PONTIFÍCIA UNIVERSIDADE CATÓLICA DO RIO GRANDE DO SUL
FACULDADE DE ENGENHARIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
APLICAÇÕES DE TELECOMUNICAÇÕES
TELEPROTEÇÃO DE REDES ELÉTRICAS
As redes de telecomunicações
passaram por mudanças
significativas nos últimos anos,
parcialmente devido a
aplicabilidade / complexidade
nos sistemas de potência.
Em função da complexidade dos Sistemas de Energia
a serem monitorados, ocorre a necessidade de exercer um
controle sobre informações críticas, como sinais de
proteção dos sistemas elétricos e identificação da origem
de falhas.
A solução para estas
questões é utilizar
equipamentos que não
necessitem de manutenção,
sejam fáceis de operar e
ofereçam alto nível de
flexibilidade para a instalação
na subestação.
CONCEITO:
Teleproteção é um método de proteção
de linha, através de relés de proteção e
meios de comunicação, no qual um
defeito interno é detectado e
determinado comparando-se as
condições do Sistema nos terminais do
circuito protegido, utilizando canal ou
canais de comunicação
Três fatores devem ser levados em conta para o
correto dimensionamento de um sistema de teleproteção:
1. Seletividade e Rapidez na Proteção;
2. Confiabilidade;
3. Religamento Automático.
1. Seletividade e Rapidez:
Muito se fala a respeito da palavra SELETIVIDADE.
Porém tudo pode ser resumido na seguinte regra:
“Quando de uma falha ou defeito de um componente do
Sistema Elétrico de Potência, o mesmo deve ser desligado
o mais rapidamente possível, e somente este
componente”.
O grande problema na Proteção de Sistemas
Elétricos é a determinação, pelos relés, do local do
defeito ou curto-circuito, para desligar somente o
componente defeituoso. Esta seletividade é alcançada
normalmente em detrimento do tempo de atuação da
proteção.
Alguns esquemas de proteção sãoinerentemente
seletivos, isto é, a própria concepção da proteção
permite, estabelecer a localização do defeito. É o caso,
por exemplo, das proteções diferenciais.
Para o caso de uma linha de transmissão, a
localização de defeitos pelos relés de proteção torna-se
problemática devido a:
•Comprimento das linhas;
•Curtos-circuitos com elevada resistência de arco ou
de contato;
•Imprecisões nas medias efetuadas, introduzidas por
TP’s, TC’s e transitórios;
•Imprecisões nos cálculos teóricos de curto-circuito e
conseqüentes ajustes nos relés.
A teleproteção é um método de proteção
de linha, através de relés de proteção e meios de
comunicação, no qual um defeito interno é detectado e
determinado comparando-se as condições do Sistema
nos terminais do circuito protegido, utilizando-se canal
ou canais de comunicação.
Podemos citar algumas variações da definição
anterior, quando de soluções específicas, como:
*Proteção de reatores “shunt” em linhas;
*Desligamentos automáticos para evitar condições
operacionais anormais;
*Proteção dos transformadores conectados em linhas,
sem disjuntores;
*Proteção de retaguarda na falta de disjuntores;
2. Confiabilidade:
O simples fato de utilizar algum esquema de
teleproteção em uma linha, não implica em maior
confiabilidade na proteção. A confiabilidade está
estreitamente relacionada ao tipo do esquema
escolhido para cada linha, de acordo com as
caracaterísticas particulares destas.
A escolha adequada do esquema de teleproteção
depende de alguns fatores:
* Comprimento da linha;
* Tipo de proteção empregada;
* Características do sistema de Potência;
* Tempo de desligamento exigido para a linha;
* Tipo do canal de telecomunicação;
* Filosofia da Concessionária local de energia
Na verdade, a confiabilidade é a habilidade do
Sistema de Proteção para atuar corretamente quando
necessário, e para evitar atuações desnescessárias.
A total confiabilidade nunca é conseguida. Os
necessários compromissos devem ser avaliados com
base em riscos comparados.
3. Religamento Automático
Para se efetivar um religamento automático
quando da abertura de um terminal de linha, várias
condições devem ser observadas:

A atuação da Proteção deve ter ocorrido em
condições de defeito na linha protegida, isto é, o
religamento automático nào deve ser permitido para
atuações de retaguarda;

Natureza do defeito. Às vezes exige-se que o
religamento ocorra apenas para defeitos fase-terra,
evitando religamentos para defeitos fase-fase. A
probabilidade de que defeitos fase-terra sejam
fugitivos (e não permanentes) é maior.

