PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SULFACULDADE DE ENGENHARIA

DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICAAPLICAÇÕES DE TELECOMUNICAÇÕES

TELEPROTEÇÃO DE REDES ELÉTRICAS

As redes de telecomunicações passaram por mudanças

significativas nos últimos anos, parcialmente devido a

aplicabilidade / complexidade nos sistemas de potência.

Em função da complexidade dos Sistemas de Energia a serem monitorados, ocorre a necessidade de exercer um controle sobre informações críticas, como sinais de proteção dos sistemas elétricos e identificação da origem de falhas.

A solução para estas questões é utilizar

equipamentos que não necessitem de manutenção,

sejam fáceis de operar e ofereçam alto nível de

flexibilidade para a instalação na subestação.

CONCEITO:

Teleproteção é um método de proteção de linha, através de relés de proteção e

meios de comunicação, no qual um defeito interno é detectado e

determinado comparando-se as condições do Sistema nos terminais do circuito protegido, utilizando canal ou

canais de comunicação

Três fatores devem ser levados em conta para o correto dimensionamento de um sistema de teleproteção:

1. Seletividade e Rapidez na Proteção;2. Confiabilidade;3. Religamento Automático.

1. Seletividade e Rapidez:

Muito se fala a respeito da palavra SELETIVIDADE. Porém tudo pode ser resumido na seguinte regra:“Quando de uma falha ou defeito de um componente do Sistema Elétrico de Potência, o mesmo deve ser desligado o mais rapidamente possível, e somente este componente”.

O grande problema na Proteção de Sistemas Elétricos é a determinação, pelos relés, do local do defeito ou curto-circuito, para desligar somente o componente defeituoso. Esta seletividade é alcançada normalmente em detrimento do tempo de atuação da proteção.

Alguns esquemas de proteção sãoinerentemente seletivos, isto é, a própria concepção da proteção permite, estabelecer a localização do defeito. É o caso, por exemplo, das proteções diferenciais.

Para o caso de uma linha de transmissão, a localização de defeitos pelos relés de proteção torna-se problemática devido a:

•Comprimento das linhas;•Curtos-circuitos com elevada resistência de arco ou de contato;•Imprecisões nas medias efetuadas, introduzidas por TP’s, TC’s e transitórios;•Imprecisões nos cálculos teóricos de curto-circuito e conseqüentes ajustes nos relés.

A teleproteção é um método de proteçãode linha, através de relés de proteção e meios de comunicação, no qual um defeito interno é detectado e determinado comparando-se as condições do Sistema nos terminais do circuito protegido, utilizando-se canal ou canais de comunicação.

Podemos citar algumas variações da definição anterior, quando de soluções específicas, como:

*Proteção de reatores “shunt” em linhas; *Desligamentos automáticos para evitar condições operacionais anormais; *Proteção dos transformadores conectados em linhas, sem disjuntores; *Proteção de retaguarda na falta de disjuntores;

2. Confiabilidade:

O simples fato de utilizar algum esquema de teleproteção em uma linha, não implica em maior confiabilidade na proteção. A confiabilidade está estreitamente relacionada ao tipo do esquema escolhido para cada linha, de acordo com as caracaterísticas particulares destas.

A escolha adequada do esquema de teleproteção depende de alguns fatores:

* Comprimento da linha; * Tipo de proteção empregada; * Características do sistema de Potência; * Tempo de desligamento exigido para a linha; * Tipo do canal de telecomunicação; * Filosofia da Concessionária local de energia

Na verdade, a confiabilidade é a habilidade do Sistema de Proteção para atuar corretamente quando necessário, e para evitar atuações desnescessárias.

A total confiabilidade nunca é conseguida. Os necessários compromissos devem ser avaliados com base em riscos comparados.

