O desenvolvimento dos sistemas Elétricos de Potência e a sua importância para o desenvolvimento sócio econômico – Parte 4

Por Jorge Paulino

Engenheiro Eletricista e de Produção

 Sala de Despacho de Carga

Podemos considerar que o Disjuntor é um dos principais equipamentos na execução de manobras em um sistema elétrico e também na proteção dos sistemas, principalmente quando atua por comando de algum relé de proteção remoto ou, no caso de alguns disjuntores, de disparadores termomagnéticos ou relés primários dotados de disparadores acoplados aos disjuntores.

O Disjuntor destina-se a interromper ou estabelecer circuitos em situações normais, isto é, em condições de manobra, e em situações anormais ou emergênciais. Onde houve atuação da proteção, suas características construtivas, o permitem estabelecer ou interromper circuitos em vazio ou em carga, e às vezes, em condições de curto-circuito desde que respeitados os limites de interrupção nele especificados. É o elemento destinado a isolar do restante do sistema uma região atingida por uma falta detectada pela proteção, o disjuntor possui todos esses atributos graças a dispositivos internos de extinção de arcos elétricos que sempre ocorrem quando se faz a interrupção de circuitos em carga, onde circula a corrente elétrica.

As principais características para especificação de disjuntores são a corrente nominal, capacidade nominal de interrupção das correntes de curto-circuito, tempo para interrupção da falta, o meio de extinção do arco elétrico, o meio isolante, o tipo de mecanismo de operação a ser utilizado.

Disjuntores de alta tensão

Os Disjuntores atualmente contam com as seguintes opções de meios de interrupção do arco elétrico, Sopro magnético; a Óleo (pequeno e grande volume), a Ar Comprimido, a Vácuo, a SF6 – a gás hexafluoreto de enxofre - (dupla pressão, única pressão ou puffer type e auto-extinção) e a Semicondutores.

O tempo de uso de disjuntores num sistema elétrico submete estes equipamentos a estresses variáveis, que ao longo do tempo podem provocar redução na sua capacidade de interrupção, resultando em incertezas quanto a sua real capacidade nominal de interrupção.

Existe sempre a necessidade de uma avaliação criteriosa e por vezes bastante rigorosa dessa redução de capacidade, visando principalmente ao aumento na confiabilidade do sistema elétrico, bem como também numa redução de custos que possam vir a ocorrer pelo correto tratamento que se contraponha à operação inadequada desses equipamentos.

Os Disjuntores de aterramento servem para aterrar e curto-circuitar, com uma corrente quase nula, partes da instalação e equipamentos desligados; geralmente combinam-se com seccionadores, formando uma unidade que devem estar em condições de conduzir não somente a intensidade nominal de corrente mas também as correntes de curto circuito que possam se estabelecer no ponto de montagem.

Disjuntores de 765 KV - Itaipu

Entre os seccionadores e disjuntores de aterramento, dispõe-se frequentemente de um intertravamento alternativo, que, não obstante, não exime da obrigação de comprovar se a tensão é nula antes de se efetuar o aterramento. 

As Chaves Seccionadoras  são equipamentos exclusivamente de manobra das subestação; não podem ser operadas em carga, principalmente por não possuírem dispositivos de extinção de arcos elétricos que sempre ocorrem em manobras em carga. Dessa forma, as chaves seccionadoras só são operadas por comando do homem, isto é, não são comandadas por relés de proteção, como pode ocorrer com os disjuntores. 

Em resumo, as chaves seccionadoras são vedadas de interromperem ou estabelecerem circuitos em carga, e, por isso, possuem em sua série de comando elétrico diversos intertravamentos que as impedem de serem operadas sem que sejam atendidas às condições exigidas por esses intertravamentos. Existem também os intertravamentos e bloqueios mecânicos que atuam como proteção adicional em caso de operação sem o uso do acionador elétrico.

