Redes de Alta Tensão

Os relés de protecção têm uma participação bastante importante na exploração das redes industriais, na medida em que têm a função de assegurar a melhor qualidade possível do serviço eléctrico.  

O objecto deste guia é de definir e coordenar as protecções melhor adaptadas aos diversos tipos de configuração de uma rede (funcionamento em paralelo de unidades de produção ou de transformação, rede em anel ou radial, tipo de regime de neutro, etc.). 

Este guia aconselha a utilização de diferentes tipos de relés. 

• Os relés da série ITG são relés de máximo de intensidade electrónicos de tecnologia analógica,
• Os relés das séries RMS 7000 são relés de tecnologia digital, que utilizam um método original de tratamento do sinal: a Transformada Rápida de Fourier (FFT). Esta técnica de medida elabora o valor eficaz real das correntes a partir das harmónicas, o que em algumas aplicações, permite que estes relés possam ser dessensibilizados a algumas harmónicas.

Os relés de protecção com funções mais específicas, tais como a protecção de máquinas, não são aqui desenvolvidos, sendo a sua aplicação apresentada nos capítulos respectivos.

I - PROTECÇÃO CONTRA OS DEFEITOS ENTRE FASES

A protecção amperimétrica constitui a protecção de base de uma rede. Ela deve ao mesmo tempo ser sensível e rápida, de modo a limitar as solicitações impostas aos equipamentos durante a duração de um defeito (esforços electrodinâmicos e efeitos térmicos).

Por outro lado, ela deve ser selectiva, ou seja, ser capaz de eliminar apenas o elemento em defeito, preservando a alimentação eléctrica dos elementos sãos da instalação.

I.1 - Escolha da característica tempo / corrente

Os relés de protecção de máximo de intensidade são principalmente definidos pela sua característica tempo/corrente. Temos assim: 

• os relés de tempo independente (cujo tempo de resposta é independente do valor da corrente) (série ITG 7100);   
• os relés de tempo dependente (cujo tempo de resposta depende do valor da corrente). Esta classe de relés divide-se em três categorias segundo a norma CEI 255-4:

• os relés de tempo inverso (série ITG 7200),
• os relés de tempo muito inverso (série ITG 7300),
• os relés de tempo extremamente inverso (série ITG 7400). 

• os relés multicurvas controlados por microprocessador (série RMS 7000), os quais permitem a utilização de qualquer das características de tempo independente ou dependente e a sua escolha no local.

Não há nenhum critério que permita fazer uma escolha sistemática entre os diferentes tipos de relés. No entanto, é preferível utilizar os relés de tempo dependente quando:

• a exploração permita a possibilidade de sobrecargas de valor elevado e de curta duração,
• as correntes de magnetização ou de ligação (por exemplo baterias de condensadores) possam tomar valores muito elevados durante alguns décimos de segundo,
• a actuação dos relés tenha que ser coordenada com a de um grande número de fusíveis.

Por outro lado, é preferível a utilização de relés de tempo independente quando as correntes de curto-circuito são extremamente elevadas, ou quando estas possam ter uma grande variação num mesmo ponto da rede (por exemplo quando a rede é constituída por pequenos geradores cujas correntes de curto-circuito podem rapidamente decrescer).

Pode-se no entanto constatar, independentemente dos critérios técnicos, que há uma tendência para a utilização de relés de tempo independente na Europa Continental, e para a utilização de relés de tempo dependente nos países anglo-saxónicos. 

Os relés de máximo de intensidade temporizados permitem a realização de uma selectividade cronológica. Este procedimento tem no entanto um inconveniente, que é o de fazer com que o tempo de eliminação do defeito seja tanto mais longo quanto mais perto da fonte este se der, onde os curto-circuitos são mais violentos. Há portanto todo o interesse em reduzir ao mínimo o intervalo de selectividade cronométrica, isto é, a diferença de temporização entre dois relés instalados em cascata numa rede radial. 

