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MATRIZ Rua da Psicanálise, C-14, Q-22-Cohafuma - São Luis – Ma CEP:65.074-745

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Rádio Ribamar LTDA

Estudo de Coordenação e Seletividade dos

Dispositivos de Proteção

São Luís, Junho/2013

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Comércio, Serviços e Representações Ltda.




Í D I C E

1. Introdução

2. Descrição da Subestação de Energia Elétrica e Critérios para determinação dos ajustes e Estudo de Proteção

3. Correntes de Curto-Circuito

4. Determinação dos Ajustes da Proteção

5. Curvas de Seletividade (Coordenograma)

6. Especificação Transformadores de Corrente

7. Corrente de Magnetização e Ponto ANSI do Transformador

8. Capacidade de Interrupção dos Disjuntores

9. Normas e Especificações

10. Considerações Finais e Recomendações

11. Anexos

A.1 - Dados fornecidos pela CEMAR

A.2 - Diagrama Unifilar

A.3 - ART (Anotação de Responsabilidade Técnica)

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1. ITRODUÇÃO Este Trabalho tem como objetivo estabelecer condições técnicas mínimas exigidas pela CEMAR na instalação de grupo gerador de energia elétrica particular visando assegurar a interligação adequada entre a rede de distribuição da CEMAR e o grupo gerador particular, observando-se os aspectos de proteção, operação e segurança, para as Instalações Elétricas da Subestação da Rádio Ribamar LTDA – TV Cidade, localizada Rua Raimundo Vieira, Centro, São Luis-MA, que atualmente é alimentada em 13,8 kV através do alimentador AL01C7 da subestação o Centro do sistema da CEMAR. Para realização deste estudo calculamos os níveis de curto-circuito com base no relatório de impedâncias fornecido pela Cemar. Para o cálculo dos ajustes das proteções levamos em consideração o aspecto de coordenação e seletividade entre os dispositivos de proteção, o qual visa determinar os ajustes necessários de forma que o sistema elétrico opere com segurança durante as condições normais de carga e de defeito.

O sistema de proteção foi avaliado quanto à sua capacidade de suportar as correntes normais de carga, sem falsos desarmes, bem como quanto à sensibilidade para perceber falhas, capacidade de selecionar a área atingida e rapidez no desligamento seletivo. O controlador colocará o Grupo Motor Gerador – GMG deverá está no estado Automático, e os ajustes da proteção serão contemplados pelo controlador DS7520 incorporado com as funções 27, 32, 59, 67, 50, 50N, 51, 51N que atuara no disjuntor geral, serão instalados juntamente com o Gerador um quadro transferência automática no qual as cargas são transferidas da Rede CEMAR para o grupo gerador e vice-versa de forma ininterrupta. As proteções ajustadas para o sistema com transferência automática(sem paralelismo com o sistema da CEMAR), também contemplam os ajustes é proteções para o paralelismo momentâneo entre o grupo gerador e o sistema elétrico da CEMAR, garantindo um tempo menor que 15 segundos de paralelismo, controlado pela unidade de supervisão corrente alternada – USCA (DS7520), e intertravamento Geral, conforme diagrama unifilar em anexo. São Luís, 03 de Outubro de 2012.

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2. DESCRIÇÃO DA SUBESTAÇÃO DE EERGIA ELÉTRICA A Subestação de Energia Elétrica da Rádio Ribamar LTDA – TV Cidade com carga instalada de 112,5 kVA, composta por 01 (um) Transformador Abaixador de Tensão de 112,5 kVA, Tensão Primária de 13.800 V e fechamento em Delta, Tensão Secundária de 380/220 V aérea. A interligação da concessionária com o Ponto de Entrega, através do alimentador AL01C7 da subestação o Centro do sistema Cemar. O ponto de entrega da concessionária aéreo, conforme padrão CEMAR (NT.GEMS.002), com 3 para-raios de Óxido de Zinco 12kV, 10kA, chave fusível distribuição 15kV ou 25kV - 100A/ -10kA/Base C, transformador de distribuição, caixa de medição/proteção (para instalação de dispositivos de medição e proteção).

