UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA
Programa de Pós-Graduação em Metrologia Científica e Industrial
DETECÇÃO DE FALTA Á TERRA NO
SERVIÇO AUXILIAR EM CORRENTE
CONTÍNUA DAS SUBESTAÇÕES DE
ENERGIA ELÉTRICA
Dissertação submetida à Universidade Federal de Santa Catarina
para obtenção do grau de Mestre em Metrologia
Autor: Fábio Ornellas de Araújo, Eng.
Orientador: Prof. Hari Bruno Mohr, Dr. Eng.
Florianópolis
Santa Catarina – BRASIL
setembro 2004
DETECÇÃO DE FALTA À TERRA NO
SERVIÇO AUXILIAR EM CORRENTE
CONTÍNUA DAS SUBESTAÇÕES DE
ENERGIA ELÉTRICA
Fábio Ornellas de Araújo
Esta dissertação foi julgada adequada para a obtenção do título
de
“MESTRE EM METROLOGIA”
e aprovada na sua forma final pelo
Programa de Pós-Graduação em Metrologia Científica e Industrial
______________________________________
Prof. Hari Bruno Mohr, Dr. Eng.
ORIENTADOR
______________________________________
Prof. Marco Antônio Martins Cavaco, Ph. D.
COORDENADOR DO PROGRAMA DE PÓS-GRADUAÇÃO
BANCA EXAMINADORA
______________________________
Marco Antonio Martins Cavaco, Ph. D
______________________________
Celso Luiz Nickel Veiga, Dr. Eng.
_____________________________
Jacqueline Gisele Rolim, Dr. Eng.
______________________________
Antônio Carlos Zimmermann, Dr. Eng.
Aos meus pais
José Helson de Araújo
Shyrlei Maria de Ornellas Araújo
e irmãs
Fabíola e Fiorella
ii
AGRADECIMENTOS
A concretização deste trabalho apenas foi possível graças à contribuição de
algumas
instituições
e
pessoas,
às
quais
expresso
meus
sinceros
agradecimentos:
•
Aos meus familiares;
•
Ao Programa de Pós-Graduação em Metrologia Científica e Industrial;
•
Aos professores Hari Bruno Mohr, Armando Albertazzi Gonçalves Jr.,
Carlos Alberto Flesch, Gustavo Donatelli e Marco Antônio Martins Cavaco;
•
Aos colaboradores da Eletrosul S.A., em especial aos laboratórios:
o Proteção - LAPRO: Luiz Cláudio, Alberto, Adenilson, João Batista,
João Lessa e Luis Renato;
o Manutenção de Palhoça - SMPAL: Gerd, Allan, Eduardo, Luis
Otávio, Jesus, Gilmar, Dagoberto, Charles, Amorin, Mello e Evaldo;
o Metrologia Elétrica - LAMEE: Dalvir, Celso Nazário, Dariel e Sandro
Peixoto.
•
Aos colaboradores da Fundação CERTI;
•
Ao bolsista Rodrigo Luiz Viselli;
•
À secretária Rosana Magali Vieira;
•
Ao INEP-UFSC;
•
Colegas do Curso de Pós-Graduação;
•
Aos amigos: Karin Trugillo May, Gustavo Rodrigues, Luiz Henrique Spiller,
Andréa Cristina Konrath, Fabrício Kessler, Silvia Abarca, Gilberto Assen,
Sandro Waltrich, Sandro Figueiredo, Antonio Carlos Xavier, Marly Faust e
Jorge Luis Alves.
iii
"Cogito, ergo sum"
("Penso, logo existo”)
René Descartes
iv
RESUMO
O melhor desempenho operacional de uma subestação está condicionado
à necessidade de se evitar a interrupção na alimentação das cargas permanentes,
referentes à medição, controle e proteção do sistema elétrico as quais estão
alimentadas pelo serviço auxiliar em corrente contínua (CC). O desempenho
deste sistema influi diretamente na qualidade do Sistema Integrado Nacional (SIN)
de transmissão de energia elétrica.
Neste sistema, os equipamentos de proteção são os responsáveis por
receber as informações das grandezas elétricas do sistema, em tempo real, e
atuar nas ocorrências das condições anormais. Estão associados os dispositivos
necessários para detectar, localizar e comandar a eliminação de uma ocorrência
no sistema de transmissão. Equipamentos como relés e transformadores para
instrumentação atuam sobre elementos chaveadores que isolam os trechos
defeituosos do sistema elétrico. Isso evita o agravamento dos danos aos
principais equipamentos como transformadores, barramentos e linhas de
transmissão.
Predominantemente
integram
o
sistema
de
alimentação
CC:
os
retificadores alimentados pelo próprio sistema de transmissão e os bancos de
baterias, responsáveis por manter a confiabilidade da operação dos dispositivos
de proteção (sinalizações e alarmes) durante interrupção do serviço local. Por ser
um sistema não aterrado, qualquer contato indesejável de um de seus pólos com
à terra (falta à terra), deve ser imediatamente identificado e isolado, pois, caso a
outra polaridade também venha à terra, fecha-se um curto-circuito da fonte CC,
via terra.
Assim, o objetivo deste trabalho é analisar este problema e detectar o
circuito sob defeito de falta em CC à terra através da metrologia, em vista da atual
necessidade no sistema elétrico brasileiro, mostrando o funcionamento dos atuais
métodos utilizados, propondo ainda uma nova solução.
Palavras-chave: Proteção Elétrica, Serviço Auxiliar, Falta à Terra, Medição nãoInvasiva, Corrente de Falta.
v
ABSTRACT
The best operational performance of a sub-station is conditioned to the
necessity of avoiding the steady-state load feed interruption, referred to
measurement, control and protection of the electrical system; which are fed by the
auxiliary service in direct current (DC). The performance of this system influences
directly on the National Integrated System (NIS) of electrical transmission.
In this system, the protection equipment is responsible for receiving the
information of the electrical system parameters, in real time, and to act on the
occurrences of the fault conditions. It is associated to necessary devices to detect,
localize and command the elimination of the transmission system occurrence.
Equipment as relays and transformers for instrumentation acts on switchers that
isolate the electrical system defected paths. This avoids aggravating damages to
the main equipment as transformers, buses and transmission line.
It predominantly integrates the DC feed system: the fed rectifiers by the
transmission system itself and the battery banks responsible for maintaining the
protection device operation reliability (signalization and alarms) during local
service interruption. For being a non-grounded system any undesirable contact of
one of its poles with the ground (fault to ground) must be immediately identified
and isolated, as in case of other polarity comes to ground, it is closed a shortcircuit of the DC source, via ground.
Thus, the objective of this work is to analyze this problem and to detect the
circuit under missing defect in DC to earth through the metrology since the present
necessity in Brazilian electrical system, showing the functioning of the present
methods used, proposing still a new solution.
Key-words: Electrical Protection; Auxiliary Service; Fault to Ground; Noninvasive measurement; Fault Current.
vi
ÍNDICE ANALÍTICO
CAPÍTULO 1 INTRODUÇÃO ________________________________________ 1
1.1 Identificação do Problema ______________________________________ 2
1.2 Proposta do Trabalho _________________________________________ 3
1.3 Estrutura da Dissertação _______________________________________ 4
CAPÍTULO 2 CENÁRIO DO SISTEMA DE SERVIÇO AUXILIAR ____________ 6
2.1 Características_______________________________________________ 6
2.1.1 Cargas _________________________________________________ 7
2.1.2 Níveis das Tensões _______________________________________ 8
2.2 Configuração ________________________________________________ 9
2.3 Sistema de Média Tensão_____________________________________ 11
2.4 Sistema de Baixa Tensão _____________________________________ 13
2.4.1 Sistema 480V ___________________________________________ 13
2.4.2 Sistema 220 V/127 V _____________________________________ 15
2.5 Sistema em Corrente Contínua _________________________________ 17
2.5.1 Operação do Sistema_____________________________________ 19
2.5.2 Medição e Sinalização ____________________________________ 20
CAPÍTULO 3 SINALIZACÕES E IDENTIFICAÇÃO DAS FALTAS EM
CORRENTE CONTÍNUA___________________________________________ 22
3.1 Sistemas de Sinalização ______________________________________ 22
3.1.1 Lâmpadas______________________________________________ 23
3.1.2 Porcentagem de Falta ____________________________________ 24
3.1.3 Relé de Proteção ________________________________________ 25
3.1.3.1 Ensaio do Relé de Proteção ________________________________________ 28
3.1.3.2 Ensaio do Relé___________________________________________________ 29
3.1.3.3 Avaliação da Incerteza de Medição ___________________________________ 31
3.2 Procedimentos de Identificação ________________________________ 34
3.2.1 Desligamento dos Disjuntores ______________________________ 34
3.2.2 Utilização de Fonte Externa ________________________________ 36
3.2.3 Fugômetro _____________________________________________ 37
vii
CAPÍTULO 4 TÉCNICAS DE LOCALIZAÇÃO DO PONTO DE FALTA NO CABO
DE ALIMENTAÇÃO ______________________________________________ 39
4.1 Reflectometria no Domínio do Tempo - TDR ______________________ 39
4.2 Reflectometria no Domínio da Frequência - FDR ___________________ 44
4.3 Método das Pontes __________________________________________ 46
CAPÍTULO 5 DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA DE FALTA NA
SUBESTAÇÃO __________________________________________________ 50
5.1 Circuito de Proteção _________________________________________ 50
5.2 Falta Positiva à Terra ________________________________________ 54
5.3 Comprovação Prática ________________________________________ 58
5.4 Conclusão Prática ___________________________________________ 66
CAPÍTULO 6 TÉCNICA DE DETECÇÃO NÃO-INVASIVA ________________ 67
6.1 Descrição da Técnica ________________________________________ 67
6.2 Estudo de Caso em Subestação da Eletrosul ______________________ 70
6.2.1 Medição da Falta Utilizando a Garra de Corrente _______________ 71
6.2.2 Descrição da Causa da Falta à terra _________________________ 73
6.2.3 Efeitos da Manutenção da Situação de Caso __________________ 77
CAPÍTULO 7 CONSIDERAÇÕES FINAIS E OPORTUNIDADES FUTURAS __ 78
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS __________________________________ 81
viii
ÍNDICE DE FIGURAS
Figura 1: Configuração do Serviço Auxiliar ...........................................................10
Figura 2: Alimentação no Sistema de Média Tensão ............................................11
Figura 3: Alimentação no Sistema de Média Tensão ............................................12
Figura 4: Medição do Sistema de Média Tensão (diagrama unifilar) ....................13
Figura 5: Sistema de Baixa Tensão em 480 V ......................................................14
Figura 6: Configuração do Sistema de Baixa Tensão em 220 V/127 V.................16
Figura 7: Sistema em corrente contínua encontrado nas subestações.................18
Figura 8: Condições normais do circuito de supervisão ........................................23
Figura 9: Aterramento franco no pólo negativo .....................................................24
Figura 10: Diagrama esquemático do MTX-C e sua curva de atuação .................26
Figura 11: Diagrama esquemático do ensaio do relé ............................................29
Figura 12: Visualização do experimento................................................................30
Figura 13: Exemplo dos circuitos auxiliares de uma subestação (72 circuitos).....35
Figura 14: Circuitos sob falta: alimentado pela barra com disjuntor fechado e outro
circuito alimentado por fonte externa com disjuntor em aberto .............................36
Figura 15: Falta positivo à terra.............................................................................37
Figura 16: Falta negativo à terra ...........................................................................37
Figura 17: Esquema elétrico do Fugômetro ..........................................................38
Figura 18: Vistas lateral e frontal do Fugômetro....................................................38
Figura 19: Onda gerada e refletida entre TDR e o condutor elétrico.....................40
Figura 20: Posicionamento do gerador de sinal (TDR) e do osciloscópio .............41
Figura 21: Tipos de ondas refletidas entre TDR e o condutor elétrico avariado....42
