RELÉS DIGITAIS INTELIGENTES PARA PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS DE POTÊNCIA

Titulação Nome do Professor(a) Prof. a). Titulação Nome do Professor(a) Prof. a). Titulação Nome do Professor(a) Santo André, 29 de Outubro de 2020 RUSSO, Jorge. Palavras-chave: Relés digitais. Sistema elétrico de potência. Proteção de sistemas. RUSSO, Jorge. Relés digitais inteligentes para a proteção de sistemas elétricos de potência. LISTA DE ILUSTRAÇÕES Figura 01 – Estrutura fundamental de um SEP 13 Figura 02 – Subestação do tipo Ao Tempo 15 Figura 03 – Subestação abaixadora 16 Figura 04 – Subestação de alta tensão 17 Figura 05 – Linhas de transmissão 19 Figura 06 – As várias proteções no sistema elétrico 22 Figura 07 – Zonas protetivas 26 Figura 08 – Evolução dos relés 29 Figura 09 – Relé eletromecânico 31 Figura 10 – Relé eletrônico 33 Figura 11 – Relé digital 34 Figura 12 – Relé numérico 35 Figura 13 – Estrutura hierárquica dos níveis de proteção digital 37 SUMÁRIO 1.

INTRODUÇÃO 10 2. METODOLOGIA 13 3. SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA 14 3. SUBESTAÇÕES ELÉTRICAS - SE 15 3. CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA PROTETIVO 27 4. ZONAS DE PROTEÇÃO 28 4. SUPERVISÃO E CONTROLE 29 5. RELÉS DIGITAIS INTELIGENTES PARA A PROTEÇÃO DE SEP 31 5. PRINCIPAIS RELÉS 32 5. O objetivo geral do trabalho é estudar os relés digitais utilizados em sistemas elétricos de potência. Como objetivos secundários, tem-se: revisar os principais conceitos sobre relés, características e composição básica; identificar as metodologias básicas de proteção de sistemas elétricos de potência e explicar os constituintes do sistema elétrico de potência - SEP. A questão da proteção em sistemas elétricos de potência é muito relevante, da mesma forma, que a falta de energia é muito danosa, por isso, a evolução de equipamentos, projetos e mecanismos de proteção precisam ser planejados e aprimorados, em qualquer parte dentro do sistema.

Principalmente, nos últimos anos, os relés com base em microprocessadores, ficaram ainda mais interessantes quando comparados com os eletromecânicos e, até mesmo, os estáticos. Isso ocorre porque quase não precisam de manutenção e o custo do projeto se tornou bastante razoável. Fábricas sem funcionar por não fornecimento de energia provocam prejuízos na produção e no tempo para a retomada do processo, causando dificuldades e danos críticos. Com relação à população em geral, a falta de energia causa apreensão no abastecimento de energia para a malha viária, aeroportos e instituições hospitalares, comprometendo as suas funções e serviços ofertados até que a energia retorne. Outra dificuldade são as oscilações de amplitude que ocorrem no religamento de sistemas de distribuição, pois, eles podem levar a problemas em equipamentos eletroeletrônicos de residências.

Considerando toda a conjuntura apresentada e os problemas da falta de energia no sistema elétrico nacional, um questionamento parece ser relevante, no que se refere à função, confiabilidade e seletividade dos dispositivos responsáveis pela proteção desses sistemas. E a indagação feita é a seguinte: como os relés digitais, estruturas microprocessadas e inteligentes, podem contribuir para a proteção dos sistemas elétricos de potência? 2. O capítulo 5 mostra os relés digitais para esta proteção. O capítulo 6 traz a conclusão, com a síntese de todos os tópicos desenvolvidos e observados. SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA O Sistema Elétrico de Potência (SEP) constitui uma série de instalações, dispositivos e processos que, trabalhando de forma articulada, se responsabiliza pela produção, transmissão, distribuição e mensuração de energia elétrica, com a finalidade de que a eletricidade chegue às unidades consumidoras (UC), por todo o tempo, conforme os requisitos de disponibilidade, segurança e usabilidade (JÚNIOR, 2018).

