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PROTEÇÃO DIFERENCIAL EM RELÉS

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Edição 40, Maio de 2009

Por Paulo Sérgio Pereira Júnior, Gustavo Espinha Lourenço, Cristiano Moreira Martins, Osvaldo R. M. Parreira e Paulo Sérgio Pereira

Testes automáticos em relés diferenciais numéricos de proteção de transformadores dispensando o uso de seis correntes

Com a constante evolução dos relés de proteção, tem surgido no mercado instrumentos de testes hexafásicos, que são considerados estritamente necessários para testar a função de proteção diferencial de relés numéricos trifásicos. Alguns profissionais têm equivocadamente exigido a necessidade de seis correntes para executar os testes. Este trabalho apresenta um algoritmo que foi desenvolvido e testado em relés diferenciais de diferentes fabricantes, capaz de realizar os testes nos relés numéricos de transformadores de dois enrolamentos com apenas duas correntes e nos relés de proteção de transformadores de três enrolamentos com apenas três correntes.

A exigência de seis correntes para testar os relés diferenciais numéricos de transformadores de dois enrolamentos tem sido erroneamente justificada por alguns profissionais. A extensão deste raciocínio implica que a mala de testes, para testar reles de proteção de transformadores de três enrolamentos, teria de possuir nove canais de corrente, o que não é a realidade.

Para atender a essas exigências, tem surgido no mercado sofisticadas caixas de testes com inúmeros canais de correntes, possibilidades de interligar mais de uma caixa de testes e ainda a utilização de amplificadores externos. No entanto, todas essas alternativas elevam o custo com ferramental para a execução dos testes.

Este artigo demonstra que, conhecendo as conexões dos transformadores, é possível fazer arranjos de testes que permitam realizar o equilíbrio no relé e executar todos os testes sem a necessidade de seis ou nove canais de correntes.

Conforme será mostrado, os testes nos relés de transformadores de dois enrolamentos podem ser feitos simulando faltas monofásicas ou bifásicas, dependendo da conexão do transformador protegido. Dessa forma, o relé pode ser totalmente avaliado, sendo cada fase testada individualmente, empregando dois canais de correntes apenas.

Após serem pesquisadas técnicas de compensação de defasagem usadas nos relés por diferentes fabricantes, um software foi desenvolvido para permitir que o usuário informe como o relé está parametrizado.

Um sistema de janelas apresenta o esquema do teste orientando o usuário como deverá realizar as conexões ao rele em função do grupo de defasagem do transformador. Muitos trabalhos de pesquisa têm sido feito no desenvolvimento de malas de testes (1, 2 e 3). Este trabalho focará o algoritmo e detalhará o software desenvolvido para testes automáticos, apresentando resultados práticos em relés comerciais.

Embasamento teórico e matemático

Os modernos relés numéricos agruparam todas as funções de proteção em um só produto e, no que concerne à proteção diferencial, a principal mudança percebida foi a inclusão de parametrização de vários slopes. Constatou-se também que os relés diferenciais numéricos mantiveram a característica clássica de operação [(I1-I2)]x[(I1+I2)/2]. Assim, os ajustes nos relés foram mantidos, destacando-se os ajustes de pickup, restrição por harmônicos (2ª e 5ª ordens), sloop e instantâneo. A mudança mais marcante que o relé diferencial numérico trouxe ao mercado foi a possibilidade de a compensação do ângulo de defasagem do transformador ser realizada internamente no relé, dispensando a compensação externa por meio das clássicas conexões delta/estrela nos Transformadores de Corrente (TCs).

Estes relés numéricos possuem internamente matrizes que compõem as correntes das fases de acordo com a parametrização da defasagem do transformador (grupo de conexão) e levam esses sinais aos comparadores. Os relés diferenciais trifásicos possuem três comparadores que comparam as correntes de cada fase do primário com as do secundário/terciário. Conforme o grupo de conexão do transformador, a circulação de uma corrente em uma das entradas faz surgir correntes nos comparadores das outras fases e por este detalhe é que os testes monofásicos foram abandonados pelos usuários desavisados, os quais, de maneira equivocada, passaram a exigir seis correntes.