Figura 22: O impulso incidente gerado no ponto E é monitorizado por um
osciloscópio nesse mesmo ponto..........................................................................43
Figura 23: FDR - Onda Incidente, Onda Refletida e observação da onda
estacionária na técnica de medida ........................................................................45
Figura 24: FDR - Variação da estacionaridade com a freqüência .........................46
ix
Figura 25: FDR - Formação da Onda Estacionária ...............................................46
Figura 26: Configuração Básica da Ponte de Wheatstone ....................................47
Figura 27: Aplicação do Ponte de Murray Loop ....................................................48
Figura 28: Sistema de proteção de falta à terra (sem ocorrência de falta)............51
Figura 29: Painel proteção do serviço auxiliar comumente usado nas subestações
elétricas .................................................................................................................52
Figura 30: Circuito equivalente da proteção da SE-PAL totalmente isolado .........53
Figura 31: Transitório da proteção na ocorrência de positiva à terra ...................54
Figura 32: Circuito equivalente da proteção no instante de uma falta positiva......55
Figura 33: Sistema de proteção no instante estável da ocorrência de uma falta
positiva à terra.......................................................................................................56
Figura 34: Circuito equivalente da proteção no instante de uma falta positiva......57
Figura 35: Vista dos painéis de proteção e da conexão da fonte ao relé ..............59
Figura 36: Conexão à bobina do relé ....................................................................60
Figura 37: Medição da corrente de falta à terra por garra de corrente ..................68
Figura 38: Falta à terra pelo pólo positivo do equipamento...................................69
Figura 39: AC/DC Probe Current - modelo 1146A da Agilent................................71
Figura 40: Medições dos desbalanços de correntes dos 25 circuitos ...................72
Figura 41: Transformador 3 da Subestação Florianópolis.....................................74
Figura 42: Vista do topo do Transformador ...........................................................75
Figura 43: Vista das Caixas de Passagem............................................................75
Figura 44: Vista interior da caixa (detalhe marca do nível de água)......................76
Figura 45: Vista interior da caixa (detalhe do eletroduto) ......................................76
x
ÍNDICE DE TABELAS
Tabela 1: Variações permissíveis das tensões auxiliares das subestações............9
Tabela 2: Características do relé detector de fuga MTX-C da WARD...................27
Tabela 3: Resultado da calibração da década resistiva, pela RBC .......................32
Tabela 4: Balanço de Incertezas da Medição de atuação do relé .........................33
Tabela 5: Valores do ensaio de resposta do relé ..................................................61
Tabela 6: Valores de Corrente de falta nos circuitos da SE-FLO ..........................73
xi
LISTA DE SIGLAS
ABNT
Associação Brasileira de Normas Técnicas
ASA
American Standard Association
ANSI
American National Standards Institute
BR
Botão de Rearme
CA
Corrente Alternada
CC
Corrente Contínua
DROP-OUT Desligamento
FDR
Reflectometro no Domínio da Freqüência
INMETRO
Instituto Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade
Industrial
IM
Indicação da Medição
RM
Resultado da Medição
LED
Diodo Emissor de Luz
NA
Normalmente Aberto
NF
Normalmente Fechado
PESE
Pedido de Serviço
PICK-UP
Atuação
PM
Processo de Medição
RBC
Rede Brasileira de Calibração
xii
SAGE
Sistema de Gerenciamento da Subestação
SE-FLO
Subestação de Florianópolis
SE-ITJ
Subestação de Itajaí
SE-PAL
Subestação de Palhoça
SIN
Sistema Integrado Nacional
TD
Tendência
TDR
Reflectometro no Domínio do Tempo
TP
Transformador de Potencial
U95%
Incerteza Expandida
VIM
Vocabulário Internacional da Metrologia
Vca
Tensão Alternada
Vcc
Tensão Contínua
VOP
Velocidade de Propagação do meio Condutor
Vpick-up
Tensão de Pick-up
Vdrop-out
Tensão de Drop-out
xiii
CAPÍTULO 1
INTRODUÇÃO
A necessidade de manter constante, sem interrupção, o sistema de
proteção nas subestações elétricas alimentado em Corrente Contínua está
diretamente ligada às exigências de qualidade da Transmissão de Energia
Elétrica.
O sistema de proteção recebe as informações das grandezas do sistema
elétrico em tempo real e atua sempre que condições anormais ocorrem. A este
sistema de proteção estão associados dispositivos responsáveis por detectar,
localizar e comandar a eliminação de um curto-circuito. Os principais
equipamentos de proteção, relés e transformadores para instrumentação, atuam
sobre equipamentos chaveadores, tais como disjuntores e seccionadoras
motorizadas. Estes equipamentos isolam os trechos defeituosos do sistema
elétrico, evitando o agravamento dos danos aos equipamentos principais, como
transformadores, barramentos e linhas de distribuição.
Como parte do sistema de alimentação CC têm-se os retificadores
alimentados pelo próprio sistema de transmissão e os bancos de baterias,
responsáveis por manter a confiabilidade da operação dos dispositivos de
proteção (sinalizações, alarmes e iluminação de emergência) durante a
interrupção do serviço local.
Por ser um sistema não aterrado, a ocorrência de qualquer contato
indesejável de um de seus pólos com a terra (falta à terra), deve ser
imediatamente identificada e isolada, pois, caso a outra polaridade também venha
à terra, fecha-se um curto-circuito da fonte CC, via terra. Atualmente estas faltas
são supervisionadas por meio de lâmpadas e alarmes sonoros, somente
indicando qual das polaridades foi à terra, sem indicação do circuito de corrente
contínua com problema.
Buscando maior agilidade na manutenção da alimentação em corrente
contínua das subestações de energia elétrica pelo advento de uma falta à terra, a
empresa ELETROSUL S.A. ofereceu este tema como proposta de pesquisa
computada em seu banco de idéias. Sendo assim, este trabalho trata dos atuais
procedimentos de detecção de falta à terra, bem como dos tipos de detecção de
falta à terra nos sistemas de alimentação em corrente contínua.
O objetivo deste trabalho é analisar o problema a fim de identificar o
circuito sob falta à terra através da metrologia, em vista da atual necessidade no
sistema elétrico brasileiro [1]. Busca-se mostrar os atuais métodos utilizados e
tratar dos diagnósticos levantado nas ocorrências destas faltas com proposta de
solução, com ou sem a necessidade do desligamento temporário da proteção.
Com isso espera-se minimizar o atual tempo de manutenção deste tipo de falta.
1.1
IDENTIFICAÇÃO DO PROBLEMA
A falta de informação gerada pelos atuais detectores de falta à terra, hoje
utilizados, torna este trabalho uma importante iniciativa para melhorar o atual
2
problema de faltas em cabos e/ou equipamentos, dada a necessidade de manter
as cargas permanentes encontradas nas subestações.
Das constantes ocorrências [1] verificadas em subestações, causadas pela
desenergização do sistema auxiliar CC, as que desencadeiam sucessivos
desligamentos e geram, dessa forma, corte da transmissão e geração da energia
elétrica, serviram como motivação para a elaboração deste trabalho.
Baseado nestes fatos, relatórios de ocorrência [1] recomendam, em análise
final, a avaliação dos atuais métodos de detecção de falta à terra e a necessidade
de se desenvolver uma nova metodologia e/ou instrumento de medição, que
facilite a investigação de falta de corrente à terra com maior agilidade e
segurança.
1.2
PROPOSTA DO TRABALHO
Identificadas as necessidades do setor elétrico de transmissão, através de
relatórios de ocorrência, este trabalho procura ilustrar o atual sistema de serviço
auxiliar em corrente contínua e seus variados tipos de detectores de falta à terra.
Além de tratar do tema do sistema de alimentação por retificador / banco
de baterias, este trabalho propõe uma nova forma de medir esta falta, de modo a
trazer mais informações à operação do sistema e com isso produzir como
resultados a agilidade e segurança, de modo prático, na solução deste problema.
3
1.3
ESTRUTURA DA DISSERTAÇÃO
Em se tratando de um estudo de metrologia elétrica, este trabalho é
iniciado com uma visão do sistema auxiliar de corrente contínua e sua localização
dentro das subestações de transmissão de energia elétrica. Esta visão aparece no
capítulo 2.
O capítulo 3 traz uma explanação sobre o serviço auxiliar em corrente
contínua, explicando seus funcionamentos, os tipos de detecção de faltas e os
atuais tipos de análise dos problemas de falta para a terra. Ainda neste capítulo é
apresentada a avaliação da incerteza do ensaio de um relé de falta à terra,
através da medição da resistência de isolamento mínima para a devida atuação
da proteção em verificação aos dados do fabricante.
No capítulo 4 são apresentadas as principais metodologias para analisar o
ponto de falta à terra na ocorrência em cabos, mostrando seus aspectos
metrológicos.
No capítulo 5 há uma avaliação experimental sobre o valor da resistência
equivalente de falta que faz atuar o sistema de proteção da subestação de
energia elétrica, com o objetivo de analisar a ordem de grandeza da corrente de
falta.
O capítulo 6 propõe um novo método de detecção de falta à terra,
buscando uma melhor técnica unida à segurança e agilidade para sanar o
problema de falta para terra. Além da descrição do funcionamento desta nova
técnica de medição, mostra-se uma situação de caso em uma ocorrência na
Subestação da Eletrosul em Florianópolis (SE-FLO).
4
Através desta estrutura busca-se esclarecer o funcionamento do sistema
auxiliar em corrente contínua, propondo-se um novo método de medição para
detectar a corrente de falta para terra e metodologias para medir a distância da
falta e diagnosticar as causas destas ocorrências. Propõem-se, ainda, novos
estudos com oportunidades futuras de pesquisa na área da metrologia elétrica.
5
CAPÍTULO 2
CENÁRIO DO SISTEMA DE SERVIÇO
AUXILIAR
O serviço auxiliar de uma subestação de energia elétrica é constituído de
três tipos de circuitos: Transformador de Serviço Local, Banco de Baterias e Motor
Gerador a Diesel, os quais operam em diferentes níveis de tensão e formas de
onda de modo a garantir a alimentação dos principais equipamentos do sistema,
mantendo as funções básicas de segurança e iluminação das subestações.
Dada sua importância dentro do desempenho operacional do sistema de
transmissão de energia elétrica, os esquemas dos serviços auxiliares possuem
elevados graus de confiabilidade e de flexibilidade para manter o fornecimento de
energia a uma subestação. Para isso, são considerados como fontes auxiliares os
sistemas de média tensão, baixa tensão e corrente contínua, cujas localizações e
características são analisadas no decorrer do presente capítulo.
2.1
CARACTERÍSTICAS
Para analisar o serviço auxiliar das subestações elétricas devem-se levar
em conta as classificações das cargas e as variações permissíveis das tensões
de alimentação.
6
2.1.1
CARGAS
As cargas das subestações de energia elétrica são classificadas de acordo
com o grau de segurança necessário para sua alimentação [2]. Sob este critério,
as cargas são classificadas em: permanentes, essenciais, não-essenciais e
emergenciais. Esta classificação, que leva em consideração o tempo que cada
carga pode ficar ausente do sistema, são descritas a seguir:
a) CARGAS PERMANENTES: são cargas que devem ter suprimento de
energia ininterrupta, mesmo que ocorra uma falha de curta duração em sua
alimentação. Devido a este fato, são cargas alimentadas em corrente contínua; e
estão relacionadas à continuidade operacional do sistema e a segurança do
pessoal e das instalações.
