444 4. RELÉS BÁSICOS 4.1 INTRODUÇÃO A crescente expansão e complexidade dos modernos sistemas elétricos caracterizam através de requisitos cada vez maiores de continuidade e qualidade no fornecimento da energia elétrica, a necessidade de um contínuo desenvolvimento da Engenharia de proteção. Visando atingir maiores níveis de desempenho, a Engenharia de proteção, através de seu segmento Tecnoogia de relés, tem-se voltado à pesquisa objetivando o aprimoramento de quatro parâmetros básicos a saber: a) Confiabilidade A utilização de peças e componentes com taxas de falhas cada vez menores, visando a elevação do nível final de confiabilidade do dispositivo de proteção. b) Sensibilidade O projeto de circuitos sensíveis aos diversos tipos de defeitos a que estão sujeitos os sistemas elétricos. c) Seletividade A previsão de meios que permitam manter a seletividade com outros dispositivos de proteção, visando apenas o desligamento da seção do sistema afetado. d) Velocidade O projeto de circuitos cada vez mais velozes visando a elevação da confiabilidade do sistema elétrico como um todo, preservando o tempo máximo de suportabilidade dos equipamentos protegidos, bem como evitando submeter o sistema elétrico a condições adversas por longo tempo. Com o advento da tecnologia dos microprocessadores, atualmente as empresas estão integrando os sistemas de proteção, medição, supervisão, controle e sinalização em um único equipamento. 4.2 GERAÇÕES DE RELÉS Os sistemas de proteção podem ser distinguidos por duas gerações de relés a saber: a) Relés Eletromecânicos • Indução • Disco de Indução As figuras 4.1a e 4.1b, mostram o relé IAC 51 da GE Figura 4.1 – Rel é eletromecânico, IAC 51 da GE, a) parte da frente e b) parte de trás
445 b) Relés Estáticos • Eletrônicos • Digitais • Microprocessados As figuras 4.2a e 4.2b, mostram o relé IAC 51 da GE Figura 4.2 – Rel és microprocessados, a) fabricante Areva e b) fabricante Siemens 4.3 CARACTERÍSTICAS GERAIS DOS RELÉS 4.3.1 DEFINIÇÃO De acordo com a ABNT, Relé é um dispositivo por meio do qual um equipamento elétrico é operado quando se produzem variações nas condições deste equipamento ou do circuito em que ele está ligado, ou em outro equipamento associado. Pode-se definir também relé como sendo um equipamento elétrico que supervisiona uma grandeza do sistema elétrico e atua quando essa grandeza ultrapassa um valor préestabelecido. A atuação geralmente é feita enviando ordem de abertura para um disjuntor. 4.3.2 OPERAÇÃO DO RELÉ A operação do rel é pode ser caracterizada nas 4 (quatro) fases que se seguem: a) Alimentação: As grandezas sensoras sob forma de corrente, tensão, etc, são aplicadas ao relé. b) Atuação: As grandezas sensoras superam condições pré-estabelecidas pelos ajustes dos rel és. c) Disparo: O relé através de um comando de saída, envia ordem de abertura ao(s) disjuntor(es) visando isolar a parte defeituosa do sistema. d) Indicação: O relé através de identificação local (bandeirola, led' s, etc) e/ou remota ( anunciadores, oscilógrafos, sirenes, etc ) caracteriza a atuação.