Em um ambiente eletromagnético em uma subestação pode ser considerado hostil aos inúmeros dispositivos de controle e supervisão digitais empregados na automação do sistema elétrico.Aliado a isto temos as descargas atmosféricas e operações normais do sistema elétrico, tais como chaveamentos (abertura e fechamento de chaves seccionadoras, disjuntores) entre outras são geradoras de ondas eletromagnéticas de elevado conteúdo espectral, podendo causar interferência e a operação indevida de dispositivos eletrônicos sensíveis, presentes na planta, comprometendo a operação do sistema e causando enormes prejuízos.

Um aterramento corretamente projetado com Chaves de Aterramento, em que são levados em consideração as interferências de alta frequência presentes no sistema elétrico podem minimizar os efeitos das interferências eletromagnéticas, e com isto, estaremos reduzindo os riscos aos equipamentos eletrônicos sensíveis presentes na subestação.  

Os Relés, também constituem uma das mais poderosas ferramenta do Engenheiro na Proteção das Linhas de Energização; segundo a ABNT, o relé é um dispositivo por meio do qual um equipamento elétrico é operado quando se produzem variações nas condições deste equipamento ou do circuito em que ele está ligado, ou em outro equipamento ou circuito associado.

Em outras palavras, o relé é um dispositivo cuja função é detetar  nas linhas ou aparelhos faltosos, perigosas ou indesejáveis condições do sistema, e iniciar convenientes manobras de chaveamento ou dar aviso adequado. As principais qualidades requeridas a um relé são, confiabilidade, sensibilidade, rapidez na ação (razões de estabilidade do sistema), manutenção da regulagem (independente das variações da temperatura exterior, frequência, vibrações, campos externos) e etc. 

Um curto-circuito traduz-se por, altas correntes e quedas de tensão - no entanto, ambas não são exclusivas do defeito, variação da impedância aparente - correspondente à relação tensão/ corrente no local do relé e que é brusca e maior na ocasião do defeito do que nas simples variações de carga, aparecimento das componentes inversa (seqüência negativa) e homopolar  (seqüência zero) de tensão e/ou de corrente, no caso de defeito desequilibrado e de valor máximo no lugar do defeito e acentuadas diferenças de fase e/ou amplitude entre a corrente de entrada (Ie) e de saída (Is) de um elemento da rede.

Existe uma grande variedade de relés, atendendo às diversas aplicações, podemos classificar os relés, basicamente quanto às grandezas físicas de atuação, em  elétricas, mecânicas, térmicas, óticas; e quanto à natureza da grandeza a que respondem, em corrente, tensão, potência, frequência, pressão, temperatura.

Quanto à função, sobre e subcorrente, tensão ou potência, direcional de corrente ou potência, diferencial, distância, quanto ao tipo construtivo, em eletromecânicos (indução), mecânicos (centrífugo), eletrônicos (fotoelétrico), estáticos (efeito Hall), quanto ao tipo de fonte para atuação do elemento de controle: corrente alternada ou contínua, quanto ao grau de importância: principal (51 ASA) ou intermediário (86 ASA), quanto ao posicionamento dos contatos; normalmente aberto ou fechado, quanto à aplicação: máquinas rotativas (gerador) ou estáticas (transformadores, linhas aéreas ou subterrâneas, aparelhos em geral e quanto à temporização: instantâneo (sem retardo proposital) e temporizado mecânica, elétrica ou eletrônico).

Os principais tipos de relés são:

Relé de indução

É baseado sobre a ação exercida por campos magnéticos alternados (circuito indutor fixo), sobre as correntes induzidas por esses campos em condutor móvel constituído por um disco ou copo metálico.

