1CAPTULO 3

RELS DE CORRENTE, TENSO E POTNCIA

Prof. Jos Wilson Resende Ph.D em Sistemas de Energia Eltrica (University of Aberdeen-Esccia)

Professor titular da Faculdade de Engenharia Eltrica Universidade Federal de Uberlndia

3.1 Definies Gerais a) Rel de corrente 51 ASA:

Sua grandeza de atuao uma corrente fornecida ao rel (diretamente, ou por TC). So rels cuja funo abrir um circuito, quando a corrente que percorre sua bobina excede do valor normal. A bobina desse rel est sendo continuamente alimentada pela corrente do circuito, atravs de TC, de modo que, quando atingir um valor pr-determinado (valor de ajuste), o rel opera, provocando a abertura do disjuntor.

Os tipos construtivos mais usados para estes rels so o de armadura em charneira ou, axial, que oferecem uma caracterstica de tempo instantnea e, o de disco de induo, que oferece uma caracterstica temporizada.

Nos rels de sobrecorrente temporizados existem dois ajustes: Ajuste de Corrente: feito nos tapes da bobina principal. Ajuste de Tempo: feito, regulando-se a distncia de percurso do contato mvel.

b) Rel de tenso 59 ASA: Sua grandeza de atuao uma tenso (diretamente ou por TP). Quando a tenso

varia, temos dois casos a considerar: Aumento da Tenso Diminuio da Tenso

O primeiro caso seria uma sobretenso, o que geralmente ocorre quando sai uma

grande parte da carga de um gerador. O rel de sobretenso anlogo ao rel de sobrecorrente, inclusive, nos tipos construtivos.

O segundo caso seria de uma subtenso, que acontece quando ocorre um aumento excessivo da carga, ou mesmo, um curto-circuito. Geralmente aplicado na proteo de equipamentos que no operam satisfatoriamente com tenses baixas.

c) Rel de sobre e sub (corrente, tenso): O rel atua para valores acima ou abaixo de um valor predeterminado. d) Contatos a (NA) ou b (NF): como aparecem nos esquemas (com suas posies, estando o circuito desenergizado). e) Cdigo ANSI:

2 o cdigo americano, para indicao abreviada dos diversos elementos de um esquema. f) Regime de um rel: So as condies em que ele melhor desempenha sua funo (40oC, tempo de circulao de corrente: 1 segundo, segundo a normaANSI). Para maiores tempos (estipulados pelo fabricante):

usar: I2t = 48400 (rel tipo BDD, diferencial c/ restrio harmnica, da GE) Ex.: = t/1220I Esta equao significa que, para t = 1 segundo, I = 220 A.

Para t segundos, usa-se tambm a equao acima.

g) Regime dos contatos: Indica a corrente e a tenso que os contatos suportam, sem auxlio de contatos mais robustos, alm de indicar se estas ondas so AC ou DC. h) Consumo prprio (carregamento): Refere-se ao consumo, em potncia, do rel (e TPs e TCs).

Exemplo: No catlogo do rel de sobrecorrente da GE, IAC 51 (com tapes no primrio de 4 a 16 A e no secundrio 5A): Potncia 0,1 , no tap menor (4A). a potncia correspondente ser: N = 1,6 VA

i) Regime trmico: Indica a corrente admitida em certo tempo. Por exemplo, o rel PCD, da GE, direcional, tem: 20 In, durante 3 segundos. j) Pick-Up o valor da grandeza caracterstica para que o rel opere, abrindo seus contatos tipo b e fechando seus contatos tipo a. k) Drop-Out o valor mximo da grandeza caracterstica que o rel desopera, abrindo seus contatos tipo a e fechando seus contatos tipo b. l) Reset Resetear um rel coloc-lo em condies de uma nova operao. Isto , voltar o rel sua condio inicial. O reset pode ser mecnico ou eltrico.

3

3.2) Princpios de funcionamento dos rels Os rels podem ser dos seguintes tipos de funcionamento:

Rels de Atrao Eletromagntica Rels de Induo Eletromagntica Rels Trmicos Rels Eletrnicos (estticos, microprocessados, numricos(digitais)).

