Proteção e seletividade

maio, 2015

Edição 111 – Abril de 2015
Artigo: Distribuição
Por José Celso Gonçalves, José Maria de Carvalho Filho, Kelson Marconi de Carvalho e Mozart Ferreira Braga Junior*

Impactos da falta de seletividade entre as proteções de média e baixa tensões em transformadores de distribuição monofásicos rurais.

Uma das principais atribuições das empresas concessionárias de distribuição é assegurar de forma confiável, segura, econômica e contínua o fornecimento de energia elétrica a seus consumidores. Este cenário se torna bem desafiador, quando se trata do fornecimento de energia aos clientes localizados em zona rural, normalmente atendidos por alimentadores de distribuição radiais, por meio de vários quilômetros de redes aéreas, sujeitas a todas as condições adversas que podem comprometer a continuidade de fornecimento. Para aumentar a eficiência operacional nos atendimentos às faltas de energia em derivações de média tensão rurais, tem-se intensificado o uso de religadores e de chaves fusíveis religadoras, de forma a garantir sucesso em torno de 70% a 80% das faltas transitórias em redes de distribuição rural.

Mesmo com o aumento dos investimentos de tecnologia para melhoria do desempenho dos sistemas distribuição, por um levantamento estatístico, nos últimos três anos na Companhia Energética de Minas Gerais – Cemig Distribuição, percebeu-se um número crescente de atendimentos a clientes rurais alimentados por transformadores monofásicos, em tensão de 13,8 kV.

Apesar dos investimentos em derivações rurais, as interrupções acidentais em áreas rurais passaram a se tornar mais frequentes em trafos monofásicos (atendimento de consumidores individuais) do que em derivações ou ramais rurais (atendimento de vários consumidores individuais) na Cemig. Neste contexto, iniciou-se uma pesquisa nos registros das interrupções relacionadas a estes clientes, de forma a estabelecer uma correlação entre a interrupção e suas origens com as proteções envolvidas, neste caso, os elos fusíveis instalados no primário do transformador e os disjuntores termomagnéticos secundários. Algumas causas de fechamento de serviço, relatadas pelas equipes de atendimento, indicavam tratar-se de natureza desconhecida ou indeterminada, mesmo após inspeções das instalações primárias e secundárias. Outras causas encontradas estavam relacionadas a clientes rurais com cargas, principalmente motores, com variadas potências e dispositivos de partidas.

De posse de dados estatísticos, foram elaborados estudos de seletividade em um ambiente computacional, utilizando o software PTW de propriedade da SKM, considerando vários cenários existentes na Cemig Distribuição. Foram elaborados diversos organogramas contendo as curvas de atuação dos elementos de proteções envolvidos, curvas de partidas de motores e ainda as curvas ANSI dos transformadores monofásicos.

Neste contexto, o presente artigo propõe elaborar estudos de seletividade da proteção, de forma a encontrar valores nominais adequados de elos fusíveis para os transformadores monofásicos de distribuição de 13,8/0,24 kV e disjuntores termomagnéticos construídos de acordo com os padrões Nema ou IEC que possam atuar de forma seletiva para qualquer defeito originado na baixa tensão, seja para faltas transitórias, seja para permanentes.

O desenvolvimento desse trabalho e os resultados obtidos são parte de um projeto piloto ainda em andamento, que fará a validação dos resultados obtidos de simulação com os resultados de campo, visando estabelecer proposta futura de normatização da empresa e seus fornecedores. Este trabalho é o resultado de uma parceria entre a Universidade Federal de Itajubá (Unifei) e a Cemig Distribuição S/A (Cemig-D).

Desenvolvimento

A metodologia proposta neste trabalho pode ser dividida em cinco etapas, conforme o fluxograma apresentado na Figura 1. A primeira etapa baseou-se no levantamento estatístico de todas as interrupções acidentais sustentadas, em um período de um ano, estratificando os dados em causas das interrupções, frequência, localização e potência do transformador atingido.

A segunda etapa consistiu em calcular os níveis de curto-circuito, na baixa tensão, considerando as impedâncias envolvidas no circuito e tensões do sistema, referindo as curvas de todos os elementos de proteção para a baixa tensão do transformador.