O disjuntor deve ser adequado para religamento
automático, sem atingir limite de potência de
interrupção.

Tentativas de Religamento. Geralmente utiliza-se
apenas uma tentativa de religamento para linhas de
alta tensão, bloqueando o mesmo após a segunda
abertura do disjuntor.

Tempo de extinção do arco. O tempo necessário
para extinção após abertura da linha depende do
comprimento, tensão e demais características. Este
tempo conta-se da abertura do último disjuntor até o
fechamento automático do primeiro.

Tempo morto. O intervalo em que a linha fica sem
transportar energia. Este influi diretamente na
estabilidade do Sistema de Potência.
Para que as condições anteriores sejam
cumpridas, há a necessidade de utilização de
esquemas de TELEPROTEÇÃO SEGUROS.
Estes permitem rápido desligamento em todas
as extremidades da linha, qualquer que seja a
localização do defeito, dando condições
básicas para a efetivação do religamento.
A Teleproteção
deve executar a
supervisão/comando
do sistema, por
intermédio de um
meio de
comunicação .
A Comunicação
entre os
equipamentos de
teleproteção é
bidirecional e do tipo
ponto a ponto.
Para atender essa função, é necessária a
monitoração dos relés, dimensionando-se essas
informações para as unidades de aquisição de dados, com
o objetivo do levantamento da "seqüência de eventos" e
análise das ocorrências, bem como o conhecimento da
atuação das proteções, uma vez que é necessário a
identificação dos detalhes da contingência.
Podemos definir melhor a teleproteção como a
transferência de comandos de um extremo ao outro
da Linha, caracterizando-se pela transmissão de um
comando na ocorrência de uma dada lógica de
proteção. Esse sinal, decodificado no outro extremo,
poderá dar partida a atuação da proteção no terminal
remoto.
Um dos objetivos dos circuitos de proteção é a
rapidez na eliminação de defeitos dentro do circuito.
Assim, o mesmo poderá ser rapidamente isolado, de forma
que as instalações não fiquem expostas a correntes de
falhas por um tempo superior a sua capacidade.
O circuito de proteção associado ao sistema à
proteger deve ser rápido e seletivo.
No esquema da figura, para sermos seletivos, a
proteção de “A” seria ajustada para alcançar em torno
de 90% da linha, neste caso, para defeito em 1, o
mesmo somente será eliminado após um tempo
razoavelmente longo, perdendo-se portanto em
rapidez.
A teleproteção é a solução inteligente que visa aliar a
rapidez de atuação de uma proteção à seletividade
requerida.
Em um sistema teleprotegido dispomos de uma
unidade remota que terá função de colher as informações
dos relés, enviá-las para o centro de controle e decidir as
ações nas zonas de interesse.
Utiliza-se de inúmeros meios de comunicação para
esquemas de Teleproteção.
Os equipamentos de teleproteção de mercado
podem ser interligados a diversos meios de
comunicação analógica ou digital.
Podem ser utilizados canais de voz (analógicos),
ou canais de dados com diferentes taxas de
transmissão.
Meios de Comunicação:
1. Fio Piloto (Conexão por cabos de cobre);
2. Carrier (OPLAT);