A maioria dos relés tem uma faixa de ajuste que os torna adaptáveis a um larga faixa de circunstâncias possíveis; há normalmente dois ajustes, os de corrente; feito através do posicionamento do entreferro, ou pelo tensionamento da mola de restrição e os de tempo, através da regulagem do percurso do contato mola, e do ajuste do dispositivo de tempo, por meio de dispositivos de temporização diversos. Os ajustes obedecem, as características do fabricante que é mostrada nas chamadas curvas tempo-corrente, fornecidas no catálogo do mesmo. No eixo vertical temos os tempos, em segundos; no eixo horizontal aparecem as correntes de acionamento, em múltiplos de 1 a 20 vezes o tape escolhido passando a ser o valor de atuação do relé,  por  segurança (problemas de atrito), costuma-se fazer com que a grandeza do defeito represente pelo menos uma vez e meia o valor de atuação fator de sensibilidade.

Com duas armaduras; uma delas recebe a bobina com os tapes de tempo inverso e a outra corresponde à atuação instantânea do relé.

Relé de Indução tipo disco

Nesse modelo o disco gira continuamente, para a corrente nominal; se há corrente de falta, a peça metálica (armadura de embreagem) é atraída pela armadura da bobina de excitação e, com isso, engrena o quadro de embreagem, contendo um parafuso sem-fim, com o setor dentado portador de uma haste que, ao subir, bate na palheta disparo, com o que se fecham os contatos do relé, um ressalto de regulagem do elemento instantâneo atua diretamente sobre uma peça em balanço, fechando os contatos do relé, sem temporização.

Relé de tensão

São aqueles que reagem em função da tensão do circuito elétrico que guardam; sua equação de conjugado da forma:

Tem um funcionamento muito semelhante aos relés de corrente  exceto pelo fato de que são, mais usualmente não-temporizados, seja diretamente ou através de um transformador de potencial da rede;

a) relé de máxima, efetuando abertura de um disjuntor quando a tensão no circuito (V) for maior que um valor de regulagem (vr);

b) relé de mínima, no caso contrário, por exemplo, quando V < 0,65 (v r)

c) relé de partida ou de aceleração, usado para curto-circuitar degraus de resistência em dispositivos de partida, para aceleração de motores.

A estrutura fisica compreende um circuito magnético fixo, em duas peças, a bobina, a armadura móvel pivotando em tomo do eixo de modo a bascular a ampola de mercúrio, com isso estabelecendo o contato entre os terminais; a mola de restrição recoloca a armadura na posição de repouso após a passagem da perturbação (uma sobretensão) e serve ainda como regulagem do relé.

Esquemático de relé de tensão


Relé de correntes

É um tipo de relé muito usual, usado para sobrecorrente, como de unidade direcional, e ainda  para proteção de enrolamento de fase dividida de geradores, proteção de linhas paralelas saindo um barramento diretamente ou através de um transformador de corrente da rede.

Esquemático de relé de tensão tipo balanço de correntes

Conforme o esquemático, o valor do conjugado desse relé, é dado pela supostas correntes I1 e I2  em fase:

Relés direcionais e/ou de potência

Foi visto anteriormente que um relé direcional é capaz de distinguir entre o fluxo de corrente em uma direção ou em outra, em circuito de corrente alternada,  isso é feito pelo reconhecimento do ângulo de fase entre a corrente e a grandeza de polarização (ou de referência).

Existem basicamente dois tipos de relés direcionais, os que respondem ao fluxo de potência normal e os que respondem a condições de falta (curto-circuito).

I- Relés direcionais de potência

São conectados para serem polarizados por uma tensão de um circuito, as conexões de corrente, e as características do relé são escolhidas tal que o conjugado máximo do relé ocorra quando uma carga com fator de potência unitário percorre o circuito.

Assim, se um circuito monofásico é envolvido, usa-se um relé direcional que terá conjugado máximo quando a corrente está em fase com a tensão; o mesmo relé pode ser usado em um circuito trifásico, caso a carga seja suficientemente bem equilibrada; outra forma de conexão usual, conforme a Figura abaixo mostra  o conjugado  obtido quando a corrente no relé está adiantada de 30º em relação a tensão.

Alimentação de relé direcional de potência

No caso da carga do circuito trifásico ser desequilibrada, ou ainda, quando uma corrente de atuação muito baixa seja requerida, usa-se um relé polifásico que consta de três unidades monofásicas cujos conjugados são adicionados para controlar um único jogo de contatos e as grandezas de atuação de um relé podem ser quaisquer de várias combinações, mas freqüentemente são usadas as seguintes Grandezas de atuação de um relé, conforme a Tabela.