Consiste em um dos instrumentos que visa transformar e conduzir eletricidade e é formado por três dispositivos essenciais: as geradoras de energia, as linhas de transmissão e os sistemas que fazem o envio de energia (SILVA; MING; ALMEIDA, 2014). O escopo primordial dos sistemas protetivos é a defesa do sistema elétrico de potência de falhas que possam vir a acontecer, sejam elas, provisórias ou duradouras. A Figura 1 mostra todos os componentes do sistema elétrico de potência, na cor vermelha, está a geradora de energia; na cor azul, o componente de transmissão; na cor verde, a distribuição e, na cor preta, os clientes finais, que conforme a exigência, podem ser agrupados em primários, secundários e subtransmissão consumidora (JÚNIOR, 2018). Figura 1: Estrutura fundamental de um SEP.

Fonte: Júnior (2018) Depois de transcorrida essa rota, a energia chega às UCs através da distribuição. Ela se comporta como uma entrada de energia, constituída pelo ponto de entrega, ramal de entrada, eletroduto, poste, condutores, disjuntores, aterramento entre outros (JÚNIOR, 2018). E, dentre os componentes indispensáveis ao SEP, tem-se as subestações elétricas, localizadas nos limites ou em conexões do sistema, elas realizam o interfaceamento entre os diversos sistemas. Em um período anterior à década de 1960, a proteção do SEP era feita com a utilização de relés eletromecânicos, onde as formas de mensuração eram do tipo analógica. No fim dessa mesma década, apareceram os primeiros ensaios a respeito de dispositivos digitais em SEP, aos poucos, foi se inserindo os mecanismos digitais para a proteção e, no começo do século, houve a difusão dos relés microprocessados e microcontrolados, reduzindo a utilização de tecnologias analógicas (KULLER, 2018).

Subestações se diferem entre si, graças a muitas aplicações que possuem, no entanto, para a conservação de todo o SEP funcionando em condições normais, a proteção elétrica é indispensável, para garantir que os dispositivos se mantenham intactos e que pessoas não se machuquem. A avaliação do custo x benefício será influenciada pelo grau de confiabilidade, atributo da carga atendida, quantidade de transformadores necessários e a potência de curto-circuito equivalente para o sistema (SILVA; MING; ALMEIDA, 2014). As SEs se dedicam à conversão de valores de diferença de potencial, distribuição de energia, seccionamento de linhas de transmissão e, por vezes, a transformação de corrente e de frequência. Figura 4: Subestação de alta tensão. Fonte: Júnior (2018) As subestações elétricas podem ser subdivididas em duas, segundo a construção dos equipamentos (JÚNIOR, 2018): - Convencionais: abrigadas em local aberto e possui o ar como o meio isolante; - Blindadas: concentrada em local fechado e isolado com o gás hexafluoreto de enxofre – SF6.

O maior valor de tensão para este tipo é 500 kV. SEs também podem ser classificadas conforme o nível de diferença de potencial (JÚNIOR, 2018): - Subestação de baixa tensão – valor da tensão nominal é de, no máximo, 1000 volts; - Subestação de média tensão – tensões nominais se encontram no intervalo de 1 e 34,5 kV, com valores característicos de 6,6; 13,8; 23 e 34,5 kV; - Subestação de alta tensão – visível na Figura 4, suporta amplitudes que estão entre 34,5 e 230 kV, com valores característicos de 69, 138 e 230 kV; - Subestação de extra alta tensão – trabalha com magnitudes acima de 230 kV. Valores característicos encontrados são de 345, 440, 500 e 750 kV. Elas estão sujeitas a problemas como raios, vandalismo, incêndios, ventos fortes e curto-circuito, sobretudo pelo fato de estarem no ar, trazendo alguns empecilhos próprios de sua infraestrutura.

Visando diminuir a probabilidade de acontecer possíveis danos, usa-se cabos-guarda, para-raios e disjuntores interligados a relés, sendo os últimos, os dispositivos preponderantes na proteção (SILVA; MING; ALMEIDA, 2014). Por este motivo, é necessário que haja alta confiabilidade das LTs, por constituírem os condutores de grande calibre presentes no SEP, que levam a energia elétrica para o sustento de grandes unidades consumidoras e centros de consumo. Isso só é possível a partir de critérios rígidos no projeto e operacionalização, dimensionamento da capacidade de transmissão e interconexões. As amplitudes transmitidas em território nacional são: 230, 345, 440, 500 e 750 kV, tensão alternada e 600 kV, em tensão contínua (MEDEIROS, 2012). DISTRIBUIÇÃO Os valores de tensão de transmissão não podem ser disponibilizados ao cliente final, visando a segurança desses indivíduos, os montantes gastos e o isolamento de equipamentos.