Exemplos de cargas permanentes são: proteção, telemedição, dispositivos
de comando e controle e teleproteção.
b) CARGAS ESSENCIAIS: são cargas alimentadas em corrente alternada
e que admitem interrupções de curta duração (poucos minutos) em sua
alimentação. Este tipo de carga esta relacionada ao grupo gerador díesel, e são
divididas em dois grupos de níveis de tensão:
b.1) 480 V: A este nível de tensão estão relacionados os
carregadores de baterias, os motores de acionamento dos
disjuntores e seccionadoras e o transformador de iluminação
essencial;
b.2) 220 V/127 V: Para este grupo de tensão estão relacionados a
Iluminação
essenciais
das
7
edificações,
a
alimentação
dos
anunciadores e registradores gráficos, o controle do paralelismo, o
indicador
de
taps
dos
autotransformadores,
a
medição
de
faturamento e os equipamentos de comunicação.
c) CARGAS NÃO ESSENCIAIS: são cargas que admitem interrupções em
sua alimentação por tempo prolongado. Estas cargas são alimentadas em
corrente alternada e contemplam os seguintes equipamentos: sistema de
iluminação
normal,
aquecimento
de
equipamentos,
refrigeração
de
autotransformadores, sistema de abastecimento de água e sistema antiincêndio.
d) CARGAS DE EMERGÊNCIA: são as cargas relacionadas à iluminação
de emergência e que visam manter um nível de iluminação mínimo para permitir a
visualização da instrumentação nos painéis de comando e a circulação segura do
pessoal. Este grupo alimentado em corrente alternada, funciona em corrente
contínua durante a falta de alimentação CA.
2.1.2
NÍVEIS DAS TENSÕES
As tensões adotadas nos sistemas auxiliares das subestações são
divididas em dois grupos: Corrente Alternada – CA e Corrente Contínua - CC.
Os valores das tensões em CA são subdivididos em outros dois níveis de
tensão: média tensão 13,8 kV, e baixa tensão 480 V, 220 V e 127 V. Para o grupo
em CC a tensão utilizada nas subestações é de 125 V [2] [3] [4].
Para estes valores de tensão do serviço auxiliar, têm-se os seguintes
valores permissíveis normalizados [4], conforme tabela 1.
8
Tabela 1: Variações permissíveis das tensões auxiliares das subestações.
Tensão de Utilização
Tensão Nominal [V]
(CA)
(CC)
Máxima
Mínima
Fase-Fase
Fase-Neutro
[V]
%
[V]
%
13.800
-
14.490
+5
13.110
-5
480
-
504
+5
408
-15
220
-
242
+10
187
-15
-
127
139
+10
110
-15
125
-
140
+12
90
-28
2.2
CONFIGURAÇÃO
Considerando-se que os equipamentos na subestação podem se localizar
internamente às edificações ou externamente (no pátio), a figura 1 permite
visualizar a configuração do sistema auxiliar da subestação.
9
Figura 1: Configuração do Serviço Auxiliar
Nesta configuração, verifica-se que a média tensão, 13,8 kV, alimenta o painel de
480 V de tensão auxiliar e também é convertida aos níveis de baixa tensão (220 V
e 127 V).
Além destas tensões em corrente alternada, tem-se o conjunto banco de
baterias/carregador, que mantém a confiabilidade às cargas permanentes
alimentadas em corrente contínua.
10
2.3
SISTEMA DE MÉDIA TENSÃO
O sistema de média tensão é o responsável pela alimentação das cargas
das subestações através da própria rede básica de distribuição ou pelo terciário
dos
transformadores
da
subestação.
Responsável
por
assegurar
uma
continuidade operacional elevada, o esquema básico desse sistema possui suas
fontes de alimentação duplicadas e independentes, as quais são classificadas em
principal e alternativa, segundo critérios de confiabilidade. Para este sistema é
considerada
como
fonte
mais
confiável
o
terciário
do
banco
de
autotransformadores.
A configuração em média tensão adotada em uma subestação depende
das disponibilidades das fontes e apresentam as seguintes alternativas
apresentadas nas figuras 2 e 3 e descritas a seguir:
a) FONTE PRINCIPAL E FONTE ALTERNATIVA:
Nesta alternativa, as fontes principal e alternativa garantem a continuidade
na alimentação. Esse esquema utiliza o intertravamento entre os disjuntores de
480 V, o qual deve garantir o não paralelismo das fontes.
Figura 2: Alimentação no Sistema de Média Tensão
11
b)
FONTE
PRINCIPAL,
FONTE
ALTERNATIVA
E
FONTE
DE
EMERGÊNCIA (GRUPO GERADOR DÍESEL):
Esta alternativa de alimentação das cargas contempla o método anterior
(fonte alternativa e principal) adicionando-se, ainda, um gerador díesel como fonte
de emergência, que garantirá a continuidade da alimentação de uma carga
principal, caso as outras fontes venham a ser desenergizadas.
Figura 3: Alimentação no Sistema de Média Tensão
Como medição e sinalização para o sistema de média tensão em 13,8 kV,
têm-se o esquema mostrado na figura 4. A figura mostra a utilização de um
voltímetro instalado na seção do painel de 480 V na Casa de Controle para
medição do valor de tensão e também ilustra que para uma supervisão contra
faltas para terra no terciário dos autotransformadores é utilizado um relé de
sobretensão - 59 (Código padronizado pela American Standard Association ASA). Este relé, instalado no painel de proteção do autotransformador, é ligado no
12
deIta aberto dos TP’s de 13,8 kV e dará alarme no anunciador destinado ao vão
do transformador.
Figura 4: Medição do Sistema de Média Tensão (diagrama unifilar)
2.4
SISTEMA DE BAIXA TENSÃO
É o sistema formado pelas tensões de 480 V, 220 V e 127 V em corrente
alternada (CA).
2.4.1
SISTEMA 480V
Da mesma forma que no sistema de média tensão, o esquema de
alimentação em 480 V prevê a duplicação dos alimentadores visando ao
atendimento do requisito da continuidade operacional das cargas. Este tipo de
transferência entre as fontes duplicadas pode ser realizado manualmente em
subestações controladoras e automaticamente em SE’s telecontroladas.
13
Figura 5: Sistema de Baixa Tensão em 480 V
Para este sistema em baixa tensão, os barramentos dos painéis em 480 V
possuem uma única configuração, mesmo considerando a seleção de cargas
essenciais e não-essenciais relacionada à presença do Grupo Gerador Díesel,
podendo ser verificada pela Figura 5. Nesta figura são apresentados os
intertravamentos entre os relés 52 A/B/C/D/E que, conforme configuração,
alimentam as cargas pela fonte principal, alternativa ou pelo gerador díesel.
14
Neste
sistema,
os
transformadores
de
serviços
auxiliares
são
dimensionados para atendimento à totalidade das cargas, que em condições
operativas normais, são supridas pelo transformador ligado à fonte principal,
ficando o segundo transformador como reserva.
Para este nível de tensão, são consideradas as seguintes cargas:
transformador de iluminação e força do pátio de manobra, casa de bombas do
sistema
de
água,
painel
do
gerador
díesel, sistema antiincêndio dos
autotransformadores, equipamentos de pátio e carregadores de bateria.
Quanto a medição e sinalização, os painéis são equipados com
transformadores de corrente e potencial, monofásicos tipo seco, capazes de
suportar as corrente de curto-circuito nominal e momentânea do disjuntor de
maior capacidade do painel, permitindo a instalação de medição indicativa de
corrente e tensão, bem como a do medidor de energia sem indicador de demanda
e do relé de subestação (código ASA - 27) para alarme de falta de CA.
2.4.2
SISTEMA 220 V/127 V
Apesar da existência de duas alternativas de esquemas, face ao emprego
do Grupo Gerador Díesel e à conseqüente necessidade de barras de cargas
essenciais e não-essenciais, a alimentação de 220 V e 127 V é idêntica para as
duas alternativas de esquema, conforme pode ser verificado na figura 6.
15
Figura 6: Configuração do Sistema de Baixa Tensão em 220 V/127 V
Para estes valores de tensão são consideradas as seguintes cargas:
a)
220 V (fase-fase): ar condicionado
b)
220 V (fase-neutro): iluminação e tomadas das casas: de
bombas, controle e do gerador díesel.
16
c)
127 V (fase-fase): equipamentos de comunicação, painel de
medição de faturamento, painel de registradores gráficos,
tomadas da casa de controle e indicação de tap’s do
autotransformador.
Na medição e sinalização para este sistema, o painel é dotado de um
transformador de corrente tipo seco, capaz de suportar a corrente de curto-circuito
nominal e momentânea do disjuntor de maior capacidade do painel, para permitir
a instalação de medição indicativa. Esta medição indicativa de tensão e o sensor
de subtensão para alarme de falta de CA são alimentados diretamente do
barramento.
2.5
SISTEMA EM CORRENTE CONTÍNUA
O sistema em corrente contínua está relacionado às cargas permanentes e
caracteriza-se pelos elevados graus de confiabilidade e de flexibilidade, obtidos
pela duplicidade das fontes de alimentação, dos conjuntos retificador/bateria, e
dos barramentos nos quadros de distribuição. A figura 7 apresenta o diagrama
unifilar básico de um sistema em corrente contínua encontrado nas subestações.
Esse diagrama mostra os dois conjuntos banco de bateria/carregador ligados aos
barramentos de operação (A e B) e de carga, através dos disjuntores (72-1 a 728). O não paralelismo desse sistema é garantido pelo circuito de controle, sendo
que todas as cargas podem ser alimentadas por um único conjunto de banco de
bateria/carregador através de uma das barras de operação, fechando-se o
disjuntor 72-9.
17
Como proteção, esse sistema apresenta o monitoramento através de
lâmpadas (L1) com referência ao terra e sua proteção é garantida para cada
barramento de operação, pelo uso do relé de subtensão (27).
Figura 7: Sistema em corrente contínua encontrado nas subestações
Para o sistema em corrente contínua, os conjuntos bateria/retificador são
idênticos e independentes, cada um dimensionado para a totalidade das cargas e
podem operar nas seguintes condições:
1) Normal: Os retificadores suprem o sistema ficando as baterias em
flutuação;
2) Falta de CA: As baterias passam a suprir o sistema;
3) Retorno de CA: Os retificadores voltam a alimentar o sistema
fornecendo também carga às baterias.
18
Este sistema apresenta ainda as seguintes características:
a) A elevada flexibilidade do sistema é caracterizada pela existência de
duas barras de operação interligadas por um disjuntor (72-9) e de uma
barra de carga.
b) A barra dupla de operação permite:
b.1) A operação independente das duas fontes, sem que haja
paralelismo entre as mesmas;
b.2) A distribuição equilibrada das cargas, sendo as de maior
responsabilidade alimentadas por dois circuitos derivados de barras
distintas, proporcionando elevada confiabilidade ao fornecimento.
c) Um sistema de intertravamento entre os disjuntores, chave seletora
“carga-flutuação” e chave seletora auxiliar que garantirá elevada segurança
aos
requisitos
de
confiabilidade
e
atendimento
às
características
operacionais do sistema.
d) A utilização de dois barramentos, associados às barras de operação
através de contatores, permite a utilização de um sistema de iluminação de
emergência em CC nas casas de controle e do gerador díesel na
ocorrência de falta geral de CA.
2.5.1
OPERAÇÃO DO SISTEMA
O sistema de serviço auxiliar alimentado em corrente contínua, pelo
conjunto retificador/banco, de bateria apresenta dois tipos de operações
relacionando cada um dos conjuntos de alimentadores:
19
1) Operação normal com carga em flutuação: Neste tipo de operação,
cada conjunto opera independentemente um do outro, sem conexão entre as
barras de operação. Com isso, cada carregador supre a carga normal e a bateria
se encarrega do excesso, sendo que a carga eventualmente perdida pela bateria
num período será devolvida pelo carregador no período seguinte.