3.2.1. Rels de Atrao Eletromagntica Existem dois tipos de rels eletromagnticos tipo atrao:

Armadura Axial e Armadura em Charneira. Esses rels so do tipo instantneo e tm muitas aplicaes em proteo contra faltas. Eles so sensveis a grandezas contnuas ou alternadas.

A figura 3.1 mostra a armadura axial e que consiste de uma bobina solenide, a

qual, energizada eletricamente, atrai para o seu interior um ncleo de ferro. O movimento desta pea atua direto ou indiretamente para disparo do disjuntor.

Figura 3.1: Rel de atrao axial

A figura 3.2 mostra a armadura em charneira, que consiste de uma armadura

magntica, mvel em torno de um eixo, fechando um circuito magntico, quando este for estabelecido pela corrente eltrica no enrolamento da bobina do rel.

4

Figura 3.2 Rel de atrao em charneira.

3.2.2. Rels trmicos Consistem, em geral, de uma lmina bimetlica aquecido pela passagem de

corrente eltrica em um resistor colocado adjacente. A lmina se distende, dando contato no circuito de disparo do disjuntor.

Figura 3.3 Rel trmico

3.2.3. Rels estticos

O desenvolvimento de dispositivos semicondutores estticos, com alto grau de confiabilidade, como os transistores, o SCR, etc., conduziu ao projeto de rels de proteo, que utilizam esses componentes.

5Esses rels so extremamente rpidos em suas operaes, porque no tm partes

mveis. Eles apresentam as seguintes vantagens bsicas em relao aos rels eletromecnicos:

alta velocidade de operao, independentemente da magnitude e localizao da falta;

carga consideravelmente menor para os transformadores de instrumentos, menor manuteno pela ausncia de partes mveis.

3.2.4) Rel de Induo Eletromagntico

Os rels eletromagnticos, tipo induo, se baseiam na ao exercida por campos magnticos alternados sobre as correntes induzidas por esses campos em um condutor mvel, constitudo por um disco ou copo metlico.

H duas formas bsicas de rels de induo: os do tipo tambor de induo, que so de alta velocidade (ou

instantneo), e os do tipo disco de alumnio como condutor mvel. Estes so teis

quando os rels so temporizados. O rel do tipo tambor de induo possui os principio do motor de induo.

Consiste num tambor ou copo condutor, geralmente de alumnio, que se move no entreferro de um circuito magntico mltiplo.

Figura 3.4 Rel de induo eletromagntica: tambor de induo.

3.3 O Rel de Induo

Neste tipo de rel, um disco se movimenta no entreferro de um ncleo magntico, atuado pelos enrolamentos do rel. Em geral, solidrio com o eixo do

6disco, existe um contato mvel para disparo do disjuntor. Podemos modificar o tempo de fechamento por meio de um dial, variando-o percurso total do contato mvel.

Figura 3.5 Rel de induo eletromagntica: disco de induo

OBS.: Na prtica, o entreferro de poucos milmetros de comprimento. O anel de defasagem causa um defasamento nos dois fluxos, 1 e 2:

+==

)tsen(.tsen.

22

11 Onde: 1 e 2 = fluxos mximos produzidos

Devido desprezvel indutncia do disco, as correntes induzidas i1 e i2 esto, praticamente, em fase com as tenses e1 e e2 induzidas no disco:

Podemos escrever que: dtd.Kne =

dtd.

Rn.K

Reitcos..

dtdi 111

==

7

)cos(..222 +tdtdi

Pela regra da mo esquerda, nota-se o aparecimento das foras F1 e F2, em oposio. A fora lquida no entreferro : F = (F2 F1) 1 = (2 . i1 - 1 . i2) = F .1.2[sem(t+).cost-sent.cos(+) Com simplificaes trigonomtricas: F . 1 . 2 . sen = K . I1 . I2 sen (3.1) De (3.1) conclui-se que: a) A fora no disco constante, mesmo sendo a grandeza de entrada no rel, senoidal. b) A fora no rel proporcional ao seno do ngulo de fase entre os dois fluxos Fmx

= 90o. c) A referida fora, por ser ainda proporcional freqncia aplicada, poder ser

aumentada sensivelmente, com variaes de freqncia. Isso deve ser evitado, no bom rel.