Tabela de grandezas de atuação de um relé

Os relés de potência são disponíveis com ajuste da mínima corrente de atuação, assim, eles podem ser calibrados seja em função da mínima corrente de atuação, em amperes, sob tensão nominal, ou em termos da mínima potência de atuação, em watts; assim sendo, tais relés podem ser ajustados para responder a qualquer desejada quantidade de energia suprida em uma dada direção, de fato,.esses relés são wattímetros com seu mecanismo substituído por contatos e tendo uma mola de controle.

Os relés direcionais de potência têm características temporizadas para impedir operação indesejável durante as momentâneas reversões de energia, como quando dos surtos de potência sincronizante dos geradores ou das reversões de energia quando ocorrem curto-circuitos.

II.  Relés direcionais para proteção contra curto-circuito

Nos curto-circuitos envolvem correntes bastante atrasadas em relação à posição de fator de potência unitário, é desejável que os relés direcionais para proteção contra curto-circuito sejam arranjados para desenvolver conjugado máximo sob tais condições de corrente atrasada, na Figura, um relé está ligado a uma rede, e mostra uma caixa de acessórios que permite ajustes convenientes na obtenção de diferentes ângulos de conjugado máximo.

Esquemático de relé direcional

Em caso de curto-circuito a instalação passa de uma condição de fator de potência 0,0 a 0,30 (ângulos passando de 25° a 75°, por exemplo). Assim, pode haver um grande número de conexões possíveis, mas na prática, apenas algumas são usuais. Mais exatamente, elas são conhecidas como conexões 0° quadratura 30° (adjacente) e 60°, conforme é mostrado na Figura abaixo, esses nomes descrevem a relação entre a corrente na bobina de corrente e a tensão de referência, sob condição de fator de potência unitário da carga.

Relés direcionais para proteção contra curto-circuito são usados geralmente para suplementar outros relés (sobre corrente, distância) em caso de curto-circuito, e se o valor alcançado pela sobrecorrente deve provocar ou não a abertura do circuito. Sendo assim, esses relés direcionais não são temporizados, nem ajustáveis, mas operam sob baixos valores de corrente; tem boa sensibilidade.

A alimentação de relé direcional de curto-circuito

Na operação do dia a dia, os sistemas são expostos a condições muitas às vezes adversas e imprevisíveis que podem levar a situações de anormalidades, falhas ou a uma operação instável, produzindo transtornos diversos aos usuários. 

Qualidade, Confiabilidade e a Continuidade ditam um ponto de eficiência, onde se consiga economizar nos investimentos; cada vez mais têm-se buscado operar e expandir o sistema utilizando critérios de custos.

Em um projeto torna-se fundamental a análise de todas as expectativas (as atuais e as futuras), a elaboração de programas ótimos de geração, a constituição dos esquemas de interconexão, análise e simulação das proteções e a previsão de crescimento do consumo.

Atualmente os sistemas elétricos de potência tornaram-se mais complexos o que exige técnicas e estudos cada vez mais precisos para construir, manter e operar estes sistemas/equipamentos.

Foto de uma Sala de Operações

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Fontes: 

CAMINHA, Amadeu Casal. Introdução a Proteção dos Sistemas Elétricos. São Paulo: Edgard Blucher,2006.
CLARK, H. Proteção de Sistemas Elétricos de Potência. Universidade Federal de Santa Maria/Centrais Elétricas Brasileiras-Eletrobras , 1979
MAMEDE, F João. Manual de Equipamentos Elétricos. 3 ed. Rio de Janeiro: LTC, 2006
PAULINO, Jorge Fernando. Trabalho de Conclusâo de Curso - Graduação em Engenharia Elétrica -Proteção de sistemas elétricos em usinas termelétricas de geração à gás, 2007.