3. Religamento Automático

Para se efetivar um religamento automático quando da abertura de um terminal de linha, várias condições devem ser observadas:

A atuação da Proteção deve ter ocorrido em condições de defeito na linha protegida, isto é, o religamento automático nào deve ser permitido para atuações de retaguarda;

Natureza do defeito. Às vezes exige-se que o religamento ocorra apenas para defeitos fase-terra, evitando religamentos para defeitos fase-fase. A probabilidade de que defeitos fase-terra sejam fugitivos (e não permanentes) é maior.

O disjuntor deve ser adequado para religamento automático, sem atingir limite de potência de interrupção.

Tentativas de Religamento. Geralmente utiliza-se apenas uma tentativa de religamento para linhas de alta tensão, bloqueando o mesmo após a segunda abertura do disjuntor.

Tempo de extinção do arco. O tempo necessário para extinção após abertura da linha depende do comprimento, tensão e demais características. Este tempo conta-se da abertura do último disjuntor até o fechamento automático do primeiro.

Tempo morto. O intervalo em que a linha fica sem transportar energia. Este influi diretamente na estabilidade do Sistema de Potência.

Para que as condições anteriores sejam cumpridas, há a necessidade de utilização de esquemas de TELEPROTEÇÃO SEGUROS. Estes permitem rápido desligamento em todas as extremidades da linha, qualquer que seja a localização do defeito, dando condições básicas para a efetivação do religamento.

A Teleproteção deve executar a supervisão/comando do sistema, por intermédio de um meio de comunicação .

A Comunicação entre os

equipamentos de teleproteção é

bidirecional e do tipo ponto a ponto.

Para atender essa função, é necessária a monitoração dos relés, dimensionando-se essas informações para as unidades de aquisição de dados, com o objetivo do levantamento da "seqüência de eventos" e análise das ocorrências, bem como o conhecimento da atuação das proteções, uma vez que é necessário a identificação dos detalhes da contingência.

Podemos definir melhor a teleproteção como a transferência de comandos de um extremo ao outro da Linha, caracterizando-se pela transmissão de um comando na ocorrência de uma dada lógica de proteção. Esse sinal, decodificado no outro extremo, poderá dar partida a atuação da proteção no terminal remoto.

Um dos objetivos dos circuitos de proteção é a rapidez na eliminação de defeitos dentro do circuito. Assim, o mesmo poderá ser rapidamente isolado, de forma que as instalações não fiquem expostas a correntes de falhas por um tempo superior a sua capacidade.

O circuito de proteção associado ao sistema à proteger deve ser rápido e seletivo.

No esquema da figura, para sermos seletivos, a proteção de “A” seria ajustada para alcançar em torno de 90% da linha, neste caso, para defeito em 1, o mesmo somente será eliminado após um tempo razoavelmente longo, perdendo-se portanto em rapidez.

A teleproteção é a solução inteligente que visa aliar a rapidez de atuação de uma proteção à seletividade requerida.

Em um sistema teleprotegido dispomos de uma unidade remota que terá função de colher as informações dos relés, enviá-las para o centro de controle e decidir as ações nas zonas de interesse.

Utiliza-se de inúmeros meios de comunicação para esquemas de Teleproteção.

Os equipamentos de teleproteção de mercado podem ser interligados a diversos meios de comunicação analógica ou digital.

Podem ser utilizados canais de voz (analógicos), ou canais de dados com diferentes taxas de transmissão.

Meios de Comunicação:

1. Fio Piloto (Conexão por cabos de cobre);2. Carrier (OPLAT);3. Radio Micro-Ondas;4. Radio UHF;5. Fibra óptica em cabo OPGW;6. Fibra óptica em cabo dielétrico;7. Rede de comunicação pública ou privada,

geralmente digital.

A rapidez de atuação, aliada à seletividade é conseguida porque o terminal remoto, possuindo sensores adequados para "sentirem" a direção do fluxo de corrente de defeito, fornece quase que instantaneamente esta informação ao outro terminal.

1. FIO PILOTO

É realizada através da conexão física composta de par de cabos trançados e blindados, entre as duas extremidades da linha de trasnsmissão a ser protegida.

