5-1

Capítulo 5 INTRODUÇÃO À PROTEÇÃO DIRECIONAL

5.1 Introdução

A proteção direcional é feita com relés que só "enxergam" as correntes de falta em um determinado sentido previamente ajustado (sentido de atuação do relé) . Se a falta provocar uma corrente no sentido contrário (corrente inversa ou reversa), estes não "vêem" , portanto não atuará.

Alguns relés são inerentementes direcionais, isto é, são projetados e fabricados para desenvolverem esta característica. Outros não são, portanto necessitam que unidades direcinonais sejam acopladas.

A característica direcional é necessária em relés de sistema que permite a inversão de corrente de falta, como é o caso de linhas em anel (Fig. 5.1). Esta inversão cria dificuldade de seletividade entre os relés não direcionais, impossibilitando a eliminação sequencial de faltas. Os relés direcionais inibem as medições de corrente reversas, evitando atuações indevidas.

1 2

G

45 a b 3

c2de

F1

Fig. 5.1 - Circuito em anel protegido por relés de sobrecorrente direcionais, com excessão de e

Na Fig. 5.1, considerando-se os relés com os sentidos de atuação dados pelas setas e com a temporização: t5 > t4 > t3 > t2 > t1 (sentido horário) e te > td > tc > tb > ta (sentido anti-horário), pode-se observar que o sistema de proteção é seletivo, pois uma falta em qualquer trecho será eliminada pela ação de dois relés mais próximos desta. Uma falta em F1, por exemplo, será limpa pela atuação dos relés de 4 e b .

Os relés direcionais caracterizam-se por duas grandezas de entrada, uma de operação ou atuação e outra de polarização ou referência.

A identificação da "direção de atuação" é feita utilizando o ângulo de defasagem da grandeza de operação em relação à grandeza de polarização.

As unidades direcionais mais comuns são do tipo corrente-corrente (as grandezas de polarização e atuação são duas correntes) e tensão-corrente (a grandeza de polarização é a tensão e a de atuação é a corrente).

Nos parágrafos seguintes serão estudados mais detalhadamente os conceitos aquí introduzidos de forma genérica.

e 5

5-2

5.2 Equação característica de um relé direcional

O funcionamento de um relé direcional pode ser representado pela seguinte equação característica 5.1 :

)cos(EEH 21 ττττ−−−−θθθθ==== ( 5.1) Onde: H: medida de sensibilidade do relé; θθθθ : ângulo entre os sinais de entrada E1 e E2 , que podem ser: duas correntes, duas tensões ou uma tensão e uma corrente; ττττ : ângulo de sensibilidade máxima

Essa equação fornece a MEDIDA DE SENSIBILIDADE MÁXIMA H de um RELË

DIRECIONAL, que será utilizada para traçar as suas características funcionamento.

5.3 Relé do tipo corrente-corrente É alimentado por duas correntes retiradas do sistema protegito através de TCs (Fig. 5.2.a). Uma será tomada como grandeza de referência e a outra como grandeza de atuação (Fig. 5.2.b). Tipicamente é aplicado na proteção de neutro ou terra de linhas de transmissão ou alimentadores com múltiplas fontes de corrente de sequência zero. Fig. 5.2.a - Esquema de alimentação de um relé direcional monofásico tipo corrente-corrente De acordo com a equação (5.1): E1=Ipol e E2=Iop . A Fig. 5.2.b exibe o diagrama fasorial de atuação do relé.

POSITIVOCONJUGADO

CONJUGADONEGATIVO

Iop

Ipol

α

θτ

LUGAR GEOMÉTRICO

LUGAR GEOMÉTRICODE CONJ. ZERO

DE CONJ. MÁXIMO

Fig. 5.2.b - Diagrama fasorial funcional de um relé corrente-corrente

Relé

corrente-corrente

Iop

Ipol

Sensibilidade ZERO

Região de ATUAÇÃO

Sensibilidade MÄXIMA

Região de NÃO ATUAÇÃO

5-3

5.4 Relé do tipo tensão-corrente

Este é o tipo de relé direcional mais comum. É conectado ao sistema protegido por meio de TPs e TCs (Fig. 5.3.a). A corrente é a grandeza de operação e a tensão, a grandeza de polarização. Geralmente é empregado para a proteção de faltas envolvendo somente as fases. Fig. 5.3.a - Esquema de alimentação de um relé direcional monofásico tipo tensão-corrente

Em conformidade com a equação ( 5.1) : E1=Vpol e E2 =Iop . Na Fig. 5.3.b tem-se o diagrama fasorial de operação do relé.