Ainda com Relao nota b: = 90o difcil de se obter, pois isto equivaleria a um anel de defasagem com resistncia nula. Vamos decompor a corrente I1 em suas componentes indutiva (I1i) e resistiva (I1r):

Figura 3.6a: Noo de conjugado mximo do rel de induo

Da figura tira-se: C = conjugado do rel = K . I1i . I2 . sen( - )

onde : ngulo de projeto do rel Cmx para sen( - ) = 1, isto :

8

- = + 90 ou = + 90 + Pode ser tirado da figura acima que:

)Tcos(]90)Tsen[()T90sen()sen(C

de ngulo:TT90

o

mx

=+=+==

Assim, poderemos escrever que: C = K . I1i . I2 . sen( - ) = K . I1i . I2 . cos( - T) Cmx ocorrer para cos( - T) = 1 = T Cnulo ocorrer para cos( - T) = 0 = T + 90 Exemplo: Seja o rel de distncia, SIEMENS, R3Z27, que possui T + 60, 67, 73 e 80o . Ajustando-o para T = 60o . Cmx = T = 60o - 30o Cnulo = 60 + 90o - 150o

Figura 3.6b: Exemplo numrico de conjugado mximo do rel de induo

H uma regio de conjugado, em torno da posio de Cmx. Direcionalidade dos rels: s h conjugados para variaes de I2 (grandeza de operao em relao grandeza de referncia I1i) desde 0o at 180o . Isto : no defeito de curto circuito o sentido de I2 se inverte e, assim, constata-se a condio de defeito (I2 se situar na regio de existncia de conjugado).

9

3.4 Equao Universal dos Rels Do rel elementar, de sobrecorrente: Fe = KI2 Do rel de induo: F = KI1i: I2.cos( - T) O rel visto em (3.2) operado por uma grandeza simples (corrente). Caso a grandeza atuante fosse a tenso, teramos: F = K . V1i : V2 cos( - T) A estrutura polar do rel de induo pode ser substituda por duas estruturas polares, cada uma recebendo uma grandeza de atuao e sem o anel de defasagem (cada estrutura prove um fluxo simples, 1 e 2). A partir da equao: F2 . 1 . 2 sen tira-se: F = K . I1 . I2 sen F = K . U1 . U2 sen F = K . I1 . U2 . sen , cuja forma geral : F = K3 . I . U . cos( - T) A constante de mola representada tambm por uma constante (K4).

A equao universal do conjugado dos rels ser:

C = K1 . I2 + K2 . U2 + K3 . U . I . cos( - T) + K4 3.5 Ajuste dos Rels de Corrente 1. Ajuste de corrente: pode ser obtido de vrias maneiras: Variando o entreferro Pela tenso da mola Por pesos Por taps em derivao da bobina 2. Ajuste de tempo: Por regulagem do percurso do contato mvel (ajuste do

dispositivo de tempo DT) ou, por outros meios (de acordo com a construo do rel).

Conjugado de um Rel de Corrente Tomando a eq. Geral dos rels: C = K1 . I2 + K2 . U2 + K3 . U . I . cos( - T) + K4 e fazendo U = 0: C = K1 . I2 + K4

10

Onde: K4 = Cte. Da mola, ou de um im uniformizador da velocidade do disco.

Figura 3.7: Esquemtico de conjunto rel-disjuntor

11

EXERCCIOS 1) Seja um Rel de Sobrecorrente (IAC 77 GE), que aciona um disjuntor que deve desligar para:

seg. 0,3 em ,A3750IA450I

cc ==

e que tenha RTC = 60/1.