O intervalo de selectividade geralmente adoptado para as protecções electrónicas é de 300 ms , valor obtido pela soma dos seguintes tempos:

• tempo de eliminação do defeito pelo disjuntor,
• soma dos erros de temporização dos dois relés,
• "overshoot" do relé instalado a montante (memória após o desaparecimento do defeito),
• intervalo de segurança de cerca de 100 ms ( prevendo por exemplo a utilização de relés auxiliares no circuito de disparo dos disjuntores). 

Este intervalo pode, em caso de necessidade, ser reduzido a 250 ms para temporizações de valor igual ou inferior a 1 segundo, através do emprego de temporizações de alta estabilidade (como é o caso dos ITG 7100 ou relés da série RMS 7000).  

Por outro lado, quando se trate da protecção de uma saída para um transformador, é aconselhável a utilização de um relé com um nível alto de actuação instantânea, regulado acima da corrente máxima de curto-circuito secundário, o que permite reduzir os tempos de actuação dos relés instalados a montante, limitando deste modo os esforços electrodinâmicos a que são sujeitos os cabos.

I.2 - Protecção selectiva acelerada

No caso em que o número de escalões de selectividade num mesmo nível de tensão conduz a tempos de eliminação de defeito demasiado longos, seja em relação aos esforços admitidos pelos materiais da própria rede, ou por incompatibilidade com a temporização imposta à entrada da instalação pelo distribuidor de energia, pode-se recorrer a processos de aceleração. 

Esta solução consiste em reduzir a temporização de um relé a um valor mínimo predeterminado quando o defeito afecte o troço imediatamente a jusante. Para o efeito o relé precisa de dispor da informação relativa ao estado do relé a jusante, a qual é fornecida através de uma ligação por fios piloto. O tempo de eliminação do defeito é assim independente da sua localização, sendo a temporização mínima dos relés apenas imposta pela duração da transmissão da informação (ou seja o tempo de resposta da unidade instantânea do relé a jusante).

Os relés e com dois níveis de disparo de "fases" e um nível homopolar funcionam segundo este princípio: o nível alto "fases" e o homopolar estão associados à lógica de aceleração, sendo o nível baixo utilizado na protecção contra sobrecargas, independente da lógica de aceleração. Com o fim de garantir a fiabilidade do sistema, foram previstas temporizações selectivas de socorro, estando assegurado o disparo da protecção em caso de defeito, quaisquer que sejam as anomalias que possam afectar a ligação piloto.

I.3 - Protecção diferencial

Este tipo de protecção funciona por comparação das correntes na mesma fase nas extremidades do elemento protegido (transformador: relé DMS 7002, motor/gerador: relé DMS 7001 ou barramento: relé ) e possui uma dupla vantagem:

• pode ser instantânea pois é apenas sensível aos defeitos internos à zona vigiada,
• funciona independentemente do sentido de escoamento da energia, o que é importante no caso de haverem múltiplas fontes.

Por outro lado, a protecção diferencial permite suprimir um escalão de selectividade e de assim reduzir o tempo de eliminação de um defeito que ocorra a montante da rede.

I.4 - Protecção direccional

Quando uma instalação é alimentada por dois cabos ou dois transformadores em paralelo, as protecções situadas nas saídas a montante destas ligações actuam simultaneamente quando ocorre um defeito numa delas, perdendo-se assim a alimentação de energia à instalação, pois tanto a ligação em defeito como a que restou sã são colocadas fora de serviço. 

Para obter uma protecção selectiva, ter-se-á que recorrer à utilização de protecções diferenciais ou direccionais. Neste último caso poderão ser utilizados em cada uma das chegadas os relés de máximo de intensidade direccionais do tipo (microprocessador, multicurvas) para os defeitos entre fases. O elemento direccional destes relés vigia a desfasagem entre a corrente e a tensão, autorizando o funcionamento da unidade de máximo de intensidade se esta desfasagem for indicadora de uma inversão do sentido da corrente (alimentação do defeito através da ligação sã). 

Os relés da série RMSD 7000, com a análise por Transformada Rápida de Fourier, controlam a desfasagem entre a fundamental de correntes e tensões, garantindo assim a estabilidade e selectividade, mesmo em redes muito poluídas por harmónicas.