As estatísticas têm demonstrado que a maioria das faltas que ocorrem são do tipo Fase e Terra (mais que 85%), assim, a avaliação feita para a situação de cada fase individualmente estará explorando a maioria dos casos.

Além disso, nas simulações de faltas trifásicas, todos os comparadores internos do relé serão utilizados simultaneamente, isto é, se um deles não estiver funcionando corretamente, o problema poderá ser mascarado pela atuação de um dos outros comparadores. Portanto, para avaliar separadamente cada comparador interno, são necessárias simulações de faltas monofásicas, conforme orientação dos próprios fabricantes dos relés. A avaliação individual de cada fase permitirá contemplar todas as possíveis situações de faltas mono, bi e trifásicas. Entretanto, temos informações de que alguns profissionais de manutenção, para driblar a necessidade dos seis canais de correntes e realizar os testes de forma monofásica, alteram a parametrização do relé, colocando o relé como se protegesse um transformador estrela-estrela. Esta prática, no entanto, apesar de facilitar os testes monofásicos, não deve ser adotada, uma vez que o relé não está sendo testado na sua verdadeira parametrização de uso.

A fim de explicar melhor a forma correta de teste proposta neste trabalho, analisa-se preliminarmente o que acontece em uma falta Fase A – Terra, no transformador ilustrado na Figura 1.

Figura 1 – Falta A – Terra, fora da zona de proteção diferencial

Para analisar apenas o efeito da corrente de falta, desprezam-se as correntes de carga. Dados a construção e o acoplamento do núcleo do transformador em questão, a corrente de falta da Fase "A" para a Terra no secundário faz aparecer uma corrente que circula da fase "A" para a fase "C" no lado primário. Nos modernos relés diferenciais, as compensações são realizadas internamente e os TCs são normalmente ligados em estrela, como sugerido na Figura 1. Dessa maneira, pelo lado secundário, o relé só estará recebendo corrente de falta pela fase "A", enquanto, pelo lado primário, a corrente de falta estará chegando pela fase "A" e retornando pela fase "C". Observe que a falta ocorre fora da região entre os TCs, ou seja, é externa à zona de proteção do relé diferencial e, portanto, a proteção diferencial não atuará. Isso porque, considerando que o relé está devidamente parametrizado, o relé estará recebendo as correntes e aplicando as matrizes de compensação de defasagem sobre as correntes medidas e assim identificando que se trata de uma condição de equilíbrio e não de falta.

A situação mostrada na Figura 2 ilustra uma falta interna. Pelo lado primário, as correntes continuarão circulando da fase "A" para a fase "C", porém, do lado secundário, a corrente não mais passará pelo TC da fase "A". A corrente na fase "A" secundária não mais estará equilibrando as correntes nas fases "A" e "C" primárias e, ao aplicar as matrizes de compensação de defasagem interna, não haverá equilíbrio e o relé deverá atuar.

Figura 2 – Falta A – Terra, dentro da zona de proteção diferencial

Considerando uma situação em que o relé seja retirado do sistema e, com uma caixa de teste, são aplicados os mesmos valores de correntes utilizando um canal de corrente para simular a corrente do lado primário e outro canal para simular a corrente do lado secundário, certamente têm-se os mesmos resultados. Simulando a situação descrita para a falta externa, tem-se o equilíbrio exato. Se diminuirmos aos poucos esta corrente, haverá um momento em que o relé atuará exatamente ao atingir a região de operação definida pela característica de slope.

Com este procedimento, o slope pode ser facilmente encontrado. Observe ainda que nenhuma defasagem angular foi necessária entre as correntes injetadas do lado primário e secundário, ou seja, não é necessário o controle de ângulo, o que implica que este teste pode ser realizado por modelos muito mais simples de caixas de testes. É obvio, no entanto, que o nível de corrente nos dois lados, para que se tenha o equilíbrio exato das correntes (que é o que acontece para uma falta externa), vão depender, entre outras coisas, da relação dos TCs do primário e secundário do transformador. Se a relação dos TCs for ideal, isto é, não existe corrente de desequilíbrio no relé. Durante a condição de potência nominal, a corrente no secundário dos dois TCs será adotada em 5A. As Figuras 3 e 4 ilustram as condições: trifásica equilibrada e curto circuito.