Soluo: Do catlogo do fabricante tem-se que a caracterstica t x i deste rel extremamente inversa. Este tipo de curva adequado para proteo de circuitos alimentadores de distribuio primria, pois haver melhor coordenao com fusveis e religadores. Notas: O conjugado eltrico que provoca a rotao do disco produzido por uma eletroim e aumenta com a corrente . Contudo, a partir de um determinado valor da corrente, a estrutura de ferro comea a saturar e, conseqentemente, um aumento da corrente no corresponde a um aumento proporcional do fluxo. Projetando-se adequadamente a quantidade de ferro e o no de espiras da bobina, obtm-se vrias curvas caractersticas: Curva inversa: tem a menor quantidade de ferro e a maior quantidade de espiras. Curva extremamente inversa: maior quantidade de ferro e o menor nmero de espiras.

Figura 3.8: tipos de curvas para os rels de sobrecorrente

12

A abcissa graduada em mltiplos da corrente de acionamento ( a corrente necessria para fechar os contatos quando o rel se encontra na diviso 0,5 do ajustador de tempo).

O ajustador de tempo permite graduar o tempo que a unidade demora para fechar os contatos, quando a corrente atinge um valor pr-determinado (as divises so de 1/2 a 10).

O contato do rel fechar quando a corrente em sua bobina estabelecer o conjugado necessrio para girar o disco de induo.

Figura 3.9: Diagrama de conexes e circuito DC para rels de sobrecorrente

IMPORTANTE: Como o rel, s vezes, deve operar para pequenas sobrecorrentes (ocasio em que o conjugado pequeno) poderia haver o perigo do contato da unidade no ficar firmemente fechado no momento em que a chave auxiliar 52/A do disjuntor estiver abrindo o circuito de disparo. Para evitar a danificao do contato da unidade (devido ao arco formado pela presso de fechamento), este curto-circuitado pelo contato de selagem, que se manter firmemente fechado at a completa abertura da chave auxiliar 52/A. Para atender condio de disparo para I 450 A, o valor do tape de corrente deve

ser:

xA450A1A60 x = 7,5A adota-se o tap mais prximo, que o de 8A.

Para determinar a diviso do ajustador de tempo a ser usado, determina-se

primeiramente a corrente que circular no rel quando ocorrer o curto-circuito:

y3750A160 y=62,5A, o que equivale ao mltiplo

85,62 = 7,8 vezes o ajuste do tape.

13

Da figura abaixo, conclui-se que para obtermos um tempo de disparo de 0,3 seg. para 7,8 vezes a corrente de acionamento, devemos escolher a diviso 3,5 do ajustador de tempo. Caso se quisesse o disparo em 1,0 seg. deveria ser escolhida a diviso 10.

Figura 3.10: Aspecto das curvas tempo-corrente dos rels de sobrecorrente

2) Uma corrente de falta de valor 8.000 [A] detectado pelo rel de sobrecorrente cujas curvas se encontram a baixo. Tal rel est no secundrio de um TC cuja relao (RTC) de espiras de 1000:5 A. O rel est ajustado no tape 8 A e na curva DT=4. Para esta falta, qual ser o tempo de atuao do rel sobre o correspondente disjuntor? Soluo: Para 8.000 A no primrio a corrente no rel ser:

14

A40xxA8000A5A1000 =

O mltiplo da corrente de acionamento, neste caso, ser: m = 40/8 = 5,0. Levando este valor na figura do exerccio anterior, para DT=4 e m=5, tem-se que este rel atuar em aproximadamente 0,8 seg. 3.5b) Ajustes do rel microprecessado URPE 7104 (PEXTRON)

As curvas caractersticas mais comuns para os rels de sobrecorrente digitais so representadas pela seguinte equao:

)1(.= M

dtKt Onde:

t: tempo de atuao K: constante que caracteriza o rel dt: dial de tempo M: mltiplo da corrente de atuao (*) [corrente de entrada/corrente ajustada para o rel iniciar a contagem de tempo] : constante que caracteriza a curva

(*): tambm conhecida por Corrente de pick-up ou Corrente de partida .

15

A tabela abaixo apresenta os ajustes de curvas padronizadas:

CURVA NORMALMENTE INVERSA (NI)

MUITO INVERSA (MI)

EXTREMAMENTE INVERSA (EI)

TEMPO LONGO

K 0,14 13,5 80 80 0,02 1 2 1 dt Ajuste de tempo de atuao M Mltiplo da corrente de atuao

CURVAS OBTIDAS PARA AS CONSTANTES ACIMA:

16

3.6 Rels de Tenso

Reagem em funo da tenso do circuito eltrico que esto protegendo. Fazendo I = 0 na equao geral dos rels: C = K1 . U2 + K4 Normalmente, os rels de tenso no so temporizados.