2) Operação em carga de equalização: Nesta operação, a bateria e seu
respectivo carregador deverão ser transferidos para a barra de carga,
permanecendo a outra bateria em flutuação e o carregador associado
alimentando toda a carga normal, com o fechamento manual do disjuntor de
interligação de barras da operação do painel de distribuição e o posicionamento
manual da chave seletora no carregador. A passagem da condição de carga de
equalização para de flutuação ocorre de forma automática no carregador, ao ser
atingido o final de carga na bateria, sendo tal evento sinalizado no anunciador do
painel de serviços auxiliares, alertando o operador para transferir o conjunto
bateria-carregador para a barra de operação.
2.5.2
MEDIÇÃO E SINALIZAÇÃO
As medições e sinalizações para o sistema auxiliar em corrente contínua
são efetuadas no conjunto bateria/retificador e no painel de distribuição.
No conjunto bateria/retificador, além das medições indicativas de tensão
CA, tensão CC, corrente CC, devem ser sinalizadas as seguintes condições:
transferência automática da condição de carga para flutuação, fim de carga,
20
subtensão de CA, falta de fase de CA, perda da saída de CC, defeito interno no
carregador, sobretensão interna no carregador.
No painel de distribuição, as indicações de corrente das entradas das
baterias e as tensões nas barras de operação são feitas através de amperímetros
e voltímetros, respectivamente.
Relés de subtensão, ligados a cada barra de operação, permitem detectar
faltas de tensão sinalizando no anunciador de serviços auxiliares da subestação e
um sistema de sinalização através de lâmpadas indicativas em cada barra fornece
supervisão quanto às faltas para terra.
21
CAPÍTULO 3
SINALIZACÕES E IDENTIFICAÇÃO
DAS FALTAS EM CORRENTE
CONTÍNUA
Dos sistemas de serviço auxiliar, vistos no capítulo anterior, este estudo
das sinalizações e identificações das faltas restringe-se às fontes em corrente
contínua, dada a necessidade de permanência na alimentação da proteção
elétrica das subestações, consideradas como cargas essenciais. Em vista disso,
este capítulo trata das sinalizações e das técnicas atuais utilizadas na
manutenção.
3.1
SISTEMAS DE SINALIZAÇÃO
Dos sistemas de sinalização, este capítulo trata de três tipos principais
utilizados nas subestações. São estes: o sistema por lâmpadas, o método de
medição da porcentagem de falta e o relé utilizado na detecção e conseqüente
alarme da falta, os quais são descritos a seguir.
22
3.1.1
LÂMPADAS
O serviço auxiliar em corrente contínua, alimentado pelo conjunto
retificador/banco de bateria, é um sistema isolado da malha de terra (sistema
flutuante). Como proteção, este sistema necessita de um circuito de supervisão
de terra o qual, na ocorrência de qualquer contato indesejável de um dos pólos do
serviço auxiliar com a malha de terra, deve imediatamente sinalizar a falta, para
um posterior isolamento do circuito sob falta.
Para isso, no painel CC/CA existem duas lâmpadas de mesma potência
que ficam permanentemente acesas, com a finalidade de supervisionar a
ocorrência de aterramento nos circuitos de corrente contínua das subestações.
Essas lâmpadas são ligadas em conjunto com o relé de alarme (Código ASA - 74)
[5], responsável pelo alarme sonoro, de acordo com a figura 8.
Figura 8: Condições normais do circuito de supervisão
Em condições normais, as lâmpadas apresentam a mesma intensidade
luminosa. Caso haja aterramento no pólo negativo, como mostrado na figura 9, a
lâmpada “L2” irá se apagar (contato franco à terra) ou diminuir de intensidade
23
luminosa (contato parcial à terra), e a lâmpada “L1” ficará com intensidade maior
que a normal. A corrente fará o relé 74 operar soando um alarme, indicando que
houve contato à terra através do pólo negativo. Para o caso de uma falta à terra
pelo pólo positivo, o procedimento será o mesmo, invertendo somente a
intensidade luminosa das lâmpadas. Portanto, a “terra” será detectada pelo pólo
cuja lâmpada demonstrar luminosidade mais fraca ou nula.
Figura 9: Aterramento franco no pólo negativo
3.1.2
PORCENTAGEM DE FALTA
O método das lâmpadas com indicação de alarme indica somente a
ocorrência do pólo para a qual se encontra a falta para malha terra. Assim,
buscando-se o melhor diagnóstico de uma falta, utiliza-se o método da medição
das tensões entre cada um dos pólos e a malha terra [6].
Tome-se o exemplo de um o conjunto retificador e banco de baterias que
possui a tensão de 125 V: em funcionamento ideal, tanto a tensão entre o pólo
24
positivo e terra quanto a tensão entre o terra e o pólo negativo são tensões
próximas a 62,5 V, ou seja, 50% do potencial da bateria (figura 8).
Durante uma falta a terra, onde ocorre a incidência de uma resistência
entre o pólo sob falta e à terra, surge um desbalanço das tensões dos pólos à
terra. Esse desbalanço pode ser medido durante a ocorrência e com isso é
possível se ter uma idéia de quanto menor (curto-circuito) ou maior (falta não
franca) é a resistência de falta.
Essa técnica é de grande interesse, quando ocorrem várias faltas à terra e
se deseja saber qual circuito está com a menor resistência de falta e, com o
desligamento de cada um dos circuitos, tomar a decisão sobre qual deles deve
permanecer trabalhando, priorizando o desligamento dos equipamentos de pátio
em uma subestação.
3.1.3
RELÉ DE PROTEÇÃO
Basicamente a detecção de falta à terra é efetuada pelo relé de proteção à
terra - 64 (código de proteção ASA) [5], que aciona um sistema auxiliar para
anunciar alarme de falta à terra. A filosofia de funcionamento desse relé depende
de cada fabricante do sistema de supervisão do terra para serviço auxiliar,
buscando, através do desbalanço de uma das grandezas elétricas (corrente,
tensão ou resistência), a forma de sensoriamento para este tipo de ocorrência.
Mas para este tipo de relé tem-se somente a detecção do pólo que se encontra
sob falta sem sua indicação, ou seja, há pouca informação a respeito da
ocorrência da falta.
25
Dentre os diferentes modelos de relés para detecção de fuga para terra, o
modelo MTX-C fabricado pela WARD [7], encontrado em várias subestações,
utiliza o princípio da ponte de Wheatstone para medir o desbalanço da isolação de
cada um dos cabos para a malha terra.
Figura 10: Diagrama esquemático do MTX-C e sua curva de atuação
O sistema de detecção adotado pelo relé MTX-C utiliza o método de
desequilíbrio de resistência através de uma ponte de Wheatstone [7], na qual dois
braços correspondem às resistências de acoplamento (R) ligadas aos dois pólos
do sistema (L1 - positiva e L2 - negativa) e os outros dois braços são as
resistências de isolação de cada linha à terra (R1 e R2), conforme a figura 10.
Qualquer desequilíbrio na resistência de isolação do cabo de alimentação
provoca uma circulação de corrente via terra em direção ao ponto comum das
duas resistências de acoplamento, o ponto P. O sinal de corrente é convertido
numa tensão e esta comparada com uma tensão de referência pré-ajustada
internamente, proporcional à tensão da rede. Se o valor comparado estiver abaixo
do nível ajustado (referência), um LED vermelho indicativo acenderá ao mesmo
26
tempo em que o relé de saída comutará seus contatos, permanecendo nesta
condição até o sistema voltar à condição normal (extinção de defeito).
O gráfico, ainda na figura 10, apresenta as zonas de atuação do relé
indicando os valores da zona de atuação em função da diferença das resistências
de isolamento.
Este dispositivo, que possui as características de funcionamento mostradas
na tabela 2, apresenta um pré-ajuste de fábrica para atuar quando o desbalanço
entre as resistências de isolamento for da ordem de 10 kΩ. Para uma ocorrência
neste valor de desbalanço, o contato normalmente aberto (NA) do relé é atuado e
faz com que um dispositivo anunciador de alarme indique a falta para terra.
Tabela 2: Características do relé detector de fuga MTX-C da WARD
Grandeza
Valor
Tensão Nominal - CC
Um [V]
125
Consumo
VA/V
2/220
Variação da Tensão da Rede
%Ua
-30 a +15
Consumo
VA
2
Sensibilidade
kΩ
10
Exatidão
%
±10
Rearme
Automático
Temperatura de Funcionamento
27
°C
-5 a +55
3.1.3.1
ENSAIO DO RELÉ DE PROTEÇÃO
Conforme especificação do dispositivo de proteção, o relé MTX-C tem seu
ajuste de atuação em 10 kΩ com incerteza de ±10%. Dadas estas informações
sobre seu funcionamento e sua variação de atuação de ±1 kΩ em torno do ponto
de atuação, é proposto um ensaio laboratorial simulando uma falta à terra, entre
cada um dos pólos à terra, através de uma década resistiva
calibrada. Este
ensaio tem por objetivo medir o valor da resistência que faz atuar o relé de
proteção e, com isso, fazer um comparativo com os dados do fabricante, os quais
são levados em consideração durante projeto do sistema de serviço auxiliar da
subestação.
Conforme recomendação do ISO/GUM [8], a incerteza sobre os resultados
de uma medição (RM) de uma grandeza física leva a uma indicação quantitativa
da qualidade para que aqueles que os utilizam possam avaliar sua confiabilidade
e tornar possível a comparação de resultados.
Assim, com esta recomendação de caráter metrológico associado ao
sistema de proteção elétrico, busca-se, através da verificação da atuação do relé
de proteção, um meio de firmar seu funcionamento dentro dos valores
apresentados pelo fabricante, que são os dados considerados para seu
funcionamento dentro de um projeto da subestação.
O equipamento utilizado é aquele apresentado no item 3.1.3, ou seja, o
relé MTX-C fabricado pela WARD, o qual será o objeto sob ensaio.
28
3.1.3.2
ENSAIO DO RELÉ
O ensaio do relé MTX-C, responsável pela supervisão da corrente de falta
para terra, baseia-se no principio da zona de atuação, descrito no item 3.1.3, em
torno do valor de 10 kΩ, com uma variação de ±10%.
De acordo com a figura 11, tem-se que para a determinação desta zona,
fazem-se necessárias uma fonte em corrente contínua (simulando o sistema de
serviço auxiliar em CC), uma fonte de corrente alternada (220 V ou 110 V) e uma
década resistiva calibrada. Vale ressaltar que a variação das alimentações não
influencia nos resultados, dada a simetria que a ponte oferece.
Figura 11: Diagrama esquemático do ensaio do relé
29
Medindo-se a atuação do relé através da variação da década resistiva, os
valores de resistência encontrados para cada um dos pólos, para um número de 5
ensaios por pólo, são todos iguais a 9700Ω. Para se chegar a esses valores,
usou-se um potenciômetro com resolução de 100 Ω.
Conforme análise dos valores medidos para a atuação do relé, tem-se a
repetição dos resultados, o que torna a média das medições igual ao valor da
indicação da década resistiva com relação ao valor da resistência de atuação do
relé. A figura 12 apresenta uma foto desse experimento.
R+ = 9700 Ω
R− = 9700 Ω
Figura 12: Visualização do experimento
30
3.1.3.3
AVALIAÇÃO DA INCERTEZA DE MEDIÇÃO
Caracterizado o ensaio e o processo de medição (PM) do valor da
resistência, torna-se possível a avaliação da incerteza da medição, conforme
recomendação do ISO/GUM. Por se tratar de uma medida direta através da
década resistiva código IT200166 de propriedade da Eletrosul, esta possui uma
rastreabilidade com a Rede Brasileira de Calibração (RBC), cujo sistema integra
laboratórios credenciados pelo INMETRO. Com isso, a década funciona como
objeto-padrão para a comparação dos resultados.
