SCHWEITZER ENGINEERING LABORATORIES, COMERCIAL LTDA.
Guia de Aplicação
Testes do Elemento Quadrilateral de Fase do
SEL-421-4-5 para uma Falta Trifásica Equilibrada
Alex Rangel e Karl Zimmerman
INTRODUÇÃO
O relé de proteção para linhas de transmissão SEL-421-4-5 inclui um elemento quadrilateral para
proteção de distância. Este guia de aplicação explica o processo de testes do elemento
quadrilateral de fase para uma falta trifásica equilibrada, e pode também ser aplicado aos
elementos de distância quadrilateral de fase do relé para proteção diferencial de linha, tipo
SEL-411L-0-1.
VISÃO GERAL
O relé SEL-421-4-5 possui cinco zonas independentes para proteção de distância quadrilateral de
fase. O elemento quadrilateral de fase é usado para detectar faltas entre fases. Para operar, este
elemento requer ajustes de alcances resistivos e reativos, RPn e XPn, respectivamente (onde n =
1, 2, 3, 4 ou 5), bem como ajuste do ângulo de fase Z1ANG, da impedância de sequência-positiva
da linha (Z1L). Esses ajustes criam a característica quadrilateral mostrada na Figura 1, que ilustra
três zonas para a frente.
jX
Z1L
XP3
Zona 3
XP2
Zona 2
XP1
Zona 1
Z1ANG
–RP
Figura 1
RP1
RP2
RP3
R
Elemento de Distância de Fase Quadrilateral
Durante condições normais, sem a presença de falta, a impedância de sequência-positiva vista
pelo relé está localizada fora das zonas de proteção mostradas na Figura 1. Por exemplo, para
uma carga à frente, a impedância de sequência-positiva (Z1) está localizada graficamente no lado
direito do Quadrante 1 porque o componente R é dominante.
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Durante condições de falta, Z1 trafega em direção a uma das zonas de proteção, uma vez que o
componente X se torna dominante. A localização desta nova Z1 é dependente da localização da
falta. Se não houver nenhuma resistência de falta (Rf), Z1 se encontra próxima ou ao longo de
Z1L; no entanto, se Rf estiver presente, Z1 é desviada para a esquerda ou direita de Z1L. Para
uma falta trifásica perfeitamente equilibrada, Rf não tem efeito sobre o cálculo da impedância;
contudo, se a falta não for perfeitamente equilibrada, uma pequena tensão será desenvolvida
através de Rf, podendo afetar o cálculo da impedância.
O elemento de distância de fase quadrilateral responde às faltas trifásicas, fase-fase e fase-faseterra. Para faltas fase-fase e fase-fase-terra, o relé usa o elemento direcional de sequêncianegativa (F32Q, R32Q) para supervisionar a direção à frente ou reversa. Neste caso, o teste da
característica segue os ajustes de X e R esperados, conforme mostrado na Figura 1.
Contudo, para faltas trifásicas, o relé não pode depender das grandezas de sequência-negativa.
Portanto, se F32Q e R32Q não forem ativados, o relé usa um elemento polarizado por memória
de tensão de sequência-positiva designado como F32P e R32P para supervisionar as faltas à
frente ou reversa. Este é um elemento confiável normalmente usado nos elementos mho.
Para faltas trifásicas, os elementos quadrilaterais usam as correntes de fase A, B e C como
grandezas de polarização. Isso faz com que o alcance do relé seja influenciado pela carga. Se a
corrente de carga na direção à frente for alta o suficiente, ela pode ser combinada com a corrente
de falta para causar o sobrealcance do elemento. Para abordar esta condição, o SEL-421-4-5
reduz dinamicamente o ajuste do alcance resistivo do elemento quadrilateral de fase (RPn)
baseado na relação de I2/I1, conforme mostrado em (1), onde RPPn é o alcance real.
RPPn  0.25   I2 / I1 • 0.75 • RPn
(1)
Se a falta for uma falta trifásica equilibrada, RPPn é reduzido para 25% de seu alcance normal
quando uma falta trifásica é declarada. Esta mudança dinâmica afeta o teste do relé, conforme
descrito na próxima seção.
TESTE PARA UMA FALTA TRIFÁSICA EQUILIBRADA
Durante uma falta trifásica na direção para frente, as tensões de fase diminuem, e as correntes de
fase aumentam em magnitude. Além disso, o ângulo de fase das correntes está atrasado em
relação ao ângulo de fase das tensões por um valor similar ao do ângulo de impedância da linha.
No SEL-421-4-5, durante uma falta trifásica equilibrada, o relé reduz dinamicamente o alcance da
característica do elemento quadrilateral de fase para a direção à frente reduzindo o blinder direito
para 25% do ajuste de RPn original (onde n = 1, 2, 3, 4, 5). Ver a Figura 2a.
O elemento trifásico para a direção à frente é supervisionado pelo elemento direcional de fase
(F32P). Este elemento declara uma falta à frente quando a impedância da linha encontra-se entre
Z1ANG – 90 e 120 graus. Ver a Figura 2b.
