Proteção de Linhas Aéreas – Falhas e Dispositivos de Proteção
Falhas Comuns em Linhas Aéreas
As causas mais prevalentes de falhas em linhas aéreas incluem:
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Dispositivos de Proteção para Linhas Aéreas
A proteção por sobrecorrente gradativa no tempo é ineficaz para linhas de transmissão aéreas de alta tensão (AT). Isto é devido à presença de múltiplas fontes interconectadas de correntes de falha, que podem ser limitadas por limitadores de corrente de falha. Os requisitos principais para esquemas de proteção em linhas de transmissão aéreas de alta tensão são os seguintes:
Para atender a esses requisitos, os seguintes dispositivos de proteção são comumente usados em linhas aéreas de alta tensão:
A proteção diferencial é geralmente aplicada a linhas aéreas curtas, enquanto a proteção por distância é mais adequada para linhas aéreas longas. A classificação de linhas aéreas como curtas ou longas é baseada em uma comparação da indutância, resistência e capacitância da linha. Uma linha é considerada curta quando sua resistência e capacitância são negligenciáveis em comparação com sua indutância. Esta avaliação é frequentemente realizada usando o diagrama π da linha aérea.
Vários fatores influenciam a impedância da linha, sua resposta física a condições de curto-circuito e a corrente de carga da linha. Estes incluem o nível de tensão, a construção física da linha de transmissão, o tipo e tamanho dos condutores e o espaçamento entre os condutores. Além disso, o número de terminais da linha afeta o fluxo de correntes de carga e de falha, que o sistema de proteção deve levar em conta. Linhas paralelas também impactam o relé, pois o acoplamento mútuo pode afetar a corrente de terra medida pelos relés de proteção. A presença de transformadores com derivação ou dispositivos de compensação reativa, como bancos de capacitores série ou reatores em paralelo, influencia ainda mais a seleção do sistema de proteção e as configurações dos dispositivos de proteção. Portanto, um estudo detalhado da linha aérea é necessário para determinar os relés de proteção mais apropriados. Geralmente, uma linha com comprimento de até 80 - 100 km pode ser considerada curta, embora isso possa variar dependendo do nível de tensão e das características da rede.
Aproximadamente 90% das falhas em linhas aéreas são transitórias. As falhas podem ser categorizadas da seguinte forma:
Para tais falhas, pode ser necessário um desligamento monopolar, permitindo que a linha seja restaurada imediatamente após o desligamento dos disjuntores. Consequentemente, esquemas de desligamento monopolar e recolocação automática são comumente usados em disjuntores associados a linhas de transmissão aéreas (geralmente com tensão de 220 kV ou superior). Quando os disjuntores interrompem a corrente de falha, o arco de flashover é extinto, e o ar ionizado se dissipa. A recolocação automática geralmente é bem-sucedida após um atraso de apenas alguns ciclos. No entanto, quando trabalhos energizados estão sendo realizados, os dispositivos de recolocação automática nas linhas em trabalho devem ser configurados no modo sem recolocação. Os disjuntores usados nesses aplicativos precisam ser projetados especificamente para lidar com essas operações e ser imunes à inconsistência de pólos até que uma ordem de desligamento definitiva seja emitida.
Proteção Diferencial e Comparação de Fase
A proteção diferencial é baseada na lei de corrente de Kirchhoff. No contexto de uma linha de transmissão, funciona comparando a corrente que entra na linha em um terminal com a corrente que sai da linha no outro terminal. Relés diferenciais de linha em cada extremidade da linha de transmissão trocam dados sobre a corrente da linha através de um link de comunicação por fibra ótica. Este link é frequentemente estabelecido usando o cabo de alimentação óptica (OPGW), que também é usado para o design de proteção contra raios da linha aérea e contém cabos de fibra ótica em sua estrutura. A Figura 1 ilustra o diagrama do sistema de proteção diferencial.
Figura 1 – Diagrama de Proteção Diferencial de Linha Aérea
Outro sistema de relés de proteção para linhas de transmissão de alta tensão (AT), baseado no princípio de proteção diferencial e agora utilizado até mesmo para linhas de longa distância, é a proteção por comparação de fase.