Para isso, os transformadores abaixadores em SEs são utilizados para diminuir a amplitude e deixá-los apropriados para que a energia seja distribuída. Assim, as perdas impostas pela resistência do cabeamento são admitidas, pois, o comprimento para a rede de distribuição se torna bem menor (MEDEIROS, 2012). A distribuição de eletricidade nas cidades também é feita com valores menores de diferença de potencial, subsidiada também pelos transformadores abaixadores, situados nos postes de energia ou abrigados, sendo dividido em dois tipos: distribuição primária ou DP, que é de alimentação, trabalhando em 13,8 kV e distribuição secundária, que é do cliente, com valores que podem ser 220/127 V e 380/220 V, no território brasileiro (SILVA; MING; ALMEIDA, 2014). Desse modo, um sistema que distribui energia elétrica é uma subdivisão do SEP, que realiza a condução da eletricidade através de um barramento secundário de uma subestação (final da transmissão ou subtransmissão) até as unidades consumidoras.

Fonte: Medeiros (2012) Os sistemas de proteção existem exatamente para a erradicação das falhas que possam ocorrer e diminuição de suas consequências. A proteção é encontrada em todo o SEP, começando na produção de eletricidade até o término, na distribuição secundária, com a utilização de fusíveis e outros dispositivos elaborados. Há proteções especiais para os geradores, transformadores, barramentos, LTs, bancos de capacitores, motores, entre outros, além de equipamentos que protegem contra incêndios, raios e surtos provocados por manobras. A Figura 6 mostra as proteções, simbolizados por um quadrado, indicando os disjuntores, geralmente, ligados a relés de proteção (MEDEIROS, 2012). Os elementos protetivos minimizam a área de alcance da falta de energia e restauram o abastecimento de eletricidade quando anomalias severas provocam a queda de energia, justamente pelo sistema de proteção possuir um conjunto de processos de operação previamente estabelecidos e a automação apropriada, como por exemplo, o relé, que devidamente instalado, consegue perceber situações inoportunas em uma zona determinada e separar a porção com problemas (PRUDÊNCIO, 2016).

Caso seja necessária uma iniciativa naquela mesma localidade, o relé manda um sinal ao disjuntor que deverá seccionar o sistema nesse ponto (MEDEIROS, 2012). As sobretensões podem acontecer no SEP no instante em que eventos irregulares aparecem, como erro na regulagem de tensão a partir de comutadores de derivações de transformadores, reação à carga e extremos abertos. A proteção contra sobretensão de fase e neutro, do tipo temporizada, agirá, depois de um certo intervalo de tempo, no momento em que a amplitude da tensão observada em uma das fases ou no neutro foi maior que um valor previamente definido (SILVA, 2019). PROTEÇÃO DE GERADORES Geradores usam proteção diferencial, no entanto, os transformadores de corrente são ligados do lado de alta tensão e no neutro.

Como as correntes possuem o mesmo valor, o relé de proteção diferencial usado precisa ter muita sensibilidade (GOES, 2013). Visando dificultar esses resultados inadequados, o sistema de proteção precisa avisar sobre uma possível ameaça que pode ocorrer ou realizar a desconexão de disjuntores de maneira a separar a fatia do sistema com problema, conservando o resto em pleno funcionamento (SILVA, 2019). CARACTERÍSTICAS DO SISTEMA PROTETIVO O sistema protetivo, para agir de forma ágil e correta, precisa conter os atributos a seguir (GOES, 2013): - Confiabilidade: possibilidade de o sistema funcionar apenas sob os requisitos que o projeto preconizou, sem atuar em ocasiões diferentes; - Sensibilidade: habilidade de o sistema trabalhar em condições atípicas, dispondo da menor margem de flexibilidade, não agindo em estados de sobrecargas rotineiras ou de carregamento nominal; - Segurança: habilidade de o sistema não trabalhar para falhas que estão fora de sua zona de proteção; - Seletividade: competência de o sistema desligar somente os componentes que estão sob a condição de falta, assegurando que o mínimo do sistema seja atingido; - Velocidade: agilidade do sistema agir depois que é percebida a falta.