Através desta comunicação, um de vários tipos de esquemas pode ser escolhido, utilizando sinais DC, sinais AC (60 Hz) dos TC’s de linha, ou sinais de rádio freqüencia.

Basicamente é uma proteção diferencial aplicada à linha, portanto inerentemente seletiva. Utilizada para proteção de linhas curtas ou curtíssimas, até no máximo 10 ou 12 km, e é limitada pela atenuação (elevada) do sinal de comunicação.

Este esquema apresenta, também, índice relativamente alto de manutenção, média confiabilidade (interferências eletromagnéticas) e é fortemente sujeito a fatores extenos como vandalismo e meio ambiente.

Desde que parte das desvantagens antes citadas seja contornada, trata-se de uma proteção ainda em uso para distâncias curtíssimas no mundo todo, em ambientes controlados.

2. CARRIER

Também conhecido pela sigla OPLAT (Onda Portadora Sobre Linhas de Alta Tensão).

Em nosso país, é ainda o meio de comunicação mais utilizado para esquemas de teleproteção, em vista do baixo custo. Há o aproveitamento dos próprios cabos de energia da Linha de Transmissão como meio físico de propagação do sinal, interligando subestações e usinas.

Os transmissores e receptores são acoplados à linha através dos equipamentos de sintonia e capacitores de acoplamento.

As bobinas de bloqueio são sintonizadas na freqüência do sinal de RF dos transceptores e localizados nos terminais da linha, possuindo uma baixa impedância para a freqüência industrial e alta para a freqüência de rádio, com finalidade de confinar os sinais de RF no interior da Linha de Transmissão.

Este método apresenta grande vantagem de ser econômico, para pequeno número de canais e longas distâncias, possuindo reduzido custo de manutenção e facilidade de acesso aos equipamentos empregados.

Não é necessário uso de estações repetidoras para a transmissão a longa distância, e pode-se contar com a segurança da Linha como suporte físico confiável.

Como principal desvantagens, teremos a baixa capacidade de canalização. Além disso, a faixa do espectro de frequências é limitada, e o sistema é susceptível a ruídos do Sistema Elétrico de Potência (gerado por curto-circuitos, manobras de disjuntores e seccionadoras de alta tensão).

O sistema OPLAT geralmente opera sobre uma faixa de freqüências entre 40 e 500 kHz. Abaixo de 40 kHz o acoplamento na linha torna-se impraticável e acima dos 400 kHz as perdas são maiores e pode haver interferências com serviços de rádio, devido à irradiação de sinais no espaço.

Modos de Operação Carrier

Modo On Off:

O sinal é transmitido somente quando de operação da proteção (on), permanecendo normalmente sem sinal (off). Opera-se uma única freqüência para transmitir informações de um ponto para outro.

Modo limitado a alguns esquemas de proteção.

Modo de operação frequency-shift

Opera enviando duas freqüências não simultâneas pelo canal. Normalmente transmite a freqüência de guarda. No caso da atuação da proteção, suprime a freqüência de guarda e passa a transmitir a freqüência de comando. A freqüência de guarda geralemente é 100 Hz acima da freqüência do canal, e a de comando 100 Hz abaixo da freqüência nominal. Permite maior confiabilidade do sinal de sinal, pois previne atuações incorretas quando de ruídos no sistema.

Componentes do Sistema CarrierComponentes do Sistema Carrier

Bobina de bloqueio; Capacitor de acoplamento; Grupo de acoplamento; Cabo coaxial; Transmissor / Receptor (Tx/Rx)

Bobina de Bloqueio

Componentes

A bobina de bloqueio é basicamente uma indutância conectada em série com a linha de transmissão, possuindo uma unidade de sintonia (RC) em paralelo. É um circuito ressonante que se apresenta com alta impedância para a freqüência operativa do Carrier, porém com impedância desprezível à freqüência do sistema (50 ou 60 Hz).