446 4.3.3 CLASSIFICAÇÃO DOS RELÉS Os relés são caracterizados através das seguintes classificações: a) Grandezas Físicas de Atuação Ex. Elétricas, Mecânicas, Térmicas b) Natureza Física das Grandezas Ex. Corrente, Tensão, Potência, Temperatura, Frequência. c) Construção Ex. Eletromecânicos, Estáticos d) Função Ex. Sobrecorrente, Sobretensão, Diferencial , Distância, Sobrefrequência. e) Alimentação do circuito de comando e controle Ex. Tensão alternada, Tensão contínua. f) Importância do Circuito Ex. Principal e auxiliar. g) Conexão ao circuito Ex. Primário (ligado diretamente ao circuito) e Secundário (l igado através de TC e/ou TP) h) Característica dos contatos Ex. Contatos Normalmente Abertos e Contatos Normalmente Fechados i) Temporização Ex.: Instantâneos – sem retardo de tempo Temporizados – com retardo de tempo Tempo definido Tempo inverso • Curva normal inversa • Curva muito inversa • Curva extremamente inversa 4.3.4 CODIFICAÇÃO DOS RELÉS Os relés são codificados através de números de acordo com a norma ANSI. A seguir são relacionados os códigos dos principais relés/disjuntores. 21 - Relé de Distância; 25 - Relé de Sincronismo; 26 - Relé de temperatura do óleo; 27 - Relé de Subtensão; 30 - Relé Anunciador; 32 - Relé Direcional de Potência; 49 - Relé Térmico para Proteção de Máquinas e Transformadores; 50 - Relé de Sobrecorrente Instantâneo (50 = fase, 50N = neutro); 51 - Relé de Sobrecorrente Temporizado (51 = fase, 51N = neutro); 52 – Disjuntor; 59 - Relé de Sobretensão;
447 63 - Relé de Pressão (gás); 64 - Relé de Proteção à terra; 67 - Relé de Sobrecorrente Direcional (67 = fase, 67N = neutro); 71 - Válvula de alivio de pressão; 72 - Disjuntor de Corrente Contínua; 79 - Relé de Religamento; 81 - Relé de Freqüência; 86 - Relé de Bloqueio; 87 - Relé Diferencial; 90 - Relé de regulação de tensão. 4.3.5 CARACTERÍSTICAS DE OPERAÇÃO DO RELÉ a) Valor de Pick-up ou Acionamento ou Atuação Valor da grandeza de atuação, a partir do qual o relé opera, ou seja, seus contatos mudam de estado. b) Valor de Drop-out ou Desacionamento Valor da grandeza de atuação, a partir do qual o relé desopera, ou seja, seus contatos voltam a posição original. c) Relação Drop-out/Pick-up (recomposição) Relação entre os valores das grandezas de acionamento para os quais o relé desopera/opera. Ex. Ipick-up = 10 e Idrop-out = 9, logo Rd/p = 0,9 4.4 RELÉ ELEMENTAR 4.4.1 PRINCÍPIO DE FUNCIONAMENTO Figura 4.4 - Relé elementar Na figura 4.4, o núcleo é percorrido por um fluxo proporcional à corrente do circuito que circula na bobina do relé, e isso faz com que seja possível que o contato móvel feche um circuito
448 operativo auxiliar alimentando um alarme(lâmpada) e/ou o disparador do disjuntor colocado no circuito principal, sempre que Fe > Fm. Por motivo de projeto, o valor "I" deve ser limitado, e assim, sempre que excede um valor prefixado Ip (corrente de pick-up ou atuação), o circuito deve ser interrompido, por exemplo, pelo envio de um impulso de operação Iop, à bobina do disparador do disjuntor, ou pelo menos, ser assinalado aquela ultrapassagem por um alarme ( lâmpada ou buzina). Para o relé atuar é preciso haver uma força residual: Fr = (Fe – Fm) > 0 eq. 4.1 Onde: Fr = Força residual Fe = Força elétrica Fm = Força mecânica(mola) De acordo com exposto podemos concluir que no relé temos a presença de: a) Elemento Sensor ou Deteto As vezes chamado de elemento de medida que responde às variações da grandeza atuante (I). b) Elemento Comparador Que faz a comparação entre a grandeza atuante (Fe) e um valor pré-determinado (Fm). c) Elemento de Controle Que efetua uma brusca mudança na grandeza de controle, por exemplo, fecha os contatos do circuito da bobina de disparo do disjuntor. 4.4.2 QUALIDADES REQUERIDAS DE UM RELÉ Para cumprir suas final idades, os relés devem: a) Ser tão simples (confiabilidade) e robustos (efeitos dinâmicos da corrente de defeito) o quanto possível; b) Ser tão rápidos (razões de estabilidade do sistema) o quanto possível, independentemente do valor, natureza e localização do defeito; c) Ter baixo consumo próprio (especificação de TC e TP); d) Ter alta sensibilidade e poder de discriminação (a corrente de defeito pode ser inferior à nominal e a tensão quase anular-se); e) Realizar contatos firmes (evitando centelhamento e ricochetes que conduzem a desgastes prematuro); f) Manter sua regulagem, independentemente da temperatura exterior, variações de freqüência, vibrações, campos externos, etc; g) Ter baixo custo.
449 4.5 RELÉ DE INDUÇÃO A DISCO São relés que operam com retardo de tempo, consiste de um disco condutor (alumínio), que se movimenta por indução dentro do entreferro de um núcleo magnético excitado pela corrente que circula na bobina do relé, existe um contato móvel para disparo do disjuntor associado. A figura 4.5, mostra o esquema de ligação do relé de indução a disco, a grandeza de alimentação pode ser uma corrente e/ou uma tensão. Figura 4.5 - Relé de indução a disco O relé atua de acordo com a característica Tempo x Corrente da figura 4.6 a seguir: Figura 4.6 - Curva tempo x corrente do rel é A equação 4.2, nos dar a equação do torque(conjugado) de todos os tipos de relés que funcionam pelo princípio de indução a disco, é por isso que ela é conhecida como equação universal do relé.