A medição CEMAR é realizada em baixa tensão (380/220 V), no secundária com medição indireta e transformadores de corrente de BT através de caixa com compartimentos com TC´s, conforme padrão CEMAR. O gerador localiza-se em área separada, fisicamente, do recinto onde estão instalados os equipamentos destinados à subestação, tendo o sistema de supervisão Stemac View Lite fornece, em tempo real, o monitoramento das principais medições, alarmes e status, possibilitando interagir através de comandos remoto de partida e parada do Grupo Gerador, bem como, comandar a abertura e o fechamento das Chaves(Intertravamento) , através do controlador DS7520.

DIAGRAMA DE CONEXÃO

A ilustração abaixo representa a topologia de conexões necessárias para a comunicação entre o software Stemac View Lite e o controlador do GMG.

Figura 1 – Diagrama de Conexão Sistema Rádio Ribamar LTDA.

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2.1 GRUPO GERADOR (G1) Capacidade nominal operativa 240 kVA e capaz de operar até 260 kVA em regime de trabalho intermitente. Fator de potência ϕ: 0,8 Tensão máxima e mínima operativa : 220V-60Hz (fase/fase) ± 10% Modelo : GTA 252 AI44 (G1) Fabricante: WEG Reatâncias (%): - Reatância Síncrona de eixo direto não saturada Xd : 4,2 - Reatância Transitória de eixo direto saturada X’d : 0,206 - Reatância Subtransitória de eixo direto saturada X”d : 0,124 - Reatância de Sequência Zero X0 : 10,1 Constantes de Tempo (ms) - Constante Transitória de eixo direto em curto-circuito T’d: 150 - Constante Subtransitória de eixo direto em curto-circuito T”d: 14,5

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2.1.2 Características do sistema de transferência (Rede x Gerador) – 13,8kV Para a interligação do gerador será em 220/127 V. No circuito secundário da subestação particular, existem as seguintes proteções que atuam no disjuntor (52): 25 Função de sincronismo 27 Função de subtensão 32 Função direcional de potência 81 Função de subfrequência 50/51 e 50/51N Função de sobrecarga instantânea e temporizada, de fase e neutro 51V Função de sobrecorrente com restrição de tensão 59 Função de sobretensão 59N Sobretensão de sequência zero 67/67N Função de sobrecorrente direcional de fase e neutro No painel de controle digital da USCA instalado em baixa tensão, o qual possui dois contatos “NF”, estando cada um desses contatos em série com as respectivas bobinas. Instalado após do transformador,ou seja, todas as funções de proteção inerentes à USCA (25, 27, 30, 32, 59, 63L, 81), irão atuar também neste controlador(DS7520), o qual abrirá este contato “NF”, desligando de imediato os respectivos disjuntores de baixa tensão. Nos ajustes do controlador de sobrecorrente direcional no relé instalado para atuação no disjuntor geral 52-(BT), e as situações de paralelismo momentâneo no painel de controle digital da USCA (Concessionária e Geradores). - Proteções do Gerador / USCA

Código ASI Descrição 25 Check de sincronismo 27 Subtensão 30 Anunciador 32 Potência inversa 46 Desequilíbrio de corrente de fase 47 Desequilíbrio de tensão 50 Curto-circuito 51 Sobrecorrente 59 Sobretensão

63L Pressão no óleo lubrificante do gerador 81 Frequência

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2.2 CRITÉRIOS PARA DETERMIAÇÃO DOS AJUSTES E ESTUDO DE PROTEÇÃO 2.2.1 – Dados fornecidos pela concessionária

Os valores de curto circuito utilizados neste estudo foram calculados a partir dos dados fornecidos pela concessionária de energia elétrica. Com os valores da corrente de curto circuito e das impedâncias correspondentes na entrada do sistema as configurações do sistema da CEMAR, das impedâncias dos cabos condutores, impedância dos transformadores, etc., calcularam-se as correntes de curto circuito nos demais pontos do sistema da RÁDIO RIBAMAR – TV CIDADE.

Dados fornecidos pela CEMAR:

Dados da instalação Subestação: CENTRO Data de Emissão: 29/05/13

Alimentador: AL01C7 Componente: 0095516

Consumidor: RADIO RIBAMAR LTDA

Endereço: Rua Raimundo Vieira, Centro, São Luis-MA

Dados de curto-circuito no ponto de instalação do consumidor

Curto-Circuito Trifásico (A) Curto-Circuito Monofásico (A)

3690 A 2500 A

Tempos de atuação da proteção da cemar no ponto do consumidor

Curto-Circuito Trifásico (A) Curto-Circuito Monofásico (A)

0,478 seg. 0,467 seg. 2.2.2 - Dados dos Equipamentos

Os dados dos equipamentos, tais como transformadores, disjuntores, controladores, etc., necessários para os ajustes, foram obtidos através de catálogos dos fabricantes e/ou informações fornecidas pela RÁDIO RIBAMAR – TV CIDADE.