A Figura 2c mostra a nova característica de operação.
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Z1L
Z1L
Z1L
Operação
RPn
120° RPn
4
RPn
RPn
(a) Mudança do Blinder Direito
120° RPn
4
RPn
RPn
120° RPn
4
RPn
(c) Nova Característica
(b) Mudança do Blinder Esquerdo
Figura 2 Elemento de Distância de Fase Quadrilateral para a Direção à Frente Efetivo para
uma Falta Trifásica Equilibrada
Durante uma falta trifásica equilibrada, o relé reduz o alcance da característica do elemento
quadrilateral de fase para a direção reversa reduzindo o blinder esquerdo para 25% do ajuste de
RPn original (onde n = 3, 4, 5). Ver a Figura 3a.
O elemento trifásico reverso é supervisionado pelo elemento direcional de fase (R32P). Este
elemento declara uma falta reversa quando a impedância da linha encontra-se entre Z1ANG + 90
e 300 graus (não incluído). Ver a Figura 3b.
A Figura 3c mostra a nova característica de operação.
RPn
RPn
4 120°
RPn
RPn
RPn
4 120°
RPn
RPn
RPn
RPn
4 120°
Operação
Z1L
(a) Mudança do Blinder Esquerdo
Z1L
(b) Mudança do Blinder Direito
Z1L
(c) Nova Característica
Figura 3 Elemento de Distância de Fase Quadrilateral para a Direção Reversa Efetivo para
uma Falta Trifásica Equilibrada
EXEMPLO
Este exemplo testa o elemento de distância de fase quadrilateral do SEL-421-4-5 para uma falta
trifásica equilibrada.
Ajustes do Relé: Z1ANG = 83, XP1 = 2.9, XP3 = 3.6, RP1 = 4, RP3 = 4, DIR3 = R
Teste para a Direção à Frente:
1. O relé reduz o blinder direito para 25%. O ajuste original é RP1 = 4; portanto, o valor
real é 1.
2. O limiar para a direção à frente encontra-se entre Z1ANG – 90 e 120 graus. Como
Z1ANG = 83º, o limiar para a frente está entre –7 e 120 graus.
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3. Se aplicarmos tensões trifásicas equilibradas ao relé (VA= 12 ∠0°, VB = 12 ∠–120°, VC
= 12 ∠120°), as impedâncias de sequência-positiva mostradas na Tabela 1 definem a
característica do elemento quadrilateral de fase para a direção à frente.
Tabela 1 Valores da Impedância de Sequência-Positiva Definindo a Característica para a Direção à Frente
Magnitude de Z1
Ângulo de Z1
0.99
–6
1
0
1.46
40
2.55
60
3.2
65
2.92
80
2.92
100
3.07
110
3.33
119
0.00001
120
A Figura 4 mostra os pontos da impedância de sequência-positiva plotados para a direção à frente
do elemento de distância de fase quadrilateral para a Zona 1.
Figura 4 Característica para a Direção à Frente Usando os Valores da Impedância de Sequência-Positiva
Obtidos na Tabela 1
Teste para a Direção Reversa:
1. O relé reduz o blinder esquerdo para 25%. O ajuste original é RP3 = 4; portanto, o valor
real é 1.
2. O limiar reverso encontra-se entre Z1ANG + 90 e 300 graus (não incluído). Como
Z1ANG = 83, o limiar está entre 173 e 300 graus.
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3. Se aplicarmos tensões trifásicas equilibradas ao relé (VA= 12 ∠0°, VB = 12 ∠–120°, VC
= 12 ∠120°), as impedâncias de sequência-positiva mostradas na Tabela 2 definem o
elemento de distância de fase quadrilateral para a direção reversa.
Tabela 2 Valores da Impedância de Sequência-Positiva Definindo a Característica para a Direção Reversa
Magnitude de Z1
Ângulo de Z1
0.99
174
1
180
1.0434
190
1.121
200
1.463
220
2.553
240
3.63
247
3.8
250
4.06
299
0.001
299
A Figura 5 mostra os pontos da impedância de sequência-positiva plotados para a direção reversa
do elemento de distância de fase quadrilateral para a Zona 3.
Figura 5 Característica para a Direção Reversa Usando os Valores da Impedância de Sequência-Positiva
Obtidos na Tabela 2
Uma planilha do Microsoft® Excel®, “Quadrilateral Phase Testing Calculator”, está disponível
para download com este guia de aplicação em http://www.selinc.com, a qual fornece uma
referência útil para este guia de aplicação.
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CONCLUSÃO
O SEL-421-4-5 possui cinco zonas independentes para proteção de distância de fase quadrilateral
para detecção de faltas entre fases. Durante uma falta trifásica equilibrada, o elemento de
distância de fase quadrilateral é dinamicamente alterado. Este guia de aplicação explica como
testar este elemento para faltas trifásicas equilibradas.
SUPORTE TÉCNICO SEL
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SEL - Schweitzer Engineering Laboratories, Comercial Ltda.
Suporte Técnico SEL Hot-Line: (19) 3515-2010
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