Trata-se de um dos atributos mais relevantes do sistema elétrico, pois, uma corrente de curto, atuando por muito tempo, tem condições de afetar a qualidade da isolação dos dispositivos. ZONAS DE PROTEÇÃO O sistema elétrico de potência é muito extenso e complexo, por isso, a proteção precisa ser decomposta em partes menores, denominadas zonas de proteção. Normalmente, os relés aceitam sinais vindos de diversos transformadores de corrente, que estabelecem as zonas protetivas. Esta disposição foi implementada, a princípio, para a área técnica fazer os trabalhos e intervenções no próprio local (SILVA, 2019). A tecnologia clássica de controle e supervisão de subestações possui algumas desvantagens (GOES, 2013): - Não é viável a utilização de padrões, pois o projeto desses sistemas é individualizado; - Alta quantidade de dispositivos e cabeamento que é preciso para executar funcionalidades elementares; - Pouca utilização de repetições, com isso, se um elemento falhar, todo o sistema pode ser afetado.

Como se tem muitos elementos, a manutenção em qualquer seção do sistema, pode causar problemas em outra parte; - Ampliações e mudanças, como por exemplo, acrescentar uma nova LT é complicado, pois, a maior parte da lógica de controle do estabelecimento precisa ser mudada, levando a modificações sensíveis na parte de cabeamento. Os sistemas de controle e supervisão de subestações contemporâneos usam o sistema SCADA (Supervisory Control and Data Aquisition). Eles conseguem transmitir um alto volume de dados, em tempo real, utilizando-se enlaces ópticos que trabalham com grandes taxas para a transmissão e alta segurança. Figura 8 – Evolução dos relés. Fonte: Matos (2014) Mesmo com as bases de proteção apresentado muitas semelhanças, é preciso usar os relés certos para cada tipo de dispositivo.

Eles trabalham com a lógica de desempenho, isto é, partindo dos sinais que vem dos transformadores de potencial e de corrente, eles realizam a decisão de agir ou não. Assim, sua ação é caracterizada pela transmissão de sinal de disparo para um disjuntor, além de ser determinada pelo papel que o relé tem realizado e as adequações necessárias, que variam com a filosofia de proteção e tipo de rede que será protegida (MATOS, 2014). PRINCIPAIS RELÉS Os relés experimentaram muitas transformações com o passar dos anos, desde o ano de 1901, quando foi inventado o primeiro dispositivo do tipo eletromecânico, que se tratava de um relé de sobrecorrente de indução. CARACTERÍSTICAS E PRINCÍPIOS FUNDAMENTAIS DOS RELÉS Os relés são divididos de acordo com o caráter das grandezas com que opera (frequência, corrente, diferença de potencial, temperatura, potência) e subdivididos conforme sua construção, em relés eletromecânicos, estáticos ou digitais (SILVA; MING; ALMEIDA, 2014).

Os relés da primeira geração, eletromecânicos, foram os precursores na proteção de SEP e já se encontram no mercado há, aproximadamente, um século. Utilizam a força mecânica que irá mover um contato como resposta a uma excitação. A força mecânica é produzida através de um fluxo de corrente em ou vários núcleos magnéticos. O benefício do uso desta tecnologia é que esses relés possuem uma isolação galvânica entre as saídas e entradas, de maneira simplificada, de custo baixo e segura, assim para funcionalidades simples de ligar e/ou desligar dispositivos, onde é necessário o emprego de correntes altas, ele é usado (SILVA, 2019). A palavra “estático” pode ser explicada pelo simples fato de o relé eletrônico não apresentar movimento mecânico.