2.2.3 - Cargas Instaladas

Para a determinação dos valores das correntes nominais dos circuitos a que este estudo se refere, adotou-se o critério de ajustar a proteção dos disjuntores e relés que protegem estes circuitos, no valor da corrente correspondente à capacidade dos transformadores desses circuitos, admitindo-se uma determinada sobrecarga para cada um destes transformadores.

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2.2.4 – Estudo de Coordenação e Seletividade O estudo de seletividade tem por objetivo determinar os ajustes dos dispositivos de proteção de tal forma que o sistema elétrico opere com segurança, tanto em situação normal como sob condições de defeito, oferecendo o menor grau de risco possível às pessoas e aos equipamentos envolvidos. Sob o ponto de vista da proteção o ideal seria que todos os dispositivos atuassem instantaneamente, o que faria que o sistema ficasse sujeito a uma situação de defeito o menor tempo possível. Porém essa situação traria outros inconvenientes, como por exemplo, áreas não envolvidas diretamente com o defeito seria desenergizadas, ocasionando a interrupção da produção em áreas que a rigor não necessitariam. No caso de alteração das capacidades do sistema, é necessário um novo estudo para definir os novos ajustes das proteções. 2.2.4.1 - ormas e Critérios para Determinação dos Ajustes e Estudo de Coordenação

• Potência de Curto-Circuito:

Os valores de curto circuito neste estudo foram calculados a partir dos dados fornecidos pela concessionária de energia elétrica.

Na determinação do múltiplo da corrente para as proteções de fase e neutro, considerou-se os níveis de curto-circuito trifásico e monofásico, respectivamente após a saída de cada disjuntor.

Tipo de Proteção:

Proteção de acordo com a norma IEC 255-4 tendo como curvas as seguintes equações:

• Normal Inverso (NI): • Muito Inverso (MI):

• Extremamente Inverso (EI): Onde:

t = tempo de atuação do relé (Trip) TMS = Múltiplos de tempos (Dial da curva) Icc = corrente de falha (Curto-circuito) Ipk = corrente nominal (Pick-Up)

0 02

0 14

1

,

cc

pk

, xTMSt

I

I

= −

13 5

1cc

pk

, xTMSt

I

I

=

−

2

80

1cc

pk

xTMSt

I

I

= −

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2.2.5 - Transformadores

Os limites de operação para dispositivos de proteção dos transformadores (do tipo não a seco), utilizados são:

a) Ponto ANSI (limite térmico):

O ponto ANSI é determinado através da tabela a seguir, com base na norma ANSI C57.109, aplicada ao transformador de menor potência que se quer proteger e é utilizado para verificar se os ajustes feitos protegem o transformador contra esforços térmicos e mecânicos (dinâmicos) quando ocorrem faltas no sistema.

Z% (Ohms) Ponto ASI Tempo (s) 7 14,3 x Inom 5 5 20 x Inom 3 4 25 x Inom 2

b) Corrente Transitória de Magnetização (“In Rush”): A corrente transitória de magnetização (“In Rush”) é o valor de corrente que circula pelo transformador quando de sua energização.

Para calcularmos a corrente de magnetização, de um conjunto de transformadores, com base na norma ANSI C37.91-2000 aplicamos a tabela a seguir ao maior transformador e adicionamos o valor da soma das correntes nominais dos demais transformadores existentes. A proteção deverá estar ajustada para não atuar nesta condição de operação.