Regulando o nível de disparo e a temporização dos relés direccionais selectivamente com os relés instalados a montante, assegurar-se-á a colocação fora de serviço de apenas a ligação em defeito. O tempo de eliminação do defeito poderá ser diminuído se se der simultaneamente a ordem de disparo aos disjuntores a montante e a jusante.

Nota: No exemplo aqui focado, deverão ser utilizados apenas relés de máximo de intensidade direccionais e não os relés de retorno de potência. Estes últimos destinam-se apenas à vigilância do trânsito de potências activas ou reactivas, por exemplo no caso de se pretender fazer a protecção de um alternador contra o funcionamento como motor.

II - PROTECÇÕES CONTRA OS DEFEITOS À TERRA

Uma rede industrial pode ser explorada segundo três regimes de neutro distintos, sendo necessário em relação à protecção contra defeitos à terra, examinar separadamente as três possibilidades:

• neutro isolado,
• neutro impedante,
• neutro directo (ou de fraca impedância).

II.1 - Rede de neutro isolado

Nas redes de neutro isolado, as correntes de defeito à terra são limitadas ao valor das correntes capacitivas homopolares do conjunto da instalação. 

Um dispositivo de vigilância de isolamento deverá ser previsto, de modo a permitir detectar o aparecimento de um defeito e de o eliminar o mais rapidamente possível, de maneira a evitar o risco de aparecimento de um segundo defeito antes da eliminação do primeiro.

Esta detecção é realizada por um relé de máximo de tensão homopolar do tipo alimentado por três transformadores de tensão, ou por um se o ponto neutro for acessível ou no caso de uma ligação de três transformadores de tensão em triângulo aberto. 

É possível, em certos casos, obter uma eliminação automática e selectiva de um defeito através da utilização de relés sensíveis de máximo de intensidade residual do tipo alimentados por um transformador toroidal englobando as três fases dos cabos.  

A regulação deste relé deve ser fixada a cerca de 1,5 vezes a corrente capacitiva própria da saída protegida. Com efeito, ao dar-se um defeito à terra numa das saídas, todas as outras vão ser percorridas pela suas correntes capacitivas próprias que vão alimentar o defeito, correndo-se o risco de se ter disparos intempestivos das respectivas protecções caso estas estejam reguladas para um valor demasiado baixo. 

Por outro lado, afim de se obter uma sensibilidade suficiente para permitir um disparo em caso de defeito resistivo, é necessário que a corrente capacitiva total da rede seja cerca de 5 vezes superior à corrente capacitiva própria da saída mais longa, ou seja, cerca de 3 vezes superior à regulação mais alta dos relés homopolares da instalação.  

Se esta condição não puder ser respeitada devido à presença de uma saída demasiado longa, torna-se necessária a utilização de um relé de máximo de intensidade homopolar direccional do tipo , cuja regulação em corrente poderá ser, neste caso, inferior ao valor da corrente capacitiva própria sem provocar disparos intempestivos.  

De notar, no entanto, que este tipo de protecção só é eficiente se o número de saídas em serviço (e portanto a capacidade fase-terra) varie pouco ao longo do tempo. Uma protecção selectiva é mesmo muito difícil de obter quando existam anéis na instalação. 

Neste tipo de rede recorre-se por vezes a outras soluções, como a ligação temporária do neutro à terra através de uma impedância (cerca de 2 seg.) comandada por um relé de tensão homopolar ( ou ), a qual permite que os relés de máximo de intensidade homopolar detectem efectivamente os defeitos à terra e assegurem a sua eliminação selectiva.

II.2 - Rede de neutro impedante

Nestas redes, a corrente de defeito à terra é limitada a um valor determinado que pode ir de uma dezena a cerca de um milhar de Amperes.

As várias saídas deverão ser equipadas com protecções de máximo de intensidade homopolar alimentada através de um toro, ou por ligação residual dos três T.I. de linha (ITG 7116). Neste último caso, o nível de disparo dos relés não deverá ser regulado abaixo de 6% da corrente nominal dos T.I.. Com efeito, em caso de um curto-circuito entre fases, os transformadores de medida são susceptíveis de entrar em saturação de um modo diferente, facto que poderá provocar uma actuação intempestiva de uma protecção cujo nível esteja regulado a um valor demasiado baixo. 