3. Radio Micro-Ondas;
4. Radio UHF;
5. Fibra óptica em cabo OPGW;
6. Fibra óptica em cabo dielétrico;
7. Rede de comunicação pública ou privada,
geralmente digital.
A rapidez de atuação, aliada à seletividade é
conseguida porque o terminal remoto, possuindo sensores
adequados para "sentirem" a direção do fluxo de corrente
de defeito, fornece quase que instantaneamente esta
informação ao outro terminal.
1.
FIO PILOTO
É realizada através da conexão física composta de
par de cabos trançados e blindados, entre as duas
extremidades da linha de trasnsmissão a ser protegida.
Através desta comunicação, um de vários tipos de
esquemas pode ser escolhido, utilizando sinais DC, sinais
AC (60 Hz) dos TC’s de linha, ou sinais de rádio
freqüencia.
Basicamente é uma proteção diferencial aplicada à
linha, portanto inerentemente seletiva. Utilizada para
proteção de linhas curtas ou curtíssimas, até no máximo
10 ou 12 km, e é limitada pela atenuação (elevada) do
sinal de comunicação.
Este esquema apresenta, também, índice
relativamente alto de manutenção, média confiabilidade
(interferências eletromagnéticas) e é fortemente sujeito a
fatores extenos como vandalismo e meio ambiente.
Desde que parte das desvantagens antes citadas
seja contornada, trata-se de uma proteção ainda em uso
para distâncias curtíssimas no mundo todo, em ambientes
controlados.
2.
CARRIER
Também conhecido pela sigla OPLAT (Onda
Portadora Sobre Linhas de Alta Tensão).
Em nosso país, é ainda o meio de comunicação
mais utilizado para esquemas de teleproteção, em
vista do baixo custo. Há o aproveitamento dos próprios
cabos de energia da Linha de Transmissão como meio
físico de propagação do sinal, interligando subestações
e usinas.
Os transmissores e receptores são acoplados
à linha através dos equipamentos de sintonia e
capacitores de acoplamento.
As bobinas de bloqueio são sintonizadas na
freqüência do sinal de RF dos transceptores e
localizados nos terminais da linha, possuindo uma
baixa impedância para a freqüência industrial e alta
para a freqüência de rádio, com finalidade de
confinar os sinais de RF no interior da Linha de
Transmissão.
Este método apresenta grande vantagem de
ser econômico, para pequeno número de canais
e longas distâncias, possuindo reduzido custo de
manutenção e facilidade de acesso aos
equipamentos empregados.
Não é necessário uso de estações repetidoras
para a transmissão a longa distância, e pode-se
contar com a segurança da Linha como suporte
físico confiável.
Como principal desvantagens, teremos a baixa
capacidade de canalização. Além disso, a faixa do
espectro de frequências é limitada, e o sistema é
susceptível a ruídos do Sistema Elétrico de Potência
(gerado por curto-circuitos, manobras de disjuntores e
seccionadoras de alta tensão).
O sistema OPLAT geralmente opera sobre uma faixa
de freqüências entre 40 e 500 kHz. Abaixo de 40 kHz o
acoplamento na linha torna-se impraticável e acima dos 400
kHz as perdas são maiores e pode haver interferências com
serviços de rádio, devido à irradiação de sinais no espaço.
Modos de Operação Carrier