O uso do relé estático possui os benefícios a seguir (SILVA, 2019): - Pouca manutenção graças à inexistência de partes que se movimentam e que geram atrito; - Funcionamento rápido e duram muito tempo; - Possuem uma ou mais entradas; - Possibilitam amplificar sinais, pois, são dotados de sensibilidade mais apurada; - Não possuem inércia provocada por partes mecânicas e têm grande resistência à vibração e choques; - Necessitam de pouca energia nos circuitos, possibilitando reduzir a estrutura dos módulos do relé; - Significam uma carga pequena para TCs e TPs, considerando que a potência advinda para o funcionamento, na maioria das vezes, é externa (SILVA, 2019). Mesmo com esses benefícios apresentados, os primeiros relés estáticos, apresentavam alguns inconvenientes no funcionamento dentro do SEP.

O circuito eletrônico era muito sensível e qualquer perturbação no sistema, já trazia dificuldades para a estabilidade de sua operação. Na época, grande parte dos relés estáticos foram trocados por eletromecânicos que, naquele instante, eram mais confiáveis. Os relés digitais atualizaram as estruturas observadas na proteção, mostrando benefícios que as soluções anteriores não tinham. Isso não se resume a apenas funcionalidades mais interessantes e confiáveis; os relés microprocessados fazem funções de comunicação, mensuração de grandezas, controle, sinalização e acesso à distância (SILVA; MING; ALMEIDA, 2014). Figura 11: Relé digital. Fonte: Silva (2019) Os relés microprocessados são também chamados de Dispositivos Eletrônicos Inteligentes e seu uso reflete na diminuição dos custos de implementação e manutenção, por minimizar a quantidade de cabeamento e equipamentos utilizados.

Ademais, o intercâmbio de informações acontece de maneira muito mais veloz através de redes intranet, que deixam o projeto mais simples, possibilitam a sincronicidade no tempo de equipamentos e uma certa escalabilidade do sistema, além de trazer mais confiabilidade (KULLER, 2018). RELÉ DIGITAL MICROPROCESSADO PARA SEP Os relés microprocessados, como já falado, constituem a terceira geração dos relés. Possuem como alicerce, os microprocessadores. Diferencia-se dos relés eletrônicos de primeira geração, que usavam, principalmente, os transistores e da segunda geração de relés estáticos, que usavam circuitos integrados e amplificadores operacionais. Por isso, algumas bibliografias consideram os relés digitais microprocessados como a terceira geração de relés estáticos (COTOSCKF, 2007). Os microprocessadores conferem a este tipo de relé, muita flexibilidade, o que significa dizer que ele pode realizar diversas funções, que podem ser listadas como: controle, gravar os dados das amostras obtidas, informação de registros e várias funcionalidades de proteção (KULLER, 2018).

Figura 13: Estrutura hierárquica dos níveis de proteção digital. Fonte: Cotosckf (2007) O nível 1 compreende o relé digital e microprocessador, tendo a obrigação de mensurar, avaliar, proteger e automatizar, a partir das informações que vem do SEP, tem interação homem-máquina e estabelece comunicação com o nível 2. O nível 2 abrange o computador da SE, tendo também interação homem-máquina, colhendo e registrando dados, avaliando o conjunto de eventos que acontecem no sistema e assegura backup se ocorrer falta (HORNUNG; KUSSEK, 2017). O nível 3 compreende o servidor central, que começa as atuações de controle do sistema, adquire e processa os dados e, também, faz relatórios. Mesmo com tantos benefícios, os relés microprocessados também lutam contra algumas dificuldades, dentre eles, ser sensível a interferências eletromagnéticas (pode ser minimizado com o uso de fibra óptica) e se tornar antiquado muito rápido, pelo grande desenvolvimento nesta área (COTOSCKF, 2007).

Introdução à Metodologia do Trabalho Cientifico: elaboração de trabalhos na graduação. ed. São Paulo: Atlas, 2010. GOES, Alan Ribeiro Gomes. Modernização da proteção de sistemas elétricos de potência. f. Trabalho de conclusão de curso (Bacharelado em Engenharia Elétrica) – UNOPAR, Ponta Grossa, PR, 2018. MATOS, Lécio Gonçalves. Introdução a sistema de automação em subestação. f. SILVA, Daniel Fiorini; MING, Lin Yu; ALMEIDA, Pedro Henrique de. Sistema de proteção através do uso de relés microprocessados para subestações elétricas de alta tensão padrão COPEL. f. Trabalho de conclusão de curso (Bacharelado em Engenharia Elétrica) – Universidade Tecnológica Federal do Paraná, Curitiba, PR, 2014.