A terceira etapa correspondeu à elaboração dos coordenogramas de proteção, utilizando os valores nominais de elos fusíveis e disjuntores termomagnéticos atualmente normatizados. Também envolveu a simulação de algumas situações encontradas em campo, tais como as partidas diretas de motores de diversas potências.

A quarta etapa consistiu na simulação das melhores condições estabelecendo os melhores valores de elos fusíveis que ofereçam maior seletividade com diversos modelos e correntes nominais de disjuntores termomagnéticos existentes no mercado.

Na quinta etapa, ainda em andamento, está sendo executada uma aplicação prática em campo das propostas estudadas, por meio de um projeto piloto. Após um período adequado de observação, serão verificados os resultados obtidos para que, posteriormente, os dispositivos de proteção sejam normatizados para todos os clientes rurais monofásicos da Cemig-D.


Figura 1 – Fluxograma simplificado com as etapas da metodologia.

Etapa 1 – Levantamento de dados

Esta etapa consistiu em um levantamento estatístico, por meio dos programas de controle da Cemig-D, das interrupções acidentais sustentadas em clientes ligados em baixa tensão rural, com o propósito de investigar os motivos pelos quais os indicadores de frequência acidental estavam apresentando um acréscimo nos últimos três anos, elevando o número de atendimentos a estes clientes rurais atendidos por transformadores monofásicos, em tensão de 13,8 kV. Os dados de interrupção levantados revelaram que, em 2013, até o mês de agosto, ocorreram 161.520 interrupções em redes de distribuição, sendo que 72% estão localizadas em redes rurais. Estratificando as interrupções rurais em média tensão (derivações rurais) e
baixa tensão (transformadores rurais exclusivos), identificou-se que 57% das interrupções ocorreram nas redes de baixa tensão, representando 65.511 atendimentos rurais com operação do elo fusível do transformador.

Aprofundando nestes números, procurou-se mapear todas as causas das interrupções em transformadores rurais identificadas pelas equipes de atendimento, de forma a verificar se elas tinham relação com falhas ocorridas no transformador para justificar a operação do elo fusível. Das 65.511 interrupções, cerca de 65% (43.048) foram classificadas como indeterminadas com ou sem inspeção ou descarga atmosférica, mostrando que na maioria das vezes o elemento fusível operou e nenhuma causa aparente fora encontrada no transformador, sendo denominadas estas causas como faltas transitórias ou desconhecidas. A Figura 2 mostra o resultado do levantamento destas interrupções no período verificado.


Figura 2 – Causas das interrupções em transformadores rurais.

Foi realizado mais um refinamento na pesquisa e identificou-se que, das 43.048 interrupções, 75% delas ocorreram em transformadores monofásicos, conforme apresentado na Tabela 1.

Tabela 1 – Estratificação das interrupções por causas transitórias e por tipo de transformador

 

Esta análise foi de suma importância para nortear os rumos da investigação e tentar achar respostas para alguns questionamentos, haja vista que várias ações de manutenção preventiva vêm sendo implementadas no tratamento de reincidências destas ocorrências, como: limpeza de faixas e podas de árvores, blindagem de transformadores, instalação de religadores e chaves fusíveis religadoras em derivações rurais. Entretanto, cabe a indagação: será que está havendo falta de seletividade entre as proteções do primário e secundário no transformador?

As estatísticas mostraram que os transformadores monofásicos de 5 kVA são os que provocaram maiores quantidades de atendimentos, fato que se explica por se tratarem de milhares espalhados pela área de concessão da empresa. Porém, constata-se pela Tabela 1 que o transformador de 37,5 kVA foi o que percentualmente (16%) provocou maior quantidade de atendimentos.

Portanto, foi necessário pesquisar na norma de distribuição 5.1 (da Cemig), que trata do fornecimento de energia em tensão secundária, para edificações individuais da Cemig-D [3], quais são os valores de elos fusíveis e disjuntores padronizados para cada potência de transformador e o limite da carga instalada no cliente, conforme a Tabela 2.

Tabela 2 – Dimensionamento para unidades consumidoras rurais atendidas por redes primárias monofásicas com transformador exclusivo

Os elos fusíveis padronizados na Cemig-D são apresentados conforme a Tabela 3.

