:

Sendo utilizado o modelo em pi para modelizar a rede:

4.3 – Análise crítica dos resultados Tabela 2. Resultados obtidos no cálculo dos parâmetros eléctricos dos modelos de linha

Parâmetros

Linha Aérea

Cabo

R (Ω)

9,1

5,3

L (mH)

22

4,6

C/2 (µF)

0,1

0,85

Podemos observar na tabela 2 que os valores obtidos na indutância são coerentes, já que a indutância da linha aérea é bastante maior que a indutância do modelo subterrâneo. De facto, sabe-se que quanto mais afastados estiverem os condutores entre eles, mais a indutância é aumenta. Aqui neste caso, tem-se que a distância entre os condutores da linha aérea corresponde a 1 metro, enquanto a distância entre os condutores do modelo subterrâneo corresponde apenas a alguns milímetros. No que diz respeito às capacidades, observa-se que o valor relativo à linha aérea é menor do que o valor de capacidade associado ao modelo subterrâneo; como era de prever. De facto, sabese que a capacidade aumenta com a presença de dieléctricos com constante de permitividade relativa significativa; o que é o caso do PEX utilizado no dimensionamento do modelo de cabo. Também o afastamento entre os condutores já referenciado anteriormente é outro argumento a favor do resultado efectivamente verificado. 29


Relatório Final

2010/2011

4.4 – Material Encomendado Sendo cada modelo de linha representado por 3 fases, então teremos para cada fase que encomendar uma indutância e uma resistência. Logo teremos no total que encomendar 6 indutâncias e 6 resistências. Tratando-se do modelo equivalente em pi da linha, cada modelo terá ligado a cada fase 2 capacidades, ou seja, no total iremos encomendar 12 capacidades. Fazendo um resumo das encomendas: Tabela 3. Encomendas realizadas para futura montagem dos modelos de linha

Modelo de linha aérea

Modelo de linha subterrânea

3 Indutâncias de 22 mH

3 Indutâncias de 4.6 mH

3 Resistências de 9.1

3 Resistências de 5.3

6 Capacidades de 0.10

6 Capacidades de 0.85

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5 – Desenvolvimento de uma página Web A pedido do nosso orientador, foi desenvolvida uma página Web onde se alocou a informação toda relativa à bolsa de integração. Isto é, contém os vários relatórios desenvolvidos (relatórios intercalares, relatório final e relatório de actividades), a principal documentação utilizada, os vários links consultados, o plano de actividades e vários objectivos bem como informações acerca dos bolseiros. Foi para o efeito utilizado o software Joomla. Apresenta-se a seguir a página de introdução do site em que se pode encontrar na barra superior o endereço de acesso à página:

Figura 13. Introdução da pagina Web desenvolvida pelos bolseiros para disponibilizar informação online

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2010/2011

6 – Conclusão Vimos através dos resultados obtidos nos testes realizados em âmbito laboratorial que a coordenação de relés de máxima intensidade tinha de ser correctamente implementada para garantir selectividade na rede eléctrica. É essencial garantir essa selectividade para assegurar a protecção dos equipamentos bem como da própria rede e assim evitar custos elevados associados a possíveis danos. Sabe-se que em mais de 99% do tempo, os equipamentos de protecção ficam em estado passivos, no entanto a qualquer momento pode ocorrer um defeito na rede e provocar a actuação do sistema de protecção. É por isso garantido o retorno do investimento nesses equipamentos, pois podem evitar danos graves e custos associados muito maiores. Com os resultados obtidos a partir dos diferentes testes realizados no laboratório sobre os regimes de neutro, pode-se concluir que com uma resistência de 12.5Ω, temos uma situação que se posiciona entre o regime de neutro isolado e o regime de neutro directamente ligado à terra. É um regime que não apresenta correntes de defeito muito severas nem desequilíbrios nas tensões muito acentuados. No entanto, teremos que ter sempre em consideração a natureza da rede e da instalação na escolha do regime de neutro a utilizar. Finalmente conclui-se que os objectivos propostos foram atingidos com a realização dos testes e interpretação dos mesmos. Procurou-se verificar se estes testes eram viáveis e se efectivamente correspondiam à teoria. Esta bolsa serviu-nos de suporte para adquirir conhecimentos numa área nunca antes abordada e por isso considera-se que o objectivo principal de auto-aprendizagem foi atingido. Quanto à construção dos modelos de linhas, considera-se que foi parcialmente atingida pelas razões já referenciadas neste relatório e especificadas no relatório de actividades.

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7 – Referências [1] - Miguel Louro (Outubro de 2008) – “O sistema de protecções na perspectiva da segurança de pessoas em redes de MT”. Tese de Mestrado em Engenharia Electrotécnica e de Computadores – FEUP. [2] - Juan M. Gers e Edward J. Holmes (2004) – “Protection of Electricity Distribution Networks”, 2ᵃ edição. [3] - (2002) - “Protecção de equipamentos e sistemas de energia eléctrica” – Versão Provisória.

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Relatório Final

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8 – Anexos

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Relatorio Final da Bolsa