450 T = K1.I2 + K2.V2 + K3.V.I cos (θ – α) – K4 eq. 4.2 Onde: T = torque(conjugado) do disco; K1, K2, K3 = constantes de proporcionalidade; K4 = conjugado antagonista (mola); θ = ângulo entre os fluxos criados pela tensão e pela corrente; α = ângulo de conjugado máximo do relé. EXEMPLOS a) Para o relé de corrente a equação do torque (conjugado) será: T = K1.I2 – K4, a grandeza de operação é a corrente e a de restrição é a mola. b) Para o relé de tensão a equação do torque (conjugado) será: T = K1.V2 – K4, a grandeza de operação é a tensão e a de restrição é a mola. 4.7 RELÉ DE SOBRECORRENTE( 50/50N e 51/51N) 4.7.1 DEFINIÇÃO É o relé cuja grandeza sensora é a corrente e atua quando essa corrente é superior ao seu valor de ajuste. 4.7.2 FORMA DE ATUAÇÃO Quando a corrente medida pel o relé de sobrecorrente for superior ao seu ajuste ele atua fechando os seus contatos, que energiza o circuito de comando e controle, que energiza a bobina de abertura do disjuntor que abre o circuito, isolando o trecho defeituoso. 4.7.3 TEMPO DE ATUAÇÃO a) Instantâneo – sem retardo de tempo (50/50N) b) Temporizado – com retardo de tempo (51/51N) Tempo definido Tempo inverso • Curva normal inversa • Curva muito inversa • Curva extremamente inversa 4.7.5 PRINCIPAIS APLICAÇÕES Proteção de Linhas de Transmissão/Distribuição Proteção de Transformadores Proteção de Geradores Proteção de Motores Proteção de bancos de capacitores Proteção de reatores
451 4.7.6 DIAGRAMA UNIFILAR DE LIGAÇÃO DOS RELÉS 4.7.6 FATORES QUE DEVEMOS CONSIDERAR PARA OS RELÉS DE SOBRECORRENTE Na escolha do relé de sobrecorrente devemos considerar: a) Carga (burden) do Relé (VA, cosϕ ) imposta ao TC; b) Suportabilidade da bobina do relé. • Em regime permanente, deve ser dimensionada, em no mínimo, 2 x In. • Em regime transitório, val e a equação: I 2 . t = Constante eq. 4.3 EXEMPLO A corrente de curta duração(para 1s) suportável por um relé é 400 A. Sabendo-se que a corrente de curto-circuito máxima no ponto de instalação do relé é 150 A e que o tempo de interrupção do disjuntor é 0,2 s. Pede-se calcular o tempo máximo permitido para atuação do relé. 4.8. RELÉ DE TENSÃO 4.8.1 TIPOS • Sobretensão(59); • Subtensão(27). 4.8.2 DEFINIÇÃO Relé de Sobretensão: É um relé cuja grandeza sensora é tensão e atua quando essa tensão é superior ao seu valor de ajuste.
452 Relé de Subtensão: É um relé cuja grandeza sensora é tensão e atua quando essa tensão é inferior ao seu valor de ajuste. 4.8.3 FORMA DE ATUAÇÃO Quando a tensão medida pelo relé de sobretensão ou subtensão for superior ou inferior ao seu ajuste ele atua fechando os seus contatos, que energiza o circuito de comando e controle, que energiza a bobina de abertura do disjuntor que abre o circuito. 4.8.4 TEMPO DE ATUAÇÃO a) Instantâneo b) Temporizado Tempo definido Tempo inverso 4.8.5 PRINCIPAIS APLICAÇÃO Proteção de Barramentos(59 e 27) Proteção de Geradores(59) Proteção de Motores(59 e 27) Proteção de bancos de capacitores(59 e 27) 4.8.6 DIAGRAMA UNIFILAR DE LIGAÇÃO DOS RELÉS Figura 4.8 - Diagrama Unifilar de ligação dos rel és de sobretensão e subtensão 4.9 RELÉ DE SOBRECORRENTE DIRECIONAL(67/67N) 4.9.1 DEFINIÇÃO É o relé que supervisiona o módulo e o sentido da corrente e atua quando a corrente ultrapassa um valor pré-estabelecido(ajuste) e seu sentido coincide com o sentido ajustado para atuação. 4.9.2 FORMA DE ATUAÇÃO Quando a corrente medida pelo relé de sobrecorrente direcional for superior ao seu ajuste e o seu sentido coincidir com o sentido de atuação ele atua fechando os seus contatos, que energiza o circuito de comando e controle, que energiza a bobina de abertura do disjuntor que abre o circuito, isolando o trecho defeituoso.