Figura 3 – Acoplamento magnético entre bobinas – Trifásico equilibrado

Considerando então a condição trifásica equilibrada, temos:

Equação 1

Do lado secundário dos TCs ideais, as correntes que circulam na bobina do relé são:

fórmula

Considerando então a condição durante o curto Fase-Terra:

Figura 04 – Acoplamento magnético entre bobinas – Curto Fase-Terra

Equação 2

Assim, as correntes que circulam nas bobinas do relé são:

As equações anteriores mostram que, durante o equilíbrio exato da corrente na condição trifásica equilibrada, as correntes injetadas no relé estarão na proporção de 1:1, ou seja, X Ampères nos secundários dos TCs do enrolamento da alta deverão se equilibrar com os X Ampères nos secundários dos TCs do enrolamento da baixa. No entanto, na falta Fase-Terra, esta proporção, para manter o equilíbrio exato, deve ser de 1:?3, assim X Ampères nos secundários dos TCs da alta só se equilibrará exatamente com uma corrente igual a ?3. X no secundário do TC da baixa do transformador.

Na análise anterior, assumiram-se TCs ideais, significando que, nas condições nominais do trafo, as correntes de secundário dos dois TCs têm a mesma amplitude. Se, no entanto, os TCs não tiverem devidamente casados, ou o relé corrigirá o defeito aplicando um fator de correção (K) sobre a corrente em um dos lados do TC ou o relé deve trabalhar com os TAPs calculados com os mesmos valores das correntes que aparecem no secundário.

No relé SR745, a correção é feita usando o fator K, nos TCs do lado secundário do trafo. O fator aplicado tem por objetivo igualar as correntes, assim:

ISecTCs = K . ISecTCp (internamente)

ILs / RTCs = K . ILp / RTCp  (Equação 3)

ILp e ILs são as correntes nominais no primário e no secundário do transformador, respectivamente.

Substituindo esta equação na Equação 1, mostrada anteriormente, temos:

 

Assim, na Equação 2, o equilíbrio no curto ocorrerá em:

ICCs / RTCs = ?3. K . ICCp / RTCp. ? ICCs” = ?3 . K . ICCp”

O fator K pode ser facilmente calculado considerando:

Sn = ?3 VLp . ILp = ?3 VLs . ILs  ?  ILs / ILp = VLp / VLs

Substituindo na Equação 3:

O relé em análise é o SR745, que possui internamente uma matriz para compensação do ângulo de fase, que, em termos de modelagem, pode ser representado pela existência de um transformador, como indicado na Figura 5.

Figura 5 – Simulação interna para a correção de defasagem num relé SR745

As equações encontradas no exemplo anterior correspondem às adotadas no relé SR745, que podem ser estendidas para qualquer conexão de transformador ?/Y e Y/?, com estrela aterrado, injetando corrente em apenas uma das fases do lado Y, da seguinte forma:

• fator ?3 é aplicado sempre do lado Y

• fator K do lado secundário

Assim, os testes em um SR 745 ajustado para atuar com pickup em 15%, isto é 15% do valor nominal secundário do TC, Tap 5A terá os seguintes valores:

Ipkp1 = 0,15 . 5 = 0,75 A (corrente de pickup pelo lado primário)

Entretanto, se fizermos o teste pelo lado secundário, o valor será:

Ipkp2 = 0,15 . 5 . ?3 . K (corrente de pickup pelo lado secundário)

Considerando TCs ideal, K = 1

Ipkp2 = 0,15 . 5 . ?3 = 1,3 A

Simulando as correntes dos dois lados de forma equilibrada, ou seja, Is = ?3 . K . Ip, o relé não deve operar, pois representa uma carga ou um curto totalmente fora da zona. No entanto, variando-se o nível de corrente em um dos lados, o relé deverá operar exatamente quando atingir a região de operação da curva de Slope, que, para o relé SR745, é dada pela equação:

Slope = 100 . 2 . |Ip’ - Is’| / |Ip’ + Is’| [%], em que:

Ip’ = Corrente na bobina do enrolamento primário (enrolamento um), dividido por todos os fatores de correção utilizados para o lado em questão e pelo Tap (5A).