A fim de se adotar um método padronizado para determinar o resultado da
medição, são necessários, portanto, os valores de tendência (Td) e incerteza
expandida (U95%) de cada uma das escalas da década conforme planilha de
calibração.
De acordo com o Vocabulário Internacional de Metrologia (VIM) [9], a
tendência de um instrumento de medição é: “Erro sistemático da indicação de um
instrumento de medição”, ou seja, o valor da tendência da calibração é um valor
que deve ser corrigido sobre a indicação de medição (IM).
A incerteza expandida (U95%) [10] está associada com a dúvida ainda
presente no resultado da calibração. Ela quantifica, através de uma faixa simétrica
de valores, em relação ao resultado base, a dúvida no nível de confiança
estabelecido - geralmente 95,5%, referente à utilização dos 2σ com relação à
distribuição dos valores das medidas. Seu valor é composto pela combinação dos
efeitos aleatórios de cada fonte de incerteza que afeta o processo de medição.
31
A tabela 3 mostra os valores da tendência e da incerteza expandida para
cada escala da década resistiva.
Tabela 3: Resultado da calibração da década resistiva, pela RBC
Potenciômetro
Indicação
Fator
Td
U95%
Multiplicativo
(Ω)
(Ω)
10 kΩ
9
x1kΩ
-0,08
±0,11
1 kΩ
7
x100Ω
-0,0266
±0,0084
Portanto, o resultado da medição considerando a correção (-Td) e a
incerteza expandida apresenta a seguinte característica, segundo a expressão:
RM+G = IM – Td ± U95%
(1)
Conforme avaliação do balanço de incerteza dos efeitos aleatórios e
sistemáticos envolvidos nesta calibração, tem-se, através da tabela 4, uma
análise destas fontes de incerteza, caracterizando-se pelo seu tipo de distribuição
para seguinte utilização do seu divisor [10].
32
Tabela 4: Balanço de Incertezas da Medição de atuação do relé
Símbolo
Descrição
Incerteza
Potenciômetro
Inc1
Correção
Valor
[Ω]
[Ω]
+0,08
Distribuição
Divisor
µ[Ω]
V
0,11
Normal
2
0,55
∞
+0,0266
0,0084
Normal
2
0,0042
∞
---
100/2
Uniforme
√3
28,8676
∞
28,9267
∞
1
Incerteza
Potenciômetro
Inc2
2
Resol.
Resolução
Correção
Cc
Combinada
+0,1066
Incerteza
uc
Normal
Padrão
Incerteza
U95%
normal
Expandida
58
Reescrevendo o resultado da medição, tem-se:
RM+G = IM – Td ± U95%
RM-G = RM+G = 9700 - (+0,1066) ± 58
RM-G = RM+G = (9700 ± 58) Ω.
RM-G = RM+G = 9700 Ω ± 0,6%
Portanto, o valor médio de atuação do relé é de 9700 Ω com a certeza
probabilística de 95% de que este valor varia em 58 Ω para mais ou para menos
em torno da média.
33
Conclui-se, com 95% de certeza, que a resistência de isolamento mínima
para a atuação do relé, indicando falta à terra no serviço auxiliar, está entre 9642
Ω e 9758 Ω. Esta variação de 116 Ω (±0,6%) se verifica pelo baixo índice de
resolução do relé (100 Ω).
3.2
PROCEDIMENTOS DE IDENTIFICAÇÃO
Atualmente são utilizadas três técnicas para se identificar e detectar o circuito
sob falta à terra. Esses métodos de identificação do circuito, após ser detectada
(alarmada) uma falta à terra, são:
1. Método de desligamento dos disjuntores;
2. Utilização de uma fonte externa;
3. Fugômetro.
3.2.1
DESLIGAMENTO DOS DISJUNTORES
Uma das primeiras técnicas para se descobrir o circuito sob falta à terra, e
mais comumente usada, é a técnica do desligamento de cada um dos circuitos
alimentados em corrente contínua, até que o alarme não volte a atuar; ou então,
que haja uma diminuição do desbalanço de tensão dos pólos positivo e negativo
em relação à terra. Esse procedimento é o mais prático, mas conta com o
inconveniente da necessidade de se desenergizar os circuitos que estejam em
pleno funcionamento, ou seja, sem a corrente de falta.
Além disso, é visível, pela figura 13, que a grande quantidade de
disjuntores pede uma grande quantidade de desligamentos para utilizar este
34
método, o que torna um pedido de serviço de manutenção complicado, já que
este sistema CC tem a necessidade de ter a continuidade na alimentação, e
também o método é pouco eficiente para o caso de mais de uma falta à terra,
quando envolver mais de um circuito ou quando a falta estiver no barramento.
Por estar se tratando de cargas permanentes, este método mesmo tendo
uma ótima praticidade, não vem ao encontro das necessidades de qualidade e
confiabilidade do sistema de proteção das subestações.
Figura 13: Exemplo dos circuitos auxiliares de uma subestação (72 circuitos)
35
3.2.2
UTILIZAÇÃO DE FONTE EXTERNA
Uma segunda técnica, desenvolvida na Eletrosul [6], consiste numa
modificação do método anterior (desligamento do disjuntor). A idéia é utilizar uma
fonte externa de potência, jusante ao disjuntor, para alimentar cada um dos
circuitos que serão desconectados do banco de baterias. O circuito desligado será
alimentado pela fonte externa e, caso este se encontre com a falta, o alarme será
desativado (lâmpadas acesas) e assim identifica-se o circuito com falta à terra,
sem ocorrer desligamento, conforme figura 14.
Figura 14: Circuitos sob falta: alimentado pela barra com disjuntor fechado e
outro circuito alimentado por fonte externa com disjuntor em aberto
Em complemento ao procedimento dessa manutenção, para uma
subestação que possua dois bancos de baterias, é interessante utilizar somente
um banco para alimentar todo o sistema auxiliar no período da manutenção e
utilizar o outro banco de baterias como a fonte externa. Trata-se de um método
mais barato e eficiente, mas com o agravante da necessidade do desligamento
mecânico do disjuntor (“sem interrupção da alimentação do equipamento”). Ainda
36
assim, requer um período longo de manutenção, correndo o risco de o disjuntor
não rearmar, fato que acontece em alguns dos mais antigos sistemas [11].
3.2.3
FUGÔMETRO
A terceira técnica, desenvolvida pela própria Eletrosul [6], é o equipamento
chamado “Fugômetro”. Este equipamento representa um importante passo para a
detecção de falta à terra, pois descobre o circuito sob falta, através de um simples
circuito que utiliza diodos by-pass. Isto se justifica como um avanço na pesquisa,
pois faz com que se descubra o circuito sob falta sem a necessidade da
desenergização de cada um dos circuitos. Porém, este método não abre mão da
necessidade do desligamento mecânico de cada um dos disjuntores dos circuitos
envolvidos. As figuras 15 e 16 mostram a detecção de uma falta positiva e de
outra negativa, respectivamente.
Figura 15: Falta positivo à terra
Figura 16: Falta negativo à terra
37
Tem-se, pelas figuras, que, para qualquer uma das faltas, o voltímetro irá
medir a tensão total da bateria menos as três quedas de tensão nos diodos (≈ 2,1
V). Caso o circuito não esteja com falta à terra, o voltímetro deverá indicar um
valor próximo à metade da tensão do banco de baterias (62,5 V). A figura 17
mostra o esquemático do fugômetro e na figura 18 têm-se as vistas laterais e
frontal deste equipamento.
Figura 17: Esquema elétrico do Fugômetro
Figura 18: Vistas lateral e frontal do Fugômetro
38
CAPÍTULO 4
TÉCNICAS DE LOCALIZAÇÃO DO
PONTO DE FALTA NO CABO DE
ALIMENTAÇÃO
Este capítulo trata das técnicas existentes para se localizar faltas em cabos
e diagnosticar suas causas. Para isto, são apresentadas técnicas de
Reflectometria no Domínio do Tempo e da Freqüência e os Métodos das Pontes.
Essas técnicas representam alguns procedimentos de pós-localização do
circuito de falta, quando há o conhecimento de que a falha esta ocorrendo no
cabo e não na carga.
Para efeito de manutenção das subestações de energia elétrica esses
métodos representam pouco se comparado à necessidade de um método que
localize o circuito sob falha, mas complementa o fato de que após ter sido
localizado o cabo com defeito, estes procedimentos ajudam na análise pela busca
dos problemas e evitar assim a ocorrência de novas falhas de isolamento.
4.1
REFLECTOMETRIA NO DOMÍNIO DO TEMPO - TDR
Para casos onde o ponto de falta à terra se encontra ao longo do caminho
dos cabos que ficam entre a sala de controle e os equipamentos de pátio das
subestações, é necessária a utilização de outra técnica complementar de
39
localização. Apesar de as técnicas detectarem o circuito que se encontra sob falta
à terra e indicarem se o problema está no circuito ou no cabo, elas não informam
a causa e nem a distância do problema no cabeamento.
A teoria do TDR baseia-se no teorema da linha de transmissão para fios e
cabos utilizando o princípio de detecção pelas mudanças de impedância ao logo
de um condutor [12]. O Reflectômetro no Domínio do Tempo – TDR informa a
distância da falta no cabo (linha de transmissão) através do intervalo de tempo
entre o impulso gerado e o refletido, tendo como conhecida a velocidade de
propagação do meio condutor (VOP), característica de cada condutor.
O TDR é um equipamento que trabalha no mesmo princípio que o radar.
Para tal, é injetado um impulso (impulso gerado) em uma extremidade do cabo
sob teste e quando este impulso, que se propaga ao longo do condutor com
velocidade VOP, alcança a outra extremidade do cabo (ou uma falta ao longo do
cabo), toda energia (ou parte da energia) do impulso é refletida de volta ao
gerador (figura 19).
Figura 19: Onda gerada e refletida entre TDR e o condutor elétrico
40
Qualquer mudança da impedância (falta) no cabo faz com que alguma
energia reflita de volta para o TDR e possa ser visualizada através de um
osciloscópio (figura 20). É a mudança de impedância que determina a amplitude
da reflexão.
Figura 20: Posicionamento do gerador de sinal (TDR) e do osciloscópio
O TDR mede o tempo do ensaio, que vai desde a injeção do sinal (o sinal
viaja pelo cabo buscando o defeito), até refletir de volta, viajando novamente de
volta ao TDR. O TDR indica, então, o sinal refletido como uma informação
exposta pela forma de onda. Este equipamento, além de fornecer a distância,
também fornece um diagnóstico do tipo de problema que está acontecendo com o
cabo, através do formato desta onda refletida (Figura 21).
41
Figura 21: Tipos de ondas refletidas entre TDR e o condutor elétrico avariado
A abreviatura TDR, portanto, descreve tanto um instrumento de medida
(Time Domain Reflectometer) como a própria técnica de medida (Time Domain
Reflectometry). O significado da abreviatura depende, assim, do contexto em que
o dispositivo está sendo usado.
O reflectômetro baseia-se, assim, em um sistema de radar impulsivo
funcionando em cadeia fechada. Uma fonte gera um impulso que percorre um
determinado meio de transmissão (meio 1). Este impulso, ao atingir o ponto de
transição ' T ', do meio 1 para um outro meio (meio 2), é refletido, retornando à
fonte (figura 22).
A observação feita no ponto 'E' permite mostrar os dois
impulsos: o impulso incidente, gerado num determinado instante e o impulso
refletido, defasado de um intervalo de tempo ∆t, igual à soma do tempo que o
impulso incidente demorou a percorrer a distância L mais o tempo que o impulso
refletido demorou a percorrer a mesma distância.
O ensaio do TDR faz uso do fenômeno de reflexão que acontece sempre
na presença de uma descontinuidade de dois meios. Como as medidas e as
42
observações são feitas com base num defasamento temporal, daí resulta o nome
da técnica - Reflectometria no Domínio do Tempo.