453 4.9.3 TEMPO DE ATUAÇÃO a) Instantâneo – sem retardo de tempo. b) Temporizado – com retardo de tempo Tempo definido Tempo inverso o Curva normal inversa o Curva muito inversa o Curva extremamente inversa 4.9.5 PRINCIPAIS APLICAÇÃO Proteção de Linhas de Transmissão 4.9.6 DIAGRAMA UNIFILAR DE LIGAÇÃO DOS RELÉS Figura 4.9 – Diagrama unifilar de ligação dos relés de sobrecorrentes direcionais 4.10 RELÉ DE DIFERENCIAL(87) 4.10.1 DEFINIÇÃO É o rel é cuja grandeza sensora é a diferença das correntes de entrada e saída de um equipamento e atua quando essa diferença ultrapassa um valor pré-estabelecido(seu ajuste). 4.10.2 FORMA DE ATUAÇÃO O relé de diferencial atua fechando os seus contatos que energiza o circuito de comando e controle, que energiza as bobinas de abertura dos disjuntor(es), instalados na entrada e na saída do equipamento, que abre o circuito, eliminando o defeito e isolando o equipamento defeituoso. O relé também atua ativando o relé de bloqueio (86), que só permite a reenergização do equipamento após o seu desbloqueio, isto obriga a realização de uma inspeção minuciosa no equipamento. O relé de bloqueio tem como função bloquear os comandos elétricos dos disjuntores.
454 4.10.3 TEMPO DE ATUAÇÃO a) Instantâneo – sem retardo de tempo. 4.10.5 PRINCIPAIS APLICAÇÃO Proteção de Transformadores Proteção de Motores Proteção de Geradores Proteção de linhas - curtas 4.10.6 DIAGRAMA UNIFILAR DE LIGAÇÃO DO RELÉ Figura 4.10 – Diagrama unifilar de ligação do relé diferencial IE = Corrente de entrada IES = Corrente de entrada no secundário IS = Corrente de saída ISS = Corrente de saída no secundário IR = Corrente no relé 4.11. RELÉ DE DISTÂNCIA(21) 4.11.1 TIPOS Impedância; Reatância; Admitância; Quadrilátero (Paralelogramo). 4.11.2 DEFINIÇÃO Ë um relé cuja grandeza supervisionada é a relação entre a tensão e a corrente, impedância, no ponto onde o relé está instalado, o relé atua quando a impedância fica dentro da característica do relé (plano X-R).
455 4.11.3 FORMA DE ATUAÇÃO Quando a impedância medida pelo relé de distância fica dentro da sua característica ele atua fechando os seus contatos, que energiza o circuito de comando e controle, que energiza a bobina de abertura do disjuntor que abre o circuito, isolando o trecho defeituoso. 4.11.4 TEMPO DE ATUAÇÃO a) Instantâneo – sem retardo de tempo. b) Temporizado – com retardo de tempo. Tempo definido 4.11.5 PRINCIPAIS APLICAÇÃO Proteção de linhas de transmissão 4.11.6 DIAGRAMA UNIFILAR DE LIGAÇÃO DOS RELÉS Figura 4.11 - Diagrama Unifilar de l igação dos rel és de distância 4.11.7 CARACTERÍSTICAS DOS RELÉS DE DISTÂNCIA a) Relé tipo Admitância Figura 4.12 – Característica do rel é de distância – tipo admitância Se a impedância medida pelo relé for Z1= R1 + jX1, ele deve atuar, pois a mesma está dentro do circulo; Se for Z2 = R2 + jX2, o relé não deve atuar, pois a impedância está fora do circulo.