Tabela 3 – Elos fusíveis de transformadores monofásicos

 

Por representar cerca de 90% de todo o parque instalado na empresa, o presente artigo irá abordar prioritariamente os casos envolvendo transformadores de 13,8 kV.

Etapa 2 – Cálculo dos curtos-circuitos

Nesta etapa, o objetivo foi calcular os valores de curtos-circuitos na baixa tensão do transformador monofásico, de modo a estabelecer os limites de atuação dos dispositivos de proteção. Para o cálculo da corrente de curto-circuito nos terminais do transformador, considerou-se a impedância do lado de MT desprezível (barra infinita) aplicando as equações (1) e (2):

Em que: Isc é a corrente de curto-circuito rms simétrica nos terminais da BT do transformador; In é a corrente nominal na BT; Z% é a impedância percentual do transformador; V2 é a tensão nominal no secundário do trafo e Pkva é a potência nominal.

Por meio das equações (1) e (2), construiu-se uma tabela relacionando as potências nominais dos transformadores monofásicos, o elo fusível correspondente, disjuntor normatizado, impedância, tensão nominal e as correntes nominais e de curto-circuito calculadas. Os resultados são apresentados na Tabela 4.

Tabela 4 – Cálculo das correntes de curto-circuito na baixa tensão de transformadores monofásicos

Etapa 3 – Coordenogramas de proteção

De posse dos dados calculados, foram elaborados os coordenogramas de proteção, plotando-se as curvas de atuação de todos os elementos referidos para a baixa tensão do transformador. Também buscou-se verificar se as curvas dos elementos de proteção plotadas nos coordenogramas atendiam às suas respectivas normas aplicáveis, destacando-se:

  • A ABNT NBR 7282:2011, que prescreve três tipos de elos fusíveis de distribuição: elo tipos K, H e T;
  • Já os disjuntores termomagnéticos atendem às normas ABNT NBR IEC 60947:1998 e ABNT NBR NM 60898:2004;
  • As capacidades térmicas dos transformadores são especificadas por meio das normas ANSI C37.91-2000 e IEEE Std C57.109-1993, também conhecidas como curvas de danos ou curvas ANSI dos transformadores.

Com o auxílio de um programa para a execução de estudo de seletividade, foram inseridas também as curvas de partidas de motores, contemplando diversas potências, ao considerar a situação mais crítica que corresponde a partida direta, usando como tempo máximo de partida de 5 segundos até o motor entrar em regime. A Figura 3 apresenta o coordenograma para o transformador monofásico de 5 kVA, cujo elo fusível é 1H e o disjuntor é bipolar de 40ª padrão Nema.


Figura 3 – Coo

rdenograma de proteções do transformador de 5 kVA com disjuntor de 40 A.

Verifica-se que as proteções estão seletivas para defeitos na baixa tensão, mas a curva de suportabilidade térmica do trafo está desprotegida em quase totalmente. Entretanto, observa-se que a inserção de um motor de 7,5 CV partindo de forma direta causa a operação do disjuntor bipolar de 40 A. Uma situação bastante encontrada em campo foi a instalação de disjuntores bipolares de 70 A, padrão Nema, em trafos de 5 kVA, para justificar o uso de motores de 7,5 CV.

No entanto, o efeito colateral observado neste caso é a falta de seletividade entre o elo fusível 1H e este disjuntor, conforme mostra a Figura 4.


Figura 4 – Coordenograma de proteções do transformador de 5 kVA com disjuntor de 70 A.

A Figura 5 ilustra o caso mais crítico encontrado que corresponde ao transformador monofásico de 37,5 kVA, cujo elo fusível instalado no primário é de 6 K e o disjuntor padronizado é de 200 A, padrão Nema. Observa-se que, praticamente, não há seletividade entre as proteções para defeitos originados na baixa tensão, causando indevidamente a interrupção do elemento fusível.


Figura 5 – Coordenograma de proteções do transformador de 37,5 kVA com disjuntor de 200 A.

 

Vale ressaltar que este artigo aborda algumas situações mais críticas, sob o ponto de vista da perda de seletividade, porém, todos os casos encontrados em campo foram simulados e analisados.