Is’ = Corrente na bobina do enrolamento secundário (enrolamento dois), dividido por todos os fatores de correção utilizados para o lado em questão e pelo Tap (5A).

Deve-se lembrar que o relé tem duas curvas de Slope, que mudam em Kneepont, conforme a Figura 6. A mudança ocorre quando: |Ip’ + Is’| / 2 = Kneepoint

Figura 6 – Característica de slope do relé SR745

O raciocínio usado para o trafo do exemplo pode ser estendido a outros tipos de conexão de transformadores de dois e três enrolamentos. É necessário, entretanto, conhecer o relé, a forma de compensação de defasagem utilizada por ele e as curvas de slope que podem variar dependendo do fabricante. Isto é inevitável mesmo tendo todas as fontes de corrente quanto queira em uma caixa. A demonstração anterior teve por objetivo mostrar simplesmente que é possível realizar os testes utilizando somente dois e três canais de corrente.

O único detalhe faltando para o usuário realizar o teste é a informação de como injetar as correntes no relé, ou seja, para a falta simulada, quais as fases envolvidas, o que depende do tipo de conexão do trafo protegido.

Considerando-se como exemplo um transformador tipo ?/Y 150°, esta indicação informa que a corrente de linha do lado da baixa (lado estrela), de uma determinada fase, está 150° atrasada com relação à corrente de linha da mesma fase do lado da alta (lado delta). Preliminarmente, sabe-se que as correntes do secundário estão atrasadas das do primário em 150° e que o lado secundário está em Y. No relé será montada uma conexão (matriz) que corrige o defasamento, medindo a corrente do lado estrela e passando por um defasador que avança a fase em 150° de modo a ficar em fase com a corrente do primário. Na Figura 7, percebemos pelos diagramas fasoriais como é montada a defasagem do transformador.

• Ia’ no primário deve ser formado por uma contribuição direta das correntes Ib’’ menos Ia’’;

• Ib’ no primário por uma contribuição direta de Ia’’ menos Ib’’;

• Ic’ no primário por uma contribuição direta de Ib’’ menos Ic’’;

Figura 7 – Identificação da conexão dos enrolamentos do transformador

As figuras 8 e 9 ilustram como deve ser feita a compensação pelo relé e o respectivo esquema de teste.

Figura 8 – Esquema de compensação da defasagem pelo relé

Figura 9 – Esquema de teste com duas fontes de correntes


 

Software de teste

Com base na filosofia de teste apresentada, a Conprove desenvolveu um software capaz de automatizar os testes em relés diferencias, utilizando os modelos de caixa de testes trifásicas de fabricação própria. Além de realizar testes automáticos nas unidades de proteção diferencial, este software também automatiza os testes nas unidades de sobrecorrente.

Cadastro para a realização dos testes

O software trabalha com um banco de dados em que são armazenados os resultados dos testes e as informações cadastradas pelo usuário referentes aos ajustes de parametrização dos relés. Para processar os testes, o usuário deve cadastrar o relé que deseja testar no banco de dados. Uma vez cadastrado, os testes podem então ser processados. As Figuras 10 e 11 mostram algumas das telas de cadastro do software.

Figura 10 – Tela de cadastro dos dados do transformador protegido pelo relé

Figura 11 - Tela de cadastro dos dados da proteção diferencial do relé

Com o objetivo de facilitar o cadastro dos relés, o software separa o cadastro em duas partes: cadastro dos dados pertinente ao modelo (“Modelos Comerciais de Relés”), comuns a vários relés, e cadastro dos dados específicos a um único relé (“Relés Existentes na Empresa”). Isto porque, em uma grande empresa, como concessionárias, indústrias, usinas, etc., há vários relés do mesmo modelo conectados em pontos diferentes do sistema elétrico e parametrizados de acordo com as necessidades próprias. No cadastro dos “Modelos Comerciais de Relés”, o usuário pode visualizar todos os dados referentes a um determinado modelo de relé, já no segundo cadastro, o usuário define as condições de trabalho de um determinado relé, como o local de instalação e os ajustes de parametrização do relé. Para cadastrar um relé como “da empresa”, os dados do modelo do relé devem necessariamente estar cadastrados em “Modelos Comerciais de Relés”. Assim, todos os ajustes de parametrização do relé devem respeitar as faixas de ajuste impostas pelos dados cadastrados no modelo.