Figura 22: O impulso incidente gerado no ponto E é monitorizado por um
osciloscópio nesse mesmo ponto
A figura 22 mostra o impulso incidente (Ii) que percorre o meio 1 até atingir
a descontinuidade criada pelo meio 2 e que tem características diferentes das que
tem o meio 1. Uma parte da energia é absorvida (ou transmitida para o meio 2),
mas outra é refletida para o meio 1, dando origem a um impulso refletido (Ir), que
irá se propagar, até retornar ao ponto E.
O osciloscópio monitora também este impulso refletido que, relativamente
ao impulso incidente, apresenta uma defasagem temporal ∆t. Este atraso,
associado à amplitude e à polaridade do impulso refletido, à velocidade de
propagação dos impulsos e à distância percorrida, permite concluir sobre as
características do meio 1 e do meio 2.
Em função do tipo de sinal que está sendo gerado e do tipo de aplicação, o
TDR pode ser Acústico, Elétrico, Eletromagnético ou Óptico. Em qualquer dos
casos o princípio de funcionamento e as conclusões a que se pode chegar são
sempre as mesmas.
43
Além da aplicação do TDR para detecção da distância do ponto da falta em
cabos, existem outras ainda. Tais aplicações são: o radar utilizado nos aeroportos
(TDR Eletromagnético) e o sonar utilizado nos navios (TDR Acústico). O ensaio
do TDR é aplicado ainda ao estudo das fibras ópticas (TDR Óptico).
4.2
REFLECTOMETRIA NO DOMÍNIO DA FREQUÊNCIA - FDR
O FDR é uma técnica de medida e observação de fenômenos semelhante
ao TDR na medida em que se baseia no principio da reflexão. No entanto, essas
medidas e observações são feitas no domínio da freqüência.
Ao se propagar uma onda em um determinado meio e esta encontrar uma
descontinuidade, será verificado um fenômeno de reflexão e será gerada uma
onda refletida. O meio 1 da figura 23 transforma-se numa zona de interferência
das duas ondas, incidente e refletida, encontrando-se pontos de interferência
construtiva chamados máximos e pontos de interferência destrutiva chamados
mínimos. Estes pontos estão fixos no espaço e dão origem a outra onda que se
designa por estacionária, dada essa fixação.
Para observar a onda estacionária bastaria andar ao longo do meio e medir
em cada ponto o valor de amplitude resultante da interferência. Esta técnica,
entretanto, é incômoda e, na maior parte das vezes, impraticável.
O FDR é uma técnica que substitui o deslocamento ao longo do meio (no
espaço) por um deslocamento ou variação da freqüência do gerador que está
44
produzindo a oscilação inicial. Fixa-se, assim, o ponto de observação espacial,
quase sempre coincidente com o ponto espacial do gerador.
Figura 23: FDR - Onda Incidente, Onda Refletida e observação da onda
estacionária na técnica de medida
Supondo que a descontinuidade dos meios corresponda a um curto circuito
tem-se, nesta ocasião, um ponto de amplitude nula na carga. Considera-se que o
gerador esteja operando em uma certa freqüência, tal que o comprimento do meio
corresponda a L = λ/8. Nestas circunstâncias, no ponto espacial do gerador, a
onda estacionária apresentará um valor A = √2.Amax. Se a freqüência aumentar
de forma que o comprimento da linha a acompanhe, como se mostra na figura 24,
correspondendo a L= λ/4, L= 3 λ/4 e L= λ/2, o mesmo ponto de leitura registrará
valores respectivos de A = Amax, A = √2.Amax, A = 0.
Usando um osciloscópio no qual o varrimento horizontal esteja sendo
comandado pelo mesmo sinal que comanda o varrimento da freqüência, obter-seá, assim, uma imagem idêntica à da figura 25, na qual o eixo do tempo será
substituído por um eixo de freqüências. Com isso tem-se a distância da falta pelo
comprimento da onda estacionária.
45
Figura 24: FDR - Variação da estacionaridade com a freqüência
Figura 25: FDR - Formação da Onda Estacionária
4.3
MÉTODO DAS PONTES
Existem diferentes tipos de medições por pontes resistivas. Dentre eles
citam-se: Hillborn Loop, Murray Loop, Murray Loop Two-End, Murray-Fisher Loop,
Open & Closed Loop, Varley Loop e Werren Overlap [13]. Estes métodos
dependem muito das características da ocorrência da falta.
46
Para o caso em estudo, da falta ocorrendo no serviço auxiliar em corrente
contínua dentro das subestações, onde o cabo bipolar utilizado tem o mesmo
comprimento que vai do relé ao equipamento ou da carga à fonte, o melhor dos
métodos em ponte a ser aplicado é o Murray Loop.
O Murray Loop é uma variação da ponte de Wheatstone a qual, conforme
figura 26, possui seu princípio de funcionamento baseado no equilíbrio das
resistências, apresentado uma medição zero pelo galvanômetro durante a
existência de uma igualdade entre os produtos das resistências C1 com B2 e B1
com C2.
R B1 .RC 2 = RC1 .R B 2
(2)
Figura 26: Configuração Básica da Ponte de Wheatstone
A ponte de Wheatstone é utilizada para medir uma resistência
desconhecida (C1) a partir de outras três resistências (B1, B2 e C2) que devem
ser conhecidas.
Portanto, no caso da ponte de Wheatstone, para se conhecer o valor de
RC1 basta utilizar a seguinte fórmula:
47
RC1 =
RB1 .RC 2
RB 2
(3)
Dado o princípio da ponte de Wheatstone, a figura 27 apresenta uma
variação do Murray Loop, que é utilizado para se descobrir a distância do ponto
de falha no cabo sob falta. Para este sistema, as resistências adjacentes RC1 (do
cabo com falta), em loop com RC2 (do cabo sem falta), até o ponto de falta do
outro cabo, representam as resistências C1 e C2 da ponte de Wheatstone.
Figura 27: Aplicação do Ponte de Murray Loop
Similarmente, as resistências C1 e C2 correspondem a Rc1 e Rc2 da ponte
de Wheatstone e as resistências B1 e B2 são equivalentes às resistências RB1 e
RB2 da ponte.
Variando-se RB1 e RB2 até o balanço do Galvanômetro (G) a ponte de
Murray Loop apresenta o balanço das razões:
48
R
R
B1
=
B2
R
R
C1
(4)
C2
Quando assume-se que a resistência do condutor uniforme é linear e
proporcional ao comprimento e sabe-se que o comprimento total do cabo é igual a
L, a distância do ponto de falta, LX, é calculada da seguinte forma:
L
X
=2
L R
R
B1
(5)
B2
Utilizando-se o método da ponte de Murray Loop, deve-se conseguir que a
resistência correspondente ao comprimento do cabo sem falta e as resistências
correspondentes ao comprimento do cabo em falta devem ser iguais. Caso sejam
diferentes, a exatidão da medição ficará comprometida.
49
CAPÍTULO 5
DETERMINAÇÃO DA RESISTÊNCIA
DE FALTA NA SUBESTAÇÃO
Este capítulo tem por objetivo esclarecer a determinação do valor de
resistência de falta à terra, positiva ou negativa (Rf+ e Rf-), que aciona o SAGE Sistema de Gerenciamento da subestação de palhoça (SE-PAL) e as correntes de
falta (IF) mínima e máxima resultantes da resistência de falta (RF) máxima e
mínima (curto franco à terra), respectivamente.
5.1
CIRCUITO DE PROTEÇÃO
Para monitorar a isolação do serviço auxiliar em corrente contínua é
utilizado um relé de proteção de terra (código de proteção ASA – 64). O princípio
deste relé é atuar quando o valor da tensão sobre sua bobina for igual ou maior
ao seu valor de atuação ou pick-up (Vpick-up).
O relé utilizado na SE-PAL, modelo Mauell RCS21 possui, como
características, uma resistência de bobina (Rr) igual a 4,58 kΩ, uma tensão de
acionamento (“Vpick-up”) de 83,2V e, para seu desacionamento, uma tensão de
drop-out (“Vdrop-out”) igual a 13,5 V. Complementando este sistema de proteção
existe, em paralelo com a bobina do relé, uma resistência (Rpr) de 4,98 kΩ cujo
50
valor é próximo ao da bobina (Rr). Essa resistência tem a função de diminuir pela
metade a corrente que passa pela bobina do relé. Esse esquema é apresentado
na figura 28.
Figura 28: Sistema de proteção de falta à terra (sem ocorrência de falta)
Através da figura 29, tem-se a visão do painel do sistema de proteção do
serviço auxiliar CC, com as indicações dos relés, lâmpadas e do botão de rearme
(BR).
Os contatos 3 e 4 do relé 64 são normalmente abertos (NA) e são os
responsáveis pelo anunciador de alarme ao SAGE e da subestação, alimentados
pelo próprio serviço auxiliar.
Além desta sinalização existem, no painel do sistema de detecção de falta
para terra, duas lâmpadas que de modo on-line mostram o pólo que está com
ocorrência de falta. O grau de luminosidade da lâmpada, acesa durante a falta,
51
demonstra o nível da resistência de falta (Rf) entre o pólo com falta e a terra a
qual,
para um valor mínimo, leva a uma iluminação fraca e, para uma pior
situação (curto do pólo à terra Rf=0 Ω), apresenta sua maior luminosidade. Para o
caso de curto franco do pólo, esta máxima luminosidade é limitada pelo resistor
em série com a lâmpada (Rsl) e pela própria resistência da lâmpada (Rl).
Figura 29: Painel proteção do serviço auxiliar comumente usado nas
subestações elétricas
Modelando este sistema de proteção para um funcionamento totalmente
isolado (Rf→∞ Ω), tem-se o circuito da figura 30 como equivalente. Neste circuito
são encontrados os valores das tensões e correntes nos relés de falta positivo
(64P) e negativo (64N) e suas resistências em paralelo (Rpr).
52
Figura 30: Circuito equivalente da proteção da SE-PAL totalmente isolado
Analisando o circuito da figura 30, é possível obter os valores das tensões
sobre os relés e a corrente total deste sistema. Para Vs.aux.=132 V:
IT =
Vs.aux.
132
=
= 27,7 mA
1
2.2386
2.
1
1
+
Rr R pr
(6)
I T = 27,7 mA
I F = 0 mA
Vr = Vrp =
V s.aux.
2
=
132
2
= 66,0V
(7)
Portanto, o equilíbrio das tensões confirma o estado normal de
funcionamento do serviço auxiliar.
53
5.2
FALTA POSITIVA À TERRA
Uma falta à terra pelo pólo positivo do sistema de serviço auxiliar em
corrente contínua é representada por uma resistência (Rf+). Para esta falta de
isolamento, o sistema de proteção pode ser caracterizado por duas situações. A
primeira, conforme figura 31, considera o transitório que vai do instante de
atuação do relé, após este ser alimentado por sua tensão de pick-up (Vpick-up), até
o instante de fechamento de seus contatos auxiliares. A segunda situação é
representada após a situação de chaveamento dos contatos auxiliares do relé de
positivo (64P), que muda as características do sistema de proteção, adicionando
a lâmpada de indicação.
O circuito da figura 32 representa a primeira situação, de transitório, antes
do acionamento dos contatos auxiliares. Para esta situação são apresentadas as
equações que levam ao valor da resistência de falta RF.