POSITIVOCONJUGADO

CONJUGADONEGATIVO

Iop

α

θτ

LUGAR GEOMÉTRICO

LUGAR GEOMÉTRICO

V

DE CONJ. ZERO

DE CONJ. MÁXIMO

Fig. 5.3.b - Diagrama fasorial funcional de um relé tensão-corrente

Relé

tensão-corrente

Iop

Vpol

Sensibilidade MÄXIMA

Sensibilidade ZERO

Região de ATUAÇÃO

Região de NÃO ATUAÇÃO Vpol

5-4

5.5 Conexões de relés direcionais

As polaridades dos circuitos de corrente e potencial, através dos correspondentes TCs e TPs determinam as condições de operação dos relés direcionais.Por exemplo, os relés direcionais tensão-corrente podem ser conectados a um sistema elétrico trifásico de diversos maneiras. Isto é, o ângulo entre a tensão e a corrente no relé define a tipo de ligação do mesmo. “O tipo de conexão ou ligação é determinado pelo ângulo entre a tensão aplicada ao circuito de potencial e a corrente ao circuito de corrente, considerando o sistema com fator de potência unitário e sequência direta”.

As conexões mais usuais são: 90o , 30o , 60o e 0o , estão mostradas nas Figs. 5.4 a 5.7, dadas a seguir.

V1

I 1

V2

I2

V3

I3

RELÉ

V1

I1

1

2

3

Fig. 5.4 - Conexão 0o

V1

I1

V2V3

V23

1

2

3

V

I

RELÉ

23

1 Fig. 5.5 - Conexão 90o

5-5

V

I

RELÉ

1

2

3

1

13

V1

I1

V2V3

-V 330

o

V13

Fig. 5.6 - Conexão 30o

I

RELÉ

1

2

3

1

V1

I1

V2V3

V23

V13 V23

V13 +

60o

Fig. 5.7 - Conexão 60°

Os relés de sobrecorrente direcionais ( 67 ), têm ângulos de sensibilidade máxima que podem ser ajustados numa faixa que varia geralmente entre 20°°°° e 80°°°°, entretanto, as faixas de atuação vão de aproximadamente -120o a +120o , em relação a reta de máxima sensibilidade. Procura-se ajustar este ângulo em conjunto com o ângulo de ligação do mesmo, a fim de que se possa obter o melhor desempenho possível na operação do relé.

A título de exemplo, considere-se o diagrama fasorial da Fig. 5.8, onde estão representadas a característica de um relé 67, com ττττ = 45o , ligação 90o e as correntes de curtos-circuitos de um sistema trifásico aterrado.

5-6

I

V23

TmaxT>0

T<0

T=0

1

Icc φ φ

φ

φ

3− 1

Icc3

Icc 1 - T

φ φIcc 1- 2

τ =45o

Fig. 5.8 - Característica de um relé 67 e correntes de curtos-circuitos

Observando-se a Fig. 5.8 , concluí-se que o relé apresenta melhor desempenho para o curto bifásico envolvendo as fases 1 e 2 e para o curto fase1-terra (correntes próximas da reta de máxima sensibilidade). No caso do curto bifásico entre as fases 1 e 3, não terá uma boa perfórmance (corrente mais afastada da reta de máxima sensibilidade).

5.6 Esquema de ligação de um relé de sobrecorrente direcional (proteção de fase)

A Fig. 5.9 mostra o esquema de ligação de um relé de sobrecorrente direcional para proteção de curto-circuito que envolve a terra, onde as grandezas de polarização e atuação são 3V0 e 3I0 , respectivamente.

1

2

3

RELÉ3Io

V

3Vo

1V2 V3

I3 I2 I1

DETERRA

Fig. 5.9 - Esquema de ligação de um relé direcional de terra

A Fig. 5.10.a apresenta o esquema de ligação típico de um relé de sobrecorrente direcional de proteção de fase. Já na Fig. 5.10.b , está mostrado o esquema de contatos, por fase, deste relé.

H MAX Atua

H=0

Não atua

Direção de

5-7

I3 I2 I1

3 2 1

67-

67- 67-

67-

67-

67-DIR DIR DIR

67-DIR

OC OC OC

1

1

2

2

3

3

1

2

3

67-DIR

1

367-DIR

2

V23

V12

V13

5

6

7

8

Sentido de atuação

Fig. 5.10.a - Esquema de ligação de um relé direcional de fase

+

-

Bobina de disparo do 52

Bobina da unidade de sinalização e selo

OCS

DIR

Contato NF do 52

67

67

Fig. 5.10.b - Diagrama de contatos do relé de sobrecorrente direcional Exercícios: 1) Identifique o tipo de conexão da Fig. 5.10.a e trace o diagrama fasorial. Anlise o desempenho do relé para o caso das correntes de curtos-circuitos representadas na Fig. 5.8. Para isso, considere o relé ajustado, primeiramente, com ττττ=45o , depois com ττττ=30o 2) Ligue o relé na conexão 30o e repita a questão anterior.

Circuito de sinalização

Circuito de disparo do disjuntor

Contato NF do disjuntor

Direção de atuação