Em resumo, nesta etapa, concluiu-se que ocorrências originadas na instalação do cliente (BT) estavam se transformando em interrupção de energia de responsabilidade da empresa pela atuação do elo fusível do primário, impactando em aumento das despesas operacionais devido aos deslocamentos de equipes para os atendimentos rurais.

Adicionalmente, também foi observado o aumento da indisponibilidade das equipes para atendimentos mais prioritários e ainda como consequência, pagamento de compensações financeiras (DIC, FIC, DMIC) e elevação dos indicadores de continuidade (DEC e FEC).

Etapa 4 – Simulação de novas propostas de seletividade das proteções

A etapa 4 teve o propósito de elaborar as possíveis soluções para os casos críticos que se apresentaram nos coordenogramas anteriores. Porém, neste artigo, serão demonstradas algumas soluções encontradas para os casos dos transformadores monofásicos de 5 kVA e 37,5 kVA, embora todas as demais situações tenham sido simuladas com parte do estudo completo.

A Figura 6 apresenta uma proposta de solução para o caso do transformador monofásico de 5 kVA, considerando que o cliente possua em sua propriedade um motor de indução monofásico de potência de 7,5 CV, tipicamente utilizado para bombeamento de água ou motor de picadeira de capim. A situação proposta consiste em alterar o disjuntor padronizado em norma bipolar de 40 A para o bipolar de 50 A, construído segundo o padrão Nema.


Figura 6 – Simulação das proteções do transformador de 5 kVA com disjuntor 50 A.

 

Considerando ainda a mesma situação de clientes rurais ligados em transformadores monofásicos de 5 kVA, associada à utilização de um motor de indução monofásico de 7,5 CV, uma outra alternativa proposta e apresentada na Figura 7 foi alterar o elo fusível para 2H e alterar o disjuntor bipolar de 40 A para 60 A, também construído em padrão Nema.

Entretanto, contatou-se que esta alternativa não foi tecnicamente viável por não garantir a proteção do trafo de 5 kVA, considerando que a curva do elo fusível de 2H ficou muito superior à curva de suportabilidade térmica do transformador.


Figura 7 – Simulação das proteções do transformador de 5 kVA com disjuntor 60 A e elo fusível de 2H.

Finalmente, o caso associado ao transformador de 37,5 kVA é o mais crítico e também o mais representativo, ao se levar em conta o número de interrupções registrado. Uma proposta efetivamente avaliada foi a alteração do valor nominal do elo fusível de 6 K para 8 K, sendo este o valor máximo possível para que haja seletividade com as proteções instaladas à montante nas derivações rurais. Mesmo assim, com a utilização do elo 8 K, verificou-se que não há seletividade com o disjuntor de 200 A padrão Nema, o que levou à elaboração de duas outras propostas. A primeira, mostrada na Figura 8, sugere a alteração do disjuntor para 150 A, padrão IEC, com curva de atuação magnética fixa, em que a carga demandada pelo cliente não justifique o uso do disjuntor de 200 A.


Figura 8 – Simulação das proteções do transformador de 37,5 kVA com disjuntor 150 A padrão IEC.

Se a carga demandada pelo cliente requerer o uso do disjuntor de 200 A, a solução estudada foi a instalação de um disjuntor de mesmo valor nominal padrão IEC, com curva de atuação magnética ajustável e faixa de ajuste de 4 a 12 vezes o valor de corrente nominal do disjuntor. O disparo magnético pode ser ajustado para atuação em até 12 vezes a corrente nominal do disjuntor, evitando a operação da proteção durante a partida do motor, dependendo do modelo e do fabricante. Estes disjuntores visam garantir a proteção do circuito do motor contra curtos-circuitos, sem comprometer a seletividade com o elemento fusível.

A Figura 9 mostra esta situação, contendo um disjuntor de 200 A padrão IEC, com curva de atuação magnética ajustada em 5 vezes a corrente nominal.


Figura 9 – Simulação das proteções do transformador de 37,5 kVA com disjunt

or de 200 A, padrão IEC ajustável.