Figura 31: Transitório da proteção na ocorrência de positiva à terra
54
Figura 32: Circuito equivalente da proteção no instante de uma falta positiva
Vr + = Vrp + = V pick −up
(8)
Vr − = Vs.aux. − V pick − up
(9)
Vr +
1
IT =
(10)
1
1
+
Rr + R pr +
I RF = I T − I r − = I T −
Vr −
1
1
1
+
Rr − R pr −
55
(11)
Para o cálculo do valor da resistência equivalente de falta tem-se:
I T = I rF + I r − =
Vr −
+
RF
Vr −
1
⇒ RF =
1
1
+
Rr − R pr −
Vr −
Vr −
IT −
1
1
1
+
Rr − R pr −
(12)
Como terceira e última etapa do funcionamento do sistema de proteção e
sinalização do serviço auxiliar em corrente contínua, tem-se o fechamento dos
contatos auxiliares do relé de falta à terra positiva (64P). Neste instante os
terminais 7/8 e 4/5, normalmente fechados (NF), comutam, respectivamente, para
os terminais 6 e 3. Com isto são alimentados a lâmpada e o alarme de falta à
terra junto ao sistema de gerenciamento (SAGE), conforme visto na figura 33.
Figura 33: Sistema de proteção no instante estável da ocorrência de uma falta
positiva à terra
56
O circuito equivalente do instante após o transitório da atuação do relé de
falta positivo 64P pode ser visto na figura 34. Através deste circuito é possível
calcular a corrente de falta IF mínima que circulará sobre a resistência equivalente
de falta RF.
Figura 34: Circuito equivalente da proteção no instante de uma falta positiva
Para o cálculo da corrente de falta (IF), tem-se:
IT =
Vr + =
Rr + .R pr +
Rr + + R pr +
.I T =
Vs.aux.
1
1
+
1
1
1
1
1
+
+
+
Rr − R pr − R F  Rr + .R pr +  (R sl + Rl )


R +R 
+
+
r
pr


Rr + .R pr +
Rr + + R pr +
.
(13)
Vs.aux.
1
1
+
1
1
1
1
1
+
+
+
Rr − R pr − R F  Rr + .R pr +  (Rsl + Rl )


R +R 
pr + 
 r+
57
(14)
Vs.aux. = Vr + − Vr −
(15)
Então:
Vr − = Vs.aux. − Vr + = Vs.aux. −
Rr + .R pr +
Rr + + R pr +
.
Vs.aux.
1
1
+
1
1
1
1
1
+
+
+
Rr − R pr − RF  Rr + .R pr +  (Rsl + Rl )


R +R 
pr + 
 r+
(16)
Como a tensão na resistência de falta equivalente (RF) é igual à tensão do
relé de detecção de falta negativo em paralelo com o resistor RPr, tem-se:
V r − = V RF
(17)
Vr −
RF
(18)
I RF =
Através desta análise do sistema de proteção, é possível obter os valores
finais em cada relé de proteção e a própria corrente de falta que circulará do pólo
positivo até o pólo negativo através da malha de terra da subestação e dividir-se-á
entre a lâmpada e o relé de falta positivo.
5.3
COMPROVAÇÃO PRÁTICA
Dada a dificuldade em se ensaiar uma falta à terra em subestações, buscase, através de um teste de pick-up do relé de falta à terra positivo, medir os
valores de resistência de uma das proteções para a estimação dos valores das
correntes de falta (figura 35). O objetivo principal é descobrir que valor de corrente
58
está fluindo para a terra através da resistência de falta (RF), cujo valor comprova
que é possível a medição, e conseguinte detecção do circuito sob falta à terra,
através de um sistema não-invasivo por efeito Hall (Capítulo 6).
Os valores medidos no sistema de proteção são: resistência da bobina do
relé de falta positivo (Rr+), resistência em paralelo a este relé (Rrp+), tensão de
pick-up (Vpick-up) e tensão de drop-out (Vdrop-out).
Figura 35: Vista dos painéis de proteção e da conexão da fonte ao relé
Através do alicate amperímetro/multímetro da Minipa [14], mediram-se os
valores das resistências (Rr+) e (Rrp+) na escala de 20kΩ com erro máximo de ±
(1,0%+2D). Os resultados encontrados foram utilizados para medir as resistências
do relé de falta negativo e positivo e obtiveram-se os seguintes valores:
59
Rr + = Rr − = 4,47 kΩ
R pr + = R pr − = 4,33 kΩ
Com uma fonte de corrente contínua e um voltímetro (exatidão de: ±
0,5%+1Dígito), obteve-se o ensaio do valor da tensão de pick-up (Vpick-up) e a
tensão de drop-out (Vdrop-out) através do ajuste fino da fonte, sendo estas as
tensões de referência ao acionamento e ao desacionamento do relé,
respectivamente.
Vale ressaltar que a medição indireta (aquelas cujas equações utilizam os
valores medidos) desses valores é complicada devido à dificuldade do ensaio em
subestação, por causa do risco da propagação da atuação da proteção a outros
equipamentos.
Após a desconexão do relé do sistema de proteção, fez-se variar a tensão na
bobina até a atuação (pick-up) e abertura do relé (figura 36).
Figura 36: Conexão à bobina do relé
60
Para a conclusão sobre a resposta da bobina do relé à injeção de tensão,
foram efetuadas 3 medidas da tensão de pick-up (Vpick-up) e da tensão de drop-out
(Vdrop-out).
Tabela 5: Valores do ensaio de resposta do relé
Número do Ensaio
Vpick-up [V]
Vdrop-out [V]
1
83,3
12,8
2
83,4
13,2
3
83,1
13,3
Tomando-se as médias dos valores, obtêm-se como respostas do ensaio:
Vpick - up = 83,3 V
(19)
Vdrop - out = 13,1 V
(20)
Através destes valores e do conjunto de fórmulas, chegou-se ao valor da
resistência de falta (RF) após o período de transitório (≈ 60 ms). Este valor definirá
qual a resistência mínima de isolamento à terra do pólo positivo para a atuação da
proteção do serviço auxiliar. Portanto, têm-se:
Tensão sobre o relé 64P:
Vr + = Vrp + = V pick −up = 83,3 V
Tensão sobre o relé 64N:
61
Vr − = Vs.aux. − V pick −up = 132 − 83,3 = 48,7 V
(21)
Corrente total proveniente do serviço auxiliar:
Vr +
1
IT =
83,3
1
=
1
1
+
Rr + R pr +
= 37,9 mA
(22)
1
1
+
4470 4330
Corrente de falta à terra (IRF), no instante do acionamento do relé:
Vr −
1
I RF = I T − I r − = I T −
= 0,0379 −
48,7
1
= 15,8 mA
1
1
+
4470 4330
1
1
+
Rr − R pr −
(23)
Para o cálculo do valor da resistência equivalente de falta tem-se:
RF =
Vr −
48,7
=
= 3090 ,5 Ω
I RF 0,0158
(24)
Portanto, uma resistência de isolamento entre pólo negativo à terra menor
que 3090,5 Ω faz com que o sistema de proteção na subestação do Roçado em
Florianópolis – SE-FLO atue.
Dando continuidade aos objetivos desta prática, buscam-se os valores
mínimo e máximo da corrente de falta (IF) após o período de transitório, os quais
62
são os objetos que se procura para comprovação do funcionamento do sistema
de medição do circuito sob falta, através da garra de corrente por efeito Hall.
Para o cálculo do valor mínimo de atuação, considera-se a resistência
mínima equivalente de isolação para a atuação do relé como sendo RF=3090,5 Ω.
Nesta situação, são utilizados os valores medidos através do alicate
amperímetro/multímetro Minipa modelo ET-3200A, os valores da resistência série
com a lâmpada, Rsl=2820 Ω e a própria resistência da lâmpada, Rl=1360 Ω.
Esta parte do cálculo, referente à terceira etapa de funcionamento da
atuação da proteção, envolve o fechamento dos contatos normalmente abertos
(NA) do relé de proteção de falta positiva (64P), que adiciona uma resistência
série e uma resistência da própria lâmpada em paralelo com o relé 64P. Portanto,
modifica-se o circuito, conforme formulário tratado e tem-se nova faixa de valores
de corrente de falta (IF) que vai da resistência mínima de isolação equivalente até
um curto-circuito franco (3090,5 Ω>RF>0 Ω).
A corrente total nesta ocorrência demandada do serviço auxiliar é:
IT =
Vs.aux.
1
1
+
1
1
1
1
1
+
+
+
Rr − R pr − R F  Rr + .R pr +  (R sl + Rl )


R +R 
pr + 
 r+
Substituindo os valores, tem-se:
63
(25)
IT =
132
1
1
+
1
1
1
1
1
+
+
+
4470 4330 3090,5  4470.4330  2820 + 1360


 4470 + 4330 
= 48,6 mA
Então, a tensão sobre o relé 64P, que está em paralelo com o conjunto
lâmpada e em série com o resistor RL, é:
Vr + =
1
1
1
+
 Rr + .R pr +  Rsl + Rl


R +R 
pr + 
 r+
.I T = 0,0486.1437,4 = 69,8 V
(26)
E a tensão sobre o relé 64N é:
Vr − = Vs.aux. − Vr + = 132,0 − 69,8 = 62,2 V
(27)
Através destes valores, é possível perceber que o desbalanço das tensões
para este tipo de proteção retorna a valores de menor desequilíbrio, em torno de
5,76%.
∆Vdesbalanço = 66 − 62,2 = 66 − 69,8 = 3,8 V
66,2.100
= 94,24%
66
(29)
69,8.100
= 105,76%
66
(30)
∆V r − % =
∆V r + % =
(28)
64
Com este valor de tensão sobre o relé, este ainda se mantém acionado
devido ao fato do seu sinal de desacionamento, Vdrop-out , ser igual a 13,1 V. Para
uma confirmação do funcionamento da proteção é possível, através do botão de
rearme (BR), saber se a falta à terra ainda existe, caso o isolamento de pólo à
terra ainda seja menor que RF=3082,5 Ω.
Como a tensão na resistência de falta equivalente (RF) é igual à tensão do
relé de detecção de falta negativo em paralelo com o resistor RPr tem-se, para o
caso de máxima resistência de falta, RF=3082,5 Ω:
Vr − = VRF = 66,2 V
I RF =
VrF
RF
=
66,2
= 20,2 mA
3082,5
(31)
(32)
Para o cálculo do valor máximo da corrente de falta, considera-se a
resistência mínima de falta, RF=0Ω.
Vs.aux.
1
IT =
1
1
+
 Rr + .R pr +  Rsl + Rl


R +R 
pr + 
 r+
65
(33)
132
1
IT =
=
132
= 91,9 mA
1437,4
1
1
+
 4470.4330  2820 + 1360


 4470 + 4330 
Vr − = 0 V
Vr + = 132,0 V
Portanto, a máxima corrente de falta à terra, quando ocorre um curto franco
do pólo positivo à malha terra - a corrente total IT demandada do sistema de
serviço auxiliar em 132,0 V - passa integralmente pela resistência de falta à terra
RF e tem seu valor igual a 91,9mA.
I RF = I T = 91,9 mA
5.4
CONCLUSÃO PRÁTICA
Para valores de resistência de falta à terra equivalente variando de 0
Ω≤RF≤3082,5 Ω, tem-se a corrente de falta IF variando 91,9 mA≥IF≥20,2 mA.
Portanto, estes valores, medidos na prática, tornam a garra por efeito Hall,
com resolução de 10 mA, um instrumento possível de ser usado para medir esta
corrente de falta, sem a necessidade de interromper ou interferir no sistema de
serviço auxiliar da subestação, que deve ter um regime permanente em seu pleno
funcionamento.
66
CAPÍTULO 6
TÉCNICA DE DETECÇÃO NÃOINVASIVA
Como parte da pesquisa da detecção do ponto de falta à terra no sistema
de serviço auxiliar CC, esta etapa vem a ser um dos passos iniciais para se
descobrir aquele ponto. Para isso, busca-se descobrir o circuito com falta para
terra, através da técnica de medição da corrente de falta sem a necessidade de
desconexões e desligamentos.