As bobinas evitam que a energia do sinal Carrier flua para as subestações, delimitando o trecho que deve percorrer na linha. Evitam, também, que curto-circuitos ou manobras fora do trecho, influenciem no sinal do trecho.

Pelo fato de estar em série com a linha, devem suportar continuamente a corrente de carga, além de possuir limites térmicos e dinâmicos compatíveis com as correntes de curto-circuito.

A indutância pode variar de 0,1 mH a 2,0 mH, dependendo da faixa de freqüências a bloquear.

CapacitorCapacitor dede AcoplamentoAcoplamento

Este componente isola, junto com o grupo de acoplamento, o equipamento Tx/Rx da linha de alta tensão.

O capacitor de acoplamento, é o caminho de injeção do sinal Carrier à linha de transmissão.

Uma alternativa normalmente utilizada para capacitor de acoplamento, é o Transformador de Potencial Capacitivo – TPC.

Montagem de TPC em conjunto com bobina de bloqueio.

Grupo de Acoplamento - GAGrupo de Acoplamento - GA

O conjunto chamado de Grupo de Acoplamento possui não apenas os dispositivos de sintonia, como também bobina de drenagem, dispositivos de proteção e transformador de acoplamento, e tem a finalidade de efetuar o casamento de impedâncias, com baixas perdas, entre a linha de transmissão e o cabo coaxial ligado ao Transmissor/Receptor Carrier (Tx/Rx).

Cabo CoaxialCabo Coaxial

É um cabo concêntrico de baixas perdas, utilizado para conectar o Grupo de Acoplamento ao Tx/Rx. As perdas (atenuação) no cabo coaxial aumentam com o comprimento do mesmo, dependendo da freqüência do sinal (40 a 500 kHz)

Transmissor / ReceptorTransmissor / Receptor

É o equipamento terminal de Onda Portadora (Carrier). O transmissor deve ter potência suficiente para assegurar um mínimo de relação sinal/ruído no receptor correspondente, mesmo em condições adversas no meio de transmissão.

O receptor deve ter alta seletividade para minimizar efeitos de fontes externas de ruídos indesejáveis ou sinais interferentes de outros enlaces que utilizam freqüências adjacentes.

Os Rx/Tx para teleproteção devem ser de uso exclusivo para proteção. São associados aos modens de teleproteção, ou aos equipamentos de tons de áudio para teleproteção. Transformam sinais DC (on/off) em sinal HF na faixa de serviço, e vide e versa.

Existem também Rx/Tx para telefonia, que efetuam a translação de canais de freqüência de áudio para a faixa de freqüências de trasmissão e vice versa.

3. RÁDIO MICRO-ONDAS (E UHF)

Tanto no Micro-ondas como no UHF, utiliza-se espaço aéreo como meio de comunicação. O alcance é limitado pelos enlaces (da ordem de 50 km por enlace. Exigem espaço livre de obstáculos.

Estas apresentam a vantagem de serem independentes do Sistema Elétrico de Potência, apesar de exigir infra-estrutura onerosa e serem sujeitas a condições atmosféricas (fading).

4. FIBRA ÓPTICA

Atualmente, para teleproteção, é o meio mais adequado de comunicação. Pode-se utilizar fibras ópticas de :

• Cabos dielétricos;• Cabos OPGW (Optical Ground Wire).

A comunicação neste meio poderá ser:

* Direta, de relé para relé (fibras dedicadas de cabo dielétrico ou OPGW). Tem sido a solução tecnicamente mais desejável; * Com modem de teleproteção, multiplex e tranceptor de dados e cabos OPGW; * Com modem de teleproteção, multiplex e rede digital; * Eventualmente através de rede de comunicações, privada ou pública, sobre tons de áudio ( não recomendável).

Gabinete utilizado na interligação Acre-Rondônia - Carrier

Todo equipamento de teleproteção existente deve atender no mínimo, aos critérios de segurança, confiabilidade e tempo de transferência definidos pela norma IEC 60834-1.

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