Potência do Transformador (kVA)

Corrente de Magnetização Tempo (s)

≤ 2500 8 x ln 0,1 > 2500 10 à 12 x ln 0,1

Obs: Para transformadores a seco 12x In. • Intervalos Mínimos de Coordenação Para que os dispositivos de proteção sejam seletivos, uma margem de tempo será prevista entre as operações destes, a saber: - Entre relés de fase sucessivos: 300 ms - Entre relés de terra sucessivos: 300 ms

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3. CORRETES DE CURTO-CIRCUITO 3.1 – Tabela resumo das correntes de curto-circuito

A tabela a seguir apresenta um resumo dos valores de curto-circuito trifásico e monofásico calculados a partir dos dados da CEMAR:

Correntes de Curto-Circuito

Localização Tipo de Falta Zeq. (pu ) Icc (pu) Icc

Módulo Ângulo Módulo Ângulo ( kA )

1 Ponto de entrega

da CEMAR 13,8kV

Trifásica 1,1346 76,12 0,881 -76,12 3,687

Monofásica 2,7609 79,49 0,597 -77,97 2,496

2 Barra

380/220 V

Trifásica 31,59 89,51 0,0317 -89,51 4,80

Monofásica 30,49 90,0 0,032 -89,87 4,87

- Valor corrente de Curto-circuito trifásico, valor de pico.

Icc3Φ = 5.215 A

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4. DETERMIAÇÃO DOS AJUSTES DA PROTEÇÃO

4.1 – Dados e ajustes de Equipamentos de Proteção CEMAR

Dados fornecidos pela CEMAR junho/2013(em anexo):

Características do Equipamento

• MODELO: SEL351 • FABRICAÇÃO: SEL • Tensão nominal (kV): 13,8 kV

Ajustes:

DADOS DA ISTALAÇÃO Subestação: CENTRO Data de Emissão: 29/05/13

Alimentador: AL01C7 Componente: 0095516

Consumidor: RADIO RIBAMAR LTDA

Endereço: Rua Raimundo Vieira, Centro, São Luis-MA

DADOS DE CURTO-CIRCUITO O POTO DE ISTALAÇÃO DO COSUMIDOR

CURTO-CIRCUITO TRIFASICO (Amp) CURTO-CIRCUITO MONOFASICO (Amp)

3690 A 2500 A

TEMPOS DE ATUAÇÃO DA PROTEÇÃO DA CEMAR O POTO DO COSUMIDOR

CURTO-CIRCUITO TRIFASICO CURTO-CICUITO MONOFASICO

0,478 seg. 0,467 seg.

AJUSTES DA PROTEÇÃO DA CEMAR AJUSTE DE FASE AJUSTE DE NEUTRO

Tipo do relé: SEL351 Tipo do relé: SEL351 Corrente de Pick-up: 500 A Corrente de Pick-up: 40 A Curva: IEC Extremamente Inversa Curva: US Inversa Dial de tempo: 0,32 Dial de tempo: 2,5

Instantâneo: 4080 A Instantâneo: 480 A

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4.2- Dados e ajustes de Equipamentos de Proteção Rádio Ribamar (RS-1)

Características do Equipamento

• MODELO: Módulo de Controle DSE7520 • FABRICAÇÃO: Deep Sea Electronics Plc

Ajustes

• Potência Total Instalada: 112,5 kVA • Tensão nominal (kV): 13,8 kV • Corrente Nominal: 4,7 A • Corrente de Curto-Circuito trifásico (kA): Icc3Φ=4,8 • Corrente de Curto-Circuito monofásico (kA): Icc1Φ=4,87 • Relação de TC´s: 800/5 (RTC=160)

PROTEÇÃO DE FASE

Função 51 (Temporizado)

Cálculo da corrente nominal do lado primário (Inp):

Inc=4,7A

Ressaltando que ajustes foram inseridos conforme parametrização do Controlador instalado na BT. Corrente nominal do Secundário para tensão de 220/127 V é de 295 A

Cálculo da corrente de Pick-up refletido no lado primário(Ip): Ip=5,18 A Relé atua com a ultrapassagem da corrente Ip, iniciando a contagem de tempo de acordo com a curva característica. Escolha da curva:

Curva = Muito Inversa (MI - IEC) TMS=0,1

Função 50 (instantâneo)

Adotou-se um instântaneo equivalente a 10 x Ipick-up), com um tempo instantâneo.

Obs: Os valores apresentados no gráfico do item 5 estão refletidos em 13,8 kV, tendo seus ajuste refletidos para baixa tensão no controlador.