Se se tratar de uma protecção alimentada por toro, o nível de disparo poderá ser regulado a um valor mais baixo, tendo-se apenas que ter em atenção que este deverá ser superior a 1,5 vezes a corrente homopolar da saída vigiada (ordem de grandeza de 1 a 3 A/Km em cabos de média tensão).

No caso de existirem vários pontos neutros ligados simultaneamente à terra no mesmo nível de tensão, é necessário utilizar relés de corrente homopolar direccionais do tipo , de modo a obter uma eliminação selectiva das zonas em defeito.

No caso de uma rede com um ou mais alternadores ligados em paralelo sobre o barramento principal, a ligação à terra pode ser realizada, quer sobre o ponto neutro de um dos alternadores, quer sobre o próprio barramento, através de uma bobine zig-zag ou de um transformador estrela-triângulo (com o neutro do primário ligado à terra e o triângulo do secundário fechado sobre uma resistência). A primeira solução não é muito aconselhável, pois o relé homopolar instalado no ponto neutro do alternador deverá ter características por vezes incompatíveis:

• nível de disparo baixo e tempo de actuação curto, de modo a proteger eficazmente o alternador,
• nível e temporização que assegurem a selectividade com as outras protecções homopolares da rede

A segunda solução é, pelo contrário, favorável para a obtenção de uma protecção sensível e rápida dos alternadores, pois estes são considerados como saídas no que diz respeito às correntes homopolares.

II.3 - Rede de neutro directo (ou de fraca impedância)

A ligação à terra é realizada normalmente sobre o neutro de um transformador de chegado com ligação triângulo-estrela. Quando este neutro não é acessível, recorre-se à utilização de um "gerador homopolar" constituído por uma bobine zig-zag ou por um transformador estrela-triângulo ligados ao barramento principal. A corrente de defeito à terra é, nesta situação, apenas limitada pela reactância homopolar do transformador ou da bobine, e o seu valor máximo será da ordem de grandeza da corrente de curto-circuito trifásico.

É assim possível utilizar, com uma boa sensibilidade, protecções homopolares alimentadas por ligação residual dos três T.I. de linha - ITG 7116.  

• Ou as versões de tempo dependente, ou a unidade homopolar dos relés trifásicos + terra , , , ou relés digitais ou .

III - OUTRAS PROTECÇÕES

O emprego de relés de potência da série WTG 7100 já mencionados no parágrafo permite isolar uma instalação industrial possuindo unidades próprias de produção, em caso de um corte na alimentação do distribuidor de energia e quando a mesma linha alimente outras instalações, permitindo evitar o consequente fornecimento de energia à rede de distribuição.

Os relés de frequência são também utilizados para fins de isolamento da rede exterior, ou para deslastre de cargas não prioritárias. Em qualquer dos casos poderá ser utilizado o relé com duas unidades de máximo e/ou mínimo de frequência.

IV - MEDIDAS, CONTAGEM E SUPERVISÃO NUMA REDE ELÉCTRICA INDUSTRIAL

Numa rede eléctrica, as principais chegadas e saídas podem ser equipadas de centrais de medida . Este dispositivo coloca à disposição do utilizador um grande número de grandezas eléctricas (cerca de 90). Os incluem ainda um contador de energia, assim como dois conversores analógicos (4-20 mA) programáveis (em I, U, P, Q, S, F, cos ? ). Um relé interno parametrizável em máximo de intensidade ou de potência activa, permite ao enviar um sinal de alarme ou de deslastre. 

Os , tal como o restante equipamento pertencente ao sistema de protecções comunicantes PROCOM ( IMM, RMS, RMSD, RMST, AMS,) podem ser ligados a um sistema de supervisão local gerido por PC ( sistema PS1000 ), ou ser integrados num sistema de controle/comando eléctrico de todo um complexo industrial ( sistemas PS2000 ou PS4000 ).