Testes

Os testes são chamados a partir da tela de cadastro dos relés existentes na empresa. Para processar os testes, o relé da empresa selecionado deverá estar devidamente cadastrado. Ao pressionar o botão “testar” da barra de ferramentas, aparecerá uma tela para identificação do funcionário responsável. Feita a identificação, a tela de seleção dos testes aparecerá.

Nela, o usuário seleciona os testes que deseja processar sobre o relé e, estando o equipamento devidamente conectado, os testes são processados. Os testes da unidade diferencial são feitos avaliando-se separadamente cada fase. Com esta filosofia de teste, para um relé diferencial de dois enrolamentos, são necessários dois canais de corrente. Para um relé de três enrolamentos, três canais de corrente. Nestes testes, os canais de geração de corrente da caixa de teste, Ia, Ib e Ic são sempre conectados, respectivamente, às bobinas dos enrolamentos 1, 2 e 3.

No teste da unidade diferencial, são testados:

• Pickup da proteção diferencial percentual, para cada enrolamento;

• Restrição de 2ª e 5ª ordens harmônicas;

• Levantamento da característica de Slope;

• Pickup da unidade diferencial instantânea.

A conexão depende da fase testada e do esquema de ligação do transformador protegido pelo relé, cujos dados são cadastrados junto ao relé existente na empresa. De acordo com a fase selecionada, a partir da tela de seleção dos testes, o usuário poderá visualizar o esquema de conexão dos canais de corrente da caixa de teste às respectivas fases de cada enrolamento. A Figura 12 mostra o esquema de ligação considerando a proteção diferencial de um transformador ?/Y 150°.

Figura 12 - Esquema de conexão da caixa de teste ao relé, de acordo com o transformador protegido, informado pelo software. Neste exemplo ?/Y 150°.

Os resultados dos testes são armazenados no banco de dados, podendo ser analisados quando o usuário desejar. O software permite a impressão dos resultados (relatórios).

 

CONCLUSÕES

Este trabalho apresenta uma sistemática que viabiliza a realização de testes “monofasicamente” em relés numéricos trifásicos. A contribuição vem no sentido de propor uma alternativa para que os testes nestes relés não necessitem de seis correntes. A principal vantagem para os usuários é a redução dos investimentos em instrumentos de testes, dispensando as caixas hexafásicas que são normalmente de maior custo. Como demonstrado, os testes em relés trifásicos em transformadores de dois enrolamentos podem ser feitos com duas correntes e os de três enrolamentos, com três correntes. O trabalho suporta a metodologia proposta com resultados de testes em relés comerciais.

Bibliografia

(1) SOUTO, W. A. Desenvolvimento de um equipamento computadorizado para testes em instrumentos elétricos. Dissertação de Mestrado, UFU, 1997

(2) RESENDE, J. W.; PEREI}RA, P. S.; PEREIRA, O. R. M.; LOURENÇO, G E. Automação de testes em relés numéricos. XVI SNPTEE – Seminário Nacional de Produção e Transmissão de Energia Elétrica; 2001

(3) Martins, M. P., Uma Contribuição ao desenvolvimento de equipamentos computadorizados para testes em relés de proteção. Dissertação de Mestrado UFU, 1997.

 


CRISTIANO MOREIRA MARTINS, PAULO SÉRGIO PEREIRA E PAULO SÉRGIO PEREIRA JÚNIOR são engenheiros da Comprove Indústria e Comércio.

 

OSWALDO R. M. PARREIRA é engenheiro líder da área de Proteção, Automação e Telecom Oeste da CPFL.

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