Sn 112,5kVAInp= =

3×Vn 3×13,8kV

4,7 1,10Irelé = 0,032

160

Inp FSIrelé A

RTC

× ×= ⇒ =

I>>=10×Ip I>>=10×5.18 I>>=518A

t=0s

→ →

Ip= ×RTC Ip=0,032×160Irelé →

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PROTEÇÃO DE EUTRO

Função 51 (Temporizado)

Cálculo da corrente de Pick-up neutro refletido na MT(Ipn): Ipn=3A

Escolha da curva:

Curva = Muito Inversa (MI - IEC 255-4) TMS=0,1

Função 50 (instantâneo)

Adotou-se um instântaneo equivalente a 10 x Ipick-up), com um tempo instantâneo.

Obs: Os valores apresentados acima e no gráfico do item 5 estão refletidos em 13,8 kV, tendo seus ajuste refletidos para baixa tensão no controlador.

Proteção direcional de fase - 67

Corrente de Pick-up (Ip): Ipick-up – 13,8 kV = 12A (Secundário) Curva ( IEC - Muito Inversa – MI) →TMS= 0,3

Instantâneo → DESABILITADO

Proteção direcional de neutro – 67

Corrente de Pick-up (Ip): Ipick-up – 13,8 kV = 8A (Secundário) Curva ( IEC - Muito Inversa – MI) →TMS= 0,2

Instantâneo → DESABILITADO

Proteção Potência Ativa Reversa – 32P

Potência Total do Gerador: PGerador = 240 kVA PTotal = 200*0,8 = 192 kW Ajuste = 5%*192=9,6 kW Tempo máximo permitido pela concessionária 15 segundos Implantado T=3 segundos

Ip=40%×Ip Ip=0,4×5,18 2, 2→ =

I>>=10×Ipn I>>=10×3 I>>=30A

t=0s

→ →

4.3 – Tabela Resumo para ajuste do Relé (Controlador DSE7520)

PROTEÇÃO RELÉ RELAÇÃO DE TC (A)

FAB. /TIPO

AJUSTE

IPick-up (A) TMS (s) Iinstantâneo (A) T (s) CURVA

Fase RS-1 800-5

Controlador

DSE7520

Ip=5,2 Ajuste: 0,1 I=518 t = 0 MI - Muito Inversa IEC

Neutro Ip=3 Ajuste: 0,1 I=30 t = 0 MI - Muito Inversa IEC

Obs: Os valores apresentados acima e no gráfico do item 5 estão refletidos em 13,8 kV, tendo seus ajuste refletidos para baixa tensão no controlador.

Proteção Condição Ajuste OTAS

27 SUBTENSÃO L - L Tensão

Tempo 80% do Valor nominal durante 3 segundos. 80 %Vn 3s

59 SOBRETENSÃO Tensão Tempo 110% do valor nominal durante 5

segundos. 110 %Vn 5s

59N SOBRETENSÃO DE

NEUTRO

Tensão Tempo 20% do valor nominal durante 5 segundos 20 %Vn 5s

67 SOBRECORRENTE

DIRECIONAL DE FASE Is Angulo Tempo 20% do Valor nominal de

geração durante 3 segundo. 12 45° 3s

67N SOBRECORRENTE

DIRECIONAL DE TERRA Is Angulo Tempo 20% do Valor nominal de

geração durante 3 segundo. 8 45° 3s

81H SOBREFREQUENCIA Freqüência

63 Hz Tempo

+/- 5% do valor nominal durante 0,3 segundos.

0,3s

81L SUBFREQUENCIA Freqüência Tempo

57 Hz 0,3s

32 POTÊNCIA REVERSA Potência Reversa

8 kW Tempo +/- 5% do valor nominal

durante 12 segundos. 3s

Obs: Ajustes implantados conforme característica do controlador DS7520 e gerador trabalhando na tensão de 220/127 Vca

5. CURVAS DE SELETIVIDADE (Coordenograma)

5.1 Coordenograma dos relés CEMAR, RS-1

Fase

Neutro

5.1 Coordenograma Relé CEMAR, RS1 – FASE (50/51)

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5.2 Coordenograma Relé CEMAR, RS1 – NEUTRO (50N/51N)




6. ESPECIFICAÇÃO TRASFORMADORES DE CORRETE

O Transformador de corrente deve funcionar adequadamente em condições normais de operação (corrente de longa duração) e não deve saturar sob condições de falta máxima.