Aplicaes: a) Rel de sobretenso: abrindo disjuntores quando U > Uregulagem b) Rel de subtenso: abrem quando, por exemplo, U < 0,65 Uregulagem c) Rel de partida (ou de acelerao): curto-circuitam parte de resistncias de

dispositivos de partida, em acelerao de motores. A figura a seguir ilustra um arranjo de um rel de tenso eletromecnico.

17

Figura 3.11: Um arranjo de rel de sobretenso

3.7 Rel de Balano de Corrente Podem ser usados em sobrecorrentes ou como indicadores de direo do fluxo de potncia (direcionais)

Figura 3.12: Esquema bsico do rel de balano de correntes

Na figura: 3

222

211 KI.KI.KC = (I1 e I2 em fase)

No incio da operao C = 0. Desprezando o efeito da mola (0 = K3):

21

21

222

211 I.K

KIou I.KI.K ==

Considerando o efeito da mola: = 1212

3

2

12 I.I.K

KKKI Supondo I2 = 0:

=1

31 K

KI

18

Pela curva acima, nota-se que, nesta situao, o rel poder operar para I2 = 0, porm exigindo um certo valor para I1 (para vencer a mola). Aplicaes: Proteo de linhas paralelas e enrolamentos de fase dividida, de geradores (comparando correntes de mesma fase). Para aumentar a sensibilidade, ao invs de usarmos I1 e I2 separadamente, usam-se (I1 + I2) e (I1 I2) na equao do conjugado:

C = K1(I1 + I2) (I1 I2) K2

21 II Se && = : C = - K2 ( o rel no operar) 21 II Se && : haver conjugado : o rel pode operar A direo do conjugado depende de qual corrente maior: I1 ou I2 Logo, diz-se que o rel DIRECIONAL. 3.8 Princpio de operao dos Rels Estticos: Os tempos de operao dos rels ESTTICOS so bem mais confiveis, os rels so mais sensveis, possuem baixo consumo e no tm peas mecnicas desgastveis.

Figura 3.13: Esquema bsico de um rel esttico

Como funcionam: I1 e I2 so introduzidos na ponte retificadora de onda completa. Os dois

retificadores so conectados em oposio, de modo que a corrente ID = IA IB circule sobre um sensvel rel de bobina mvel (ID uma corrente contnua)

A polaridade desta corrente ID detectada pelo elemento de medida M. Por ex.: se ID > 0 abre o rel.

Os rels de distncia, estticos, possuem preciso de 5%, para Icurtos de 1 a 60 Inom.

19

3.9 Rels direcionais e/ou de Potncia: Um rel chamado direcional quando for capaz de distinguir se o fluxo de

corrente em uma ou outra direo, atravs do ngulo de fase entre a grandeza de operao e a grandeza de polarizao.

Os rels direcionais so usados na proteo contra curto-circuito, contra outras anormalidades ou, como elemento de discriminao direcional apenas. Existem dois tipos de rels direcionais, o tipo corrente-corrente e o tipo corrente-tenso.

No tipo corrente-corrente a grandeza de operao a corrente de linha e a grandeza de polarizao a corrente no neutro de um trafo ou de um gerador.

Figura 3.14 Rel direcional corrente-corrente.

No tipo corrente-tenso a grandeza de operao novamente a corrente de linha. No entanto, a grandeza de polarizao a tenso, que pode ser obtida de uma ligao em delta, estrela ou delta aberto, conforme o tipo da proteo.

Figura 3.15 Rel direcional corrente-tenso.

20

Como foi mencionado anteriormente, esse tipo de rel pode ser usado como elemento direcional, permitindo trip somente para o fluxo de corrente em uma determinada direo. Para se determinar se a causa desse fluxo de corrente um curto-circuito (ou no), um rel de sobrecorrente usado. Na figura 3.16 temos um exemplo de uma unidade direcional supervisionando a atuao das unidades de sobrecorrente.