6.1
DESCRIÇÃO DA TÉCNICA
Em avanço às técnicas já existentes apresentadas nos capítulos anteriores,
neste capítulo será descrito um método de medição da corrente de falta para
terra, através de uma garra de corrente por efeito Hall [15]. O objetivo dessa garra
é medir a corrente de desbalanço do circuito alimentado por um único disjuntor,
ou seja, abraçar de uma só vez os dois fios (positivo e negativo) que alimentam o
circuito.
O resultado dessa medição, que depende muito da sensibilidade da garra
bem como do voltímetro utilizado, será a diferença dessas duas correntes. Esse
67
desbalanço (diferença) traduz o valor de corrente que está fluindo para a terra
através da resistência de falta, conforme esquema da figura 37.
Figura 37: Medição da corrente de falta à terra por garra de corrente
Na figura 37 tem-se a garra 1 medindo 0 mA pois, para a garra 2, o valor
da corrente medida para o circuito “N” é a própria corrente de falta (IF). Assim, é
possível descobrir qual circuito está sob falta à terra, sem a necessidade de
interromper o funcionamento de qualquer um dos circuito de proteção. Esta
técnica ainda dispõe de mais duas vantagens além do não desligamento
mecânico do disjuntor:
A primeira e maior vantagem é a de que, após se descobrir qual circuito
está com a falta, pode-se saber ainda mais sobre o problema que causou esta
falta. Para isso, basta utilizar esta técnica de medição com a garra entre dois
pontos conhecidos do circuito. Assim, é possível descobrir a direção do ponto da
68
falta à terra. Um exemplo desta vantagem pode ser vista na figura 38, segundo a
qual, uma vez descoberto o circuito sob falta (garra 2), obtém-se, pela medição
efetuada pela garra 3, a informação de 0 mA naquele ponto, que se encontra
antes do equipamento alimentado pelo disjuntor.
Com isso, é possível concluir se o problema da falta está na fiação do
circuito ou no próprio equipamento, o que gera com maior rapidez e segurança a
completa informação sobre a parte de um determinado circuito na qual está
ocorrendo a falta.
Figura 38: Falta à terra pelo pólo positivo do equipamento
Para o caso de a falta se encontrar no equipamento, ter-se-ia os valores
medidos pelas garras 2 e 3, de iguais valores à própria corrente de falta IF (figura
38).
69
Uma segunda vantagem importante e que agrega um valor interessante é a
possibilidade de se detectar casos de múltiplas ocorrências de falta à terra de
modo mais eficiente, sem a necessidade de desligar todos os circuitos envolvidos
no serviço auxiliar.
Nenhum dos métodos anteriores indica a contribuição individual de cada
circuito para a falta. Isso significa que cada uma das faltas não francas à terra de
outros circuitos não é detectada e que, com esta nova técnica, é possível se
apontar a contribuição de cada circuito, individualmente, para a corrente de falta
IF.
6.2
ESTUDO DE CASO EM SUBESTAÇÃO DA ELETROSUL
A ocorrência da falta de negativo à terra na subestação do Roçado foi
sinalizada pelo Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia (SAGE) na manhã
do dia 25/05/2004. Este alarme de falta à terra - relé 64 - atua no desbalanço dos
isolamentos de cada um dos pólos em relação à terra. A princípio, este alarme
somente indica o pólo da falta, mas não indica em qual circuito se encontra a
baixa resistência à terra e, portanto, não há indicação do caminho por onde flui a
corrente de falta.
Seguindo um dos procedimentos de manutenção, mediu-se o percentual
desta falta (capítulo 3). Para isso, foram lidos os valores (às 15 horas) da tensão
entre o positivo e o terra (V+G=91,0 V) e a tensão entre o terra e o negativo (V G =25,0 V). Para um total de tensão entre positivo e negativo (V+-=116,0 V)
fornecido pelo conjunto retificador/banco de baterias, define-se, pelos valores
medidos, a situação de “funcionamento anormal” do sistema. Esse desbalanço de
70
tensão é de 57%, pois estas tensões, em estado normal, teriam que se aproximar
dos 58 V. Ou seja, o valor de tensão de cada um dos pólos balanceados em
relação à malha de terra tem que se encontrar cerca de 50% da tensão entre os
pólos positivo e negativo. Contudo, utilizando esse procedimento explicitado no
capítulo 3, o próximo passo de uma manutenção é descobrir o circuito que está
com baixa resistência do pólo negativo em questão através das técnicas
existentes. Neste estudo de caso será utilizado o novo método de medição
apresentado nesse capítulo, que é a medição com a garra de corrente.
6.2.1
MEDIÇÃO DA FALTA UTILIZANDO A GARRA DE CORRENTE
Para comprovação dessa nova técnica de medição de falta à terra nãoinvasiva, utilizou-se uma garra de corrente com efeito Hall modelo 1146A (figura
39) fabricado pela Agilent [16], a qual possui uma sensibilidade de 100 mV/1A e
resolução de 10 mA.
Figura 39: AC/DC Probe Current - modelo 1146A da Agilent
Na ocorrência da Subestação do Roçado (SE-FLORIANÓPOLIS) foram
medidos os desbalanços de corrente de todos os circuitos do serviço auxiliar,
71
obtendo-se os seguintes valores das próprias correntes de falta, na resolução de
10 mA, conforme figura 40:
Figura 40: Medições dos desbalanços de correntes dos 25 circuitos
Através destas medições pelo método da garra de corrente, é possível
encontrar os circuitos que possuem um desbalanço de corrente. Tais desbalanços
são apresentados na tabela 6.
72
Tabela 6: Valores de Corrente de falta nos circuitos da SE-FLO
Chave
Corrente
Chave
Corrente
CH1
30 mA
CH4
10 mA
CH2
10 mA
CH6
50 mA
CH3
10 mA
CH8
20 mA
Para a ocorrência em questão, foram encontrados 6 circuitos que possuem
falta para terra. Estes circuitos contribuem de modo parcial para geração de
alarme por TRIP. Por conveniência da Eletrosul, tratou-se do circuito alimentado
pela chave 6, cuja corrente de falta medida é a maior dentre as apontadas.
6.2.2
DESCRIÇÃO DA CAUSA DA FALTA À TERRA
A chave 6 é a responsável por alimentar os instrumentos de proteção
intrínseca do transformador 3 da SE-FLO, de características 138kV/69kV - 25
MVA. Os relés 63T/63C/63VS/63VSX/49/26 [5] também fazem parte da proteção.
A figura 41 mostra o transformador.
Seguindo o procedimento de manutenção do dia 26/05/2004, após
liberação do Pedido de Serviço (PESE), procedeu-se o desligamento do
transformador 3, em busca das causas que acarretam a falta à terra neste
circuito.
73
Figura 41: Transformador 3 da Subestação Florianópolis
Aberta a caixa de distribuição do trafo 3, localizada na parte posterior do
mesmo (figura 41), foi verificado que não havia sinal de mau contato ou falta para
terra. Seguindo o problema, foi verificada a caixa de passagem no topo do trafo
(figura 42) localizada próxima ao registrador de temperatura remota (RTD), visto
na figura 43.
74
Figura 42: Vista do topo do Transformador
Figura 43: Vista das Caixas de Passagem
Na abertura das tampas das caixas de passagem, foi possível localizar a
causa desta falta à terra. Os bornes terminais dos equipamentos de proteção do
transformador 3, localizados no interior dessas caixas, estavam imersos em água
pluvial, devido à rachadura da tampa de uma das caixas de passagem. Por serem
75
em número de três e terem vasos comunicantes interconectados via eletroduto,
todas as três caixas se encontravam com o mesmo nível de água.
Pelas figuras 44 e 45 é possível ter uma idéia do nível de água da chuva
que foi retirado da caixa nesta manutenção, visto pelas das marcas claras na
lateral.
Figura 44: Vista interior da caixa (detalhe marca do nível de água)
Figura 45: Vista interior da caixa (detalhe do eletroduto)
76
6.2.3
EFEITOS DA MANUTENÇÃO DA SITUAÇÃO DE CASO
Dado que 6 dos 25 circuitos contribuíam para a corrente de falta para terra,
tinha-se, para esta situação, um desbalanço das tensões na ordem de 57%.
Chegou-se a estes valores através das medições entre o positivo e o terra
(V+G=91,0 V) e entre o terra e o negativo (VG- =25,0 V). Este desbalanço leva em
consideração a tensão total entre os pólos positivo e negativo (V+-), igual a 116,0
V. Portanto, para um funcionamento normal, tem-se, V+G=VG-=58,0 V.
Depois de sanado o problema encontrado no circuito 6 (CH6), responsável
pela alimentação da proteção do transformador 3, foram medidos novamente os
valores das tensões de cada pólo à terra. Os novos valores das tensões,
V+G=64,0 V e VG-=52,0 V, levam a concluir que houve uma diminuição no
desbalanço das tensões, o qual, dos 57% encontrados durante a falta, caiu para
10% após a manutenção. Isto pode ser comprovado pelo fato de os novos valores
medidos estarem próximos aos 58,0 V.
77
CAPÍTULO 7
CONSIDERAÇÕES FINAIS E
OPORTUNIDADES FUTURAS
A constatação da importância que a energia elétrica tem hoje em nossa
sociedade exige, a cada dia, uma melhoria da qualidade dos trabalhos realizados
pelas equipes de manutenção, na busca para solucionar os problemas
encontrados nos equipamentos e instalações das subestações elétricas.
Dado que esta exigência pode ser traduzida principalmente pela
continuidade da transmissão da energia elétrica, o problema gerado pelas falhas
na alimentação das cargas essenciais vem contra a qualidade, exigindo-se assim
uma necessidade de estudo para esse tipo de ocorrência.
Diante disso, foram apresentados, os métodos utilizados atualmente para
proteger e localizar faltas no sistema de serviço auxiliar em corrente contínua
dentro das subestações.
Além disso, buscou-se, em função da necessidade de se desenvolver uma
sistemática para localização da falta, tratar sobre o desenvolvimento de uma nova
técnica de medição da corrente de falta à terra, cujo valor total indica o nível de
queda de isolamento do circuito.
Com isso, foi proposto um método para a detecção da corrente de falta,
utilizando um conjunto de equipamentos composto por uma garra de corrente por
78
efeito Hall e um voltímetro. Com esse conjunto, mediu-se o desbalanço de
corrente em cada um dos circuitos do serviço auxiliar, possibilitando a detecção
de falta individualmente.
Assim, para a concretização desse trabalho, foram apresentadas as
seguintes etapas:
•
Comprovação prática do ponto de atuação do relé de falta;
•
Levantamento das características de resistência e corrente de falta durante
a falha;
•
Viabilidade do monitoramento das correntes de falta através de sensores
de efeito Hall.
Estas etapas comprovam a viabilidade da detecção do circuito sob falta a
terra de modo não-invasivo, para um sistema isolado alimentado em corrente
contínua.
Em continuação a esta linha de pesquisa, seguem as seguintes propostas:
1. Padronizar um sistema de proteção e localização de faltas para o sistema
elétrico nacional;
2. Aperfeiçoar a técnica de detecção de falta a terra não-invasíva através da
medição usando garra de corrente de melhor resolução;
3. Avaliar as fontes de incertezas para o novo método não-invasivo de detecção
do circuito sob falta;
4. Viabilizar o monitoramento, em tempo real, das correntes de falta nos
principais circuitos, através de sensores de efeito Hall fixo ao circuito;
5. Desenvolver um estudo sobre a medição de baixas correntes de faltas através
da técnica não-invasiva, na condição de se adicionar uma corrente de off-set
79
externa, estável e conhecida, em paralelo ao condutor do mensurando,
aumentando-se assim a amplitude do sinal de corrente que passa pela garra.
Este método procura diminuir o erro de medição apresentado no inicio da
escala da garra de corrente por efeito Hall.
80
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