Ex: Se o TC a ser utilizado tiver uma precisão de 10B100, o que significa, segundo a norma NBR6856, que ele deverá fornecer uma tensão de 100V nos seus terminais, se em seus enrolamentos estiver circulando uma corrente de 20 vezes a corrente nominal e estiver conectado a seu secundário uma carga (ou impedância ) de 1Ω. Ver calculo abaixo: Z = V / (IxFS) = 100 /( 5 x 20) = 1Ω.

a) Verificação Saturação sob condições de falta máxima Icc(calculado-cemar)= 3,69 kA.

Icc(calculado-Cemar) ≥20 x Ip(nominal TC)

4.870 A ≥ 20 x 800 A →4.870 A ≥ 16.000 A (condição satisfeita).

• Como a corrente de curto-circuito (4,87 kA ) é inferior ao valor calculado acima, concluímos que para a carga atual não teremos problemas de saturação dos TC´s. • Outro item observado, refere ao limite térmico do TC, que seguindo os dados do

fabricante, este valor é de 80 x In. Portando para os níveis atuais de curto-circuito não teremos problemas de efeito térmico quando da ocorrência de um curto-circuito.

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7. CAPACIDADE DE ITERRUPÇÃO DOS DISJUTORES

Com base nas características nominais dos disjuntores e nos valores de curto-circuito que os disjuntores estarão submetidos, procedeu-se a análise dos mesmos.

Disjuntor Inom.(A) Icc (kA)

ominal

Icc (kA)

Calculado Ruptura

Disj. Baixa-1 200 10 4,87 OK

Disj. Baixa-2 200 10 4,87 OK

Disj. Baixa-3 200 10 4,87 OK

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8. CORRETE DE MAGETIZAÇÃO E POTO ASI DO TRASFORMADOR O ponto ANSI é aplicado ao transformador de menor potência que se quer proteger e é utilizado para verificar se os ajustes feitos protegem o transformador contra esforços térmicos e mecânicos (dinâmicos) quando ocorrem faltas no sistema. Ponto ANSI - Fase

Ponto ANSI = 25xIn=25x295,24=7381

13000Ponto ANSI =7381/( )=117,67A

220

Ponto ANSI - Neutro

Ponto ANSI = 0,58x(25xIn)=0,58x(25x295,24)

13000Ponto ANSI =4280,98/( )=68,24A

220

Para um tempo de 2 segundos

A corrente transitória de magnetização (“In Rush”) é o valor de corrente que circula pelo transformador quando de sua energização.

Para um tempo de 0,1

Magnetização Trafo 575kVA

Magnetização

I = 8xIn =8x295,24

13000I =2361,92/( )=37,65A

220

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9. ORMAS E ESPECIFICAÇÕES

Todas as instalações foram projetadas e deverão ser executadas em estrita concordância com as Normas Técnicas:

• NBR-5410 – Instalações Elétricas de Baixa Tensão. • NBR-14039 – Instalações Elétricas em Média Tensão. • NT.GEMS.002 R02 – Cemar – Fornecimento de Energia Elétrica em Média Tensão

(15 e 36,2 kV). • NT.16.009.00 - Conexão de Geradores Particulares ao Sistema Elétrico da CEMAR

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10. COSIDERAÇÕES FIAIS E RECOMEDAÇÕES Os ajustes propostos neste estudo visam adequar o sistema de proteção da unidade consumidora, aos atuais níveis de curto-circuito, com um adequado nível de sensibilidade e seletividade para as faltas trifásicas e monofásicas. Lembramos que o bom funcionamento da proteção requer um plano rigoroso de manutenção, análise da tensão, e testes periódicos nos disjuntores. Recomendamos também, uma análise dos pontos quentes nas conexões de equipamentos, incluindo as conexões de baixa tensão, e as conexões principais dos disjuntores.

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11. AEXOS

A.1 - Dados fornecidos pela CEMAR

• Relatório de Impedâncias, Níveis de Curto-Circuito e Ajuste da Proteção

A.2 – Diagrama Unifilar

A.3 – ART (Anotação de Responsabilidade Técnica)

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A.1 - DADOS FORECIDOS PELA CEMAR

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A.2 – DIAGRAMA UIFILAR

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A.3 – ART (AOTAÇÃO DE RESPOSABILIDADE TÉCICA)

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