Modo On Off:
O sinal é transmitido somente quando de operação
da proteção (on), permanecendo normalmente sem sinal
(off). Opera-se uma única freqüência para transmitir
informações de um ponto para outro.
Modo limitado a alguns esquemas de proteção.

Modo de operação frequency-shift
Opera enviando duas freqüências não simultâneas pelo
canal. Normalmente transmite a freqüência de guarda. No
caso da atuação da proteção, suprime a freqüência de
guarda e passa a transmitir a freqüência de comando. A
freqüência de guarda geralemente é 100 Hz acima da
freqüência do canal, e a de comando 100 Hz abaixo da
freqüência nominal. Permite maior confiabilidade do sinal de
sinal, pois previne atuações incorretas quando de ruídos no
sistema.
Componentes do Sistema Carrier





Bobina de bloqueio;
Capacitor de acoplamento;
Grupo de acoplamento;
Cabo coaxial;
Transmissor / Receptor (Tx/Rx)
Bobina de Bloqueio
Componentes
A bobina de bloqueio é basicamente uma indutância
conectada em série com a linha de transmissão, possuindo
uma unidade de sintonia (RC) em paralelo. É um circuito
ressonante que se apresenta com alta impedância para a
freqüência operativa do Carrier, porém com impedância
desprezível à freqüência do sistema (50 ou 60 Hz).
As bobinas evitam que a energia do sinal Carrier
flua para as subestações, delimitando o trecho que deve
percorrer na linha. Evitam, também, que curto-circuitos
ou manobras fora do trecho, influenciem no sinal do
trecho.
Pelo fato de estar em série com a linha, devem
suportar continuamente a corrente de carga, além de
possuir limites térmicos e dinâmicos compatíveis com
as correntes de curto-circuito.
A indutância pode variar de 0,1 mH a 2,0 mH,
dependendo da faixa de freqüências a bloquear.
Capacitor de Acoplamento
Este componente isola, junto com o grupo de
acoplamento, o equipamento Tx/Rx da linha de alta
tensão.
O capacitor de acoplamento, é o caminho de injeção
do sinal Carrier à linha de transmissão.
Uma alternativa normalmente utilizada para capacitor
de acoplamento, é o Transformador de Potencial
Capacitivo – TPC.
Montagem de TPC em
conjunto com bobina
de bloqueio.
Grupo de Acoplamento - GA
O conjunto chamado de Grupo de Acoplamento
possui não apenas os dispositivos de sintonia, como
também bobina de drenagem, dispositivos de proteção e
transformador de acoplamento, e tem a finalidade de
efetuar o casamento de impedâncias, com baixas perdas,
entre a linha de transmissão e o cabo coaxial ligado ao
Transmissor/Receptor Carrier (Tx/Rx).
Cabo Coaxial
É um cabo concêntrico de baixas perdas,
utilizado para conectar o Grupo de Acoplamento ao
Tx/Rx. As perdas (atenuação) no cabo coaxial
aumentam com o comprimento do mesmo,
dependendo da freqüência do sinal (40 a 500 kHz)
Transmissor / Receptor
É o equipamento terminal de Onda Portadora
(Carrier). O transmissor deve ter potência suficiente
para assegurar um mínimo de relação sinal/ruído no
receptor correspondente, mesmo em condições
adversas no meio de transmissão.
O receptor deve ter alta seletividade para minimizar
efeitos de fontes externas de ruídos indesejáveis ou
sinais interferentes de outros enlaces que utilizam
freqüências adjacentes.
Os Rx/Tx para teleproteção devem ser de uso
exclusivo para proteção. São associados aos modens de
teleproteção, ou aos equipamentos de tons de áudio para
teleproteção. Transformam sinais DC (on/off) em sinal HF
na faixa de serviço, e vide e versa.
Existem também Rx/Tx para telefonia, que efetuam
a translação de canais de freqüência de áudio para a faixa
de freqüências de trasmissão e vice versa.
3. RÁDIO MICRO-ONDAS (E UHF)
Tanto no Micro-ondas como no UHF, utiliza-se
espaço aéreo como meio de comunicação. O alcance é
limitado pelos enlaces (da ordem de 50 km por enlace.
Exigem espaço livre de obstáculos.
Estas apresentam a vantagem de serem
independentes do Sistema Elétrico de Potência, apesar
de exigir infra-estrutura onerosa e serem sujeitas a
condições atmosféricas (fading).
4. FIBRA ÓPTICA
Atualmente, para teleproteção, é o meio
mais adequado de comunicação. Pode-se utilizar
fibras ópticas de :
•
•
Cabos dielétricos;
Cabos OPGW (Optical Ground Wire).
A comunicação neste meio poderá ser:
* Direta, de relé para relé (fibras dedicadas de cabo
dielétrico ou OPGW). Tem sido a solução tecnicamente
mais desejável;
* Com modem de teleproteção, multiplex e tranceptor
de dados e cabos OPGW;
* Com modem de teleproteção, multiplex e rede
digital;
* Eventualmente através de rede de comunicações,
privada ou pública, sobre tons de áudio ( não
recomendável).
Gabinete utilizado na interligação Acre-Rondônia - Carrier
Todo equipamento de teleproteção existente
deve atender no mínimo, aos critérios de segurança,
confiabilidade e tempo de transferência definidos
pela norma IEC 60834-1.
SUBESTAÇÃO I
SUBESTAÇÃO II
LÍDER MUNDIAL EM SISTEMAS
DE TELEPROTEÇÃO