 

Conclusões

Este artigo descreveu a realização de estudos de seletividade, envolvendo elementos fusíveis instalados no primário de transformadores monofásicos de 13,8 kV com os disjuntores termomagnéticos instalados no secundário e construídos segundo os padrões Nema e IEC. Tais estudos tiveram como objetivo identificar e propor soluções para os problemas de falta de seletividade quando da ocorrência de faltas transitórias ou permanentes no sistema de baixa tensão, que tem culminado no aumento do número de interrupções de consumidores rurais monofásicos.

Uma vez identificados os problemas e as possíveis soluções, decidiu-se por adotar de imediato as seguintes ações:

  • Substituir os disjuntores bipolares de 70 A Nema nos transformadores de 5 kVA para 50 A Nema;
  • Padronizar o elo fusível 8K nos transformadores monofásicos de 37,5 kVA em 13,8 kV, face a atual falta de seletividade com o disjuntor de 200 A Nema;
  • A área de engenharia de normas da Cemig-D divulgará uma recomendação técnica promovendo alterações na ND 5.1, contendo as alterações avaliadas neste artigo.

O desenvolvimento desse trabalho e os resultados experimentais ainda terão prosseguimento com a continuidade do projeto piloto, em que serão instalados disjuntores do padrão IEC, em trafos de 37,5 kVA. Após o período de observação programado para o período úmido, será feita a validação dos resultados simulados, observando em campo o desempenho dos elos fusíveis e disjuntores.

Após a validação dos resultados em campo, a metodologia proposta deverá ser ampliada, de modo a contemplar a instalação de disjuntores termomagnéticos de vários fabricantes e modelos.

Finalmente, com as ações propostas, espera-se que a empresa obtenha significativa redução da frequência de interrupções acidentais em clientes rurais; aumento da eficiência operacional; aumento dos ganhos de produtividades das equipes de atendimento; melhoria nos índices de continuidade de fornecimento de energia elétrica e, consequentemente, a melhoria da satisfação de seus clientes.


Referências

  • CAMINHA, A. C. Introdução à proteção dos sistemas elétricos. São Paulo: Edgard Blucher, 1977.
  • SCHWEITZER III, E. O.; SCHEER, G. W.; FELTIS, M.W. Uma nova abordagem sobre a proteção da distribuição. International Symposium on Distribution Automation and Demand Side Management. Fort Lauderdale, Flórida, 2006.
  • Cemig Distribuição SA – norma técnica ND 5.1. “Fornecimento de Energia Elétrica em Tensão Secundária Rede de Distribuição Aérea – Edificações Individuais”, maio 2013.
  • ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. “Dispositivos fusíveis de alta tensão – Dispositivos tipo expulsão – Requisitos e métodos de ensaio”. ABNT NBR 7282:2011, maio 2011.
  • ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. “Disjuntores de baixa tensão”. ABNT NBR 5361:1998. Cancelada em 21 jul. 2006.
  • ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. “Dispositivos de manobra e comando de baixa tensão – Parte 2: Disjuntores” ABNT NBR IEC 60947-2:1998, set. 1998.
  • ABNT – Associação Brasileira de Normas Técnicas. “Disjuntores para proteção de sobrecorrentes para instalações domésticas e similares (IEC 60898:1995, MOD)” ABNT NBR NM 60898:2004, jul. 2004.
  • Grupo de Trabalho de Disjuntores (Dimci – Inmetro). “Testes Preliminares em Disjuntores IEC e Nema”, out. 2005. Disponível em: <http://www.inmetro.gov.br>.
  • IEEE Power & Energy Society. “C37-91-2000 – IEEE Guide for Protective Relay Applications to Power Transformers”; DOI 10.1109/IEEESTD.2000.91943, ago 2002. Disponível em: <http://ieeexplore.ieee.org/servlet/opac?punumber=7039>.
  • IEEE Power & Energy Society. “C57.109-1993 – IEEE Guide for Liquid-Immersed Transformer Through-Fault-Current Duration”. DOI 10.1109/IEEESTD.1993.119214, set. 1993. Disponível em: <http://ieeexplore.ieee.org/xpl/articleDetails.jsp?arnumber=278280>. 

*José Celso Gonçalves, José Maria de Carvalho Filho, Kelson Marconi de Carvalho e Mozart Ferreira Braga Junior são engenheiros da Cemig Distribuição S.A.

 


 

 

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