456 b) Relé tipo paralelogramo Figura 4.13 – Característica do relé de distância – tipo paralelogramo Se a impedância medida pelo relé for Z1= R1 + jX1, ele deve atuar, pois a mesma está dentro do circulo; Se for Z2 = R2 + jX2, o relé não deve atuar, pois a impedância está fora do circulo. 4.12. EXERCÍCIOS a) Descreva relé diferencial, ressaltando definição, forma de atuação, tempo de atuação e principais aplicações. b) Descreva relé de sobrecorrente, ressaltando definição, forma de atuação, tempo de atuação e principais aplicações. c) Descreva relé de tensâo, ressaltando tipo, definição, forma de atuação, tempo de atuação e principais aplicações. d) Descreva relé de sobrecorrente direcional, ressaltando definição, forma de atuação, tempo de atuação e principais aplicações. e) Descreva relé distância, ressaltando definição, forma de atuação, tempo de atuação, tipos e principais aplicações. f) Desenhe o esquema de ligação – diagrama unifilar, use os códigos para representar os relés: ✘relé de sobrecorrente; ✘relé de tensão; ✘relé diferencial; ✘relé de sobrecorrente direcional; ✘relé de distância.
457 g) Quais os elementos presentes em um relé? h) Desenhe as características dos relés de distância tipo admitância e tipo paralelogramo, mostrando as regiões de atuação e não atuação do relé. i) Como são classificados os relés quanto: ✘função; ✘temporização; ✘Conexão ao circuito; ✘Grandeza física de atuação; ✘Natureza física da grandeza;. ✘Características dos contatos; ✘Construção. j) Quais as qualidades de um relé para que ele desempenhe bem sua função? k) Defina relé. l) Para fazer a proteção contra curto-circuito, em quais componentes de um sistema elétrico podemos aplicar : Relé de sobrecorrente; Relé de distância. m) Quais as fases que caracterizam a operação de um relé? n) Qual a função do relé e do disjuntor em um sistema elétrico? o) O que você entende por: Valor de pick-up (acionamento ou atuação) de um relé; Valor de ajuste de um relé; Valor de disparo de um relé; Valor de drop-out (desacionamento ou desoperação) de um relé. p) Explique o princípio de funcionamento do relé elementar. q) Quais as qualidades requeridas de um relé para o mesmo cumprir suas finalidades? r) Que fatores devemos considerar para os relés de sobrecorrente?
458 4.13. BIBLIOGRAFIA 1) Lopes, José Aderaldo, PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS, (IFPE) INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNOLOGIA DE PERNAMBUCO– (DASE) DEPARTAMENTO ACADÊMICO DE SISTEMAS, PROCESSOS E CONTROLES ELETROELETRÔNICOS – (CELT) COORDENADORIA DE ELETROTÉCNICA, Recife, março de 2009 - a) Filho, Solon de Medeiros, Medição de Energia Elétrica, Editora Guanabara Koogan S/A, 2ª Edição, setembro/1980; b) Norma técnica, Transformador de Corrente - Especificação, NBR 6856, abril / 1992, Associação Brasil eira de Normas Técnicas – ABNT, b) Norma técnica, Transformadores de Potencial Indutivo - Especificação, NBR 6855, abril/ 1992, Associação Brasil eira de Normas Técnicas – ABNT a) Apresentação da Siemens, Disjuntores de Alta Tensão; b) Norma técnica, Disjuntores de Al ta Tensão - Especificação, NBR IEC 62271 - 100, jan/2007, Associação Brasil eira de Normas Técnicas – ABNT; a) Santos Marcelo, Apresentação da CELPE, Religadores; b) Norma técnica, Religadores Automáticos - Especificação, NBR 8177, 1983, Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT; c) Apostila da CELPE sobre religadores; d) Catálogo sobre religadores da COOPER. b) Apostila da CELPE sobre seccionalizadores; c) Catálogo de seccionalizador da ABB; d) Catálogo de seccionalizador da COOPER. a) Santos Marcelo, Apresentação da CELPE, chave fusíveis; b) Apostila da CELPE sobre chave e elo fusível ; c) Apostila da COELBA sobre chave e elo fusível; d) Norma técnica, chave fusível de distribuição – Padronização, NBR 8124, Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT; e) Norma técnica, chave fusível de distribuição - Especificação, NBR 8668, Associação Brasil eira de Normas Técnicas – ABNT; f) Norma técnica, elos fusíveis de distribuição – Especificação, NBR 5359, Associação Brasil eira de Normas Técnicas – ABNT
Anotações
www.grautecnico.com.br | /grautecnico Abreu e Lima: 3542.2444 | Boa Vista I, II e III: 3037.3939 | Cabo: 3521.9000 Camaragibe: 3456.0029 | Caruaru: 3721.9050 | Dantas Barreto: 3125.4848 Olinda: 3495.4333 | Petrolina: 3031.9090 | Piedade: 3094.2233 Mat_Didatico Modulo RH CP e Cont_CP A4.indd 4 01/04/2013 10:51:23