Figura 3.16 Esquemtico DC mostrando unidade direcional.

3.9.1. Rels Direcionais de Potncia conectado tal que o conjugado mximo do rel ocorra para cargas com fp = 1,0 (fig. 3.17(a)):

Figura 3.17: Tipos de alimentao de um rel direcional de potncia

A figura 3.17(b) uma outra alternativa de conexo. No caso de circuitos trifsicos desequilibrados:

21

um nico rel monofsico (para Ia) no poder ser usado: usam-se 3 unidades monofsicas, com os 3 conjugados somados, acionando um nico jogo de contatos. Os rels direcionais de potncia podem ser calibrados em funo da mnima corrente

de operao, (sob tenso nominal), ou em termos da mnima potncia de atuao, em watts. Normalmente esses rels so temporizados, para impedir operao indesejvel.

3.9.2. Rels Direcionais para Proteo Contra Curto-Circuito So arranjados para desenvolver conjugado mximo sob condies de corrente

bastante atrasadas da tenso (situao caracterstica de curto). No curto, o fp passa de 0,90 (por ex.) para 0,30. Isso implicar em uma alterao

no ngulo de 25o para 75o T = = 75o conjugado mximo. O rel ir atuar. Estes rels so geralmente usados para completar outros: O rel direcional atua somente se a corrente flue em uma determinada direo. J

outros rels determinam: (1) se de fato h um curto; (2) se o curto tal que os disjuntores devam abrir.

O rel direcional no temporizado, seus pick-up no so ajustveis, mas operam

sob baixos valores de corrente. Conexes que descrevem a relao entre a corrente na bobina do rel e a tenso de referncia, sob condio de fp = 1, na carga (sistema sem defeito):

Figura 3.18: Alimentao do rel direcional de curto-circuito

22

3.9.4. Aplicaes (Rels Direcionais) 3.9.4.1. Polaridade

indicada por uma marca (x) acima ou prxima do smbolo, do terminal ou do enrolamento do rel, junto com uma nota indicando seu significado.

OBS.: duas marcas so necessrias, pois uma apenas, no tem significado. NOTA: Com a polaridade instantnea indicada, o contato fecha. Significado da indicao exemplificada: Se a queda de tenso, na bobina de tenso, for do terminal com marca para aquele sem marca, e estiver em fase com o fluxo de corrente (na bobina de corrente), do terminal com marca para o terminal sem marca, ento O REL FECHAR OS CONTATOS. a) Caractersticas dos Rels Direcionais:

Alem da marca de polaridade, as unidades direcionais tm um ngulo de fase caracterstico que deve ser entendido, para que as unidades possam ser corretamente conectadas ao sistema: Os tipos de conexes para elementos direcionais mais usados so:

No

Conexo

Tipo Rel

Fase 1 Fase 2 Fase 3 H Cmx quando (*)

I V I V I V 1 30o Watt I1 V13 I2 V21 I3 V32 Iatr. 30o 2 60o Watt I1 - I2 V13 I2 - I3 V21 I3 - I1 V32 Iatr. 60o 3 60o Y Watt I1 -V3 I2 -V1 I3 -V2 Iatr. 60o

4A 90o - 45o Watt I1 V23 I2 V31 I3 V12 Iatr. 45o 4B 90o - 60o Cilindro I1 V23 I2 V31 I3 V12 Iatr. 60o

(*) Cmx, para as fase 1, 2 e 3 Como se v, os valores para (ngulo de defasamento) so 30o, 60o e 45o .

23

No.1:

No. 2:

No.3:

No.4a:

No. 4b:

Figura 3.19: Tenses e correntes relativas s diversas conexes dos rels direcionais

NOTAS: Estas conexes so feitas selecionando-se as apropriadas grandezas do sistema, para dar a desejada posio de Cmx no defeito, com fp = 1,0 V1 e I1 em fase antes do defeito).

24

As conexes dos diversos tipos so mostradas a seguir:

Figura 3.20: Diversas conexes de unidades direcionais