Este sistema opera comparando o ângulo de fase entre as correntes nos dois extremos da linha protegida. Em caso de falhas externas, a corrente que entra na linha tem o mesmo ângulo de fase relativo à corrente que sai da linha. Como resultado, os relés de comparação de fase em cada terminal registram pouca ou nenhuma diferença de ângulo de fase. Consequentemente, o sistema de proteção permanece estável, e não ocorre o disparo. Por outro lado, durante uma falha interna, a corrente flui para a linha de ambos os lados, causando uma disparidade de ângulo de fase que os relés de comparação de fase podem detectar. Ao identificar essa diferença, os relés ativam para isolar e limpar a falha.
Nos esquemas de comparação de fase, os relés de partida desempenham um papel crucial. Esses relés iniciam o processo de comparação de fase assim que uma condição de falha é detectada. Seu design garante operação tanto para falhas internas quanto externas, fornecendo monitoramento abrangente.
Para o funcionamento eficaz da proteção por comparação de fase, um canal de comunicação confiável é indispensável. Nas aplicações modernas, cabos de fibra ótica integrados em cabos de alimentação óptica (OPGW) se tornaram a escolha preferida para estabelecer esse link de comunicação.
A Figura 2 mostra o diagrama de linha única do sistema de equilíbrio de tensão Merz Price, que é utilizado para a proteção de linhas trifásicas.
Proteção por Comparação de Fase e Proteção por Distância
Proteção por Comparação de Fase
Figura 2 – Diagrama de Proteção por Comparação de Fase
Na proteção por comparação de fase, transformadores de corrente (TC) idênticos são posicionados estratégicamente em cada fase, em ambas as extremidades da linha de transmissão. Cada par de TCs, um em cada extremidade da linha, é conectado em série com um relé. Em condições normais, sem falhas, as tensões secundárias geradas por esses TCs são iguais em magnitude, mas opostas em direção, equilibrando-se mutuamente.
Durante a operação saudável do sistema, a corrente que entra na linha em um extremo corresponde exatamente à corrente que sai no outro extremo. Como resultado, tensões iguais e opostas são induzidas nos secundários dos TCs nos dois terminais da linha. Este equilíbrio de tensão garante que nenhuma corrente flua através dos relés, mantendo a estabilidade do sistema de proteção.
No entanto, quando ocorre uma falha em um ponto, como F na linha, conforme ilustrado na Figura 2, a distribuição de corrente é interrompida. Especificamente, uma corrente significativamente maior fluirá através do TC1 em comparação com o TC2. Esta disparidade de corrente faz com que as tensões secundárias dos TCs se tornem desiguais. Consequentemente, é estabelecida uma corrente circulante, fluindo através dos fios piloto e dos relés. Em resposta a este fluxo de corrente, os disjuntores em ambas as extremidades da linha são acionados para abrir, isolando prontamente a linha com falha do restante do sistema de energia.
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Proteção por Distância
A proteção por distância depende de relés de distância, que medem a impedância de uma linha de transmissão analisando os sinais de tensão e corrente aplicados a eles. Quando ocorre uma falha em uma linha, duas mudanças significativas acontecem: a corrente aumenta para um nível muito mais alto, e a tensão cai precipitadamente.
Dado que a impedância de uma linha de transmissão é diretamente proporcional ao seu comprimento, os relés de distância são projetados para medir a impedância até um ponto pré-determinado conhecido como "ponto de alcance." Esses relés, muitas vezes referidos como relés de impedância, calculam a impedância usando a lei de Ohm, expressa pela fórmula Z = U/I, onde Z representa a impedância, U é a tensão e I é a corrente.
Os relés de distância são projetados para operar exclusivamente para falhas que ocorrem entre a localização do relé e o ponto de alcance selecionado. Essa característica permite que eles distingam efetivamente as falhas em diferentes seções da linha. A impedância aparente calculada pelo relé é então comparada com a impedância do ponto de alcance pré-configurado. Se a impedância medida for menor que a impedância do ponto de alcance, conclui-se que existe uma falha na linha entre o relé e o ponto de alcance. Quando a impedância calculada cai dentro do alcance de configuração do relé, o relé é acionado, iniciando a ação protetora.
Para garantir uma proteção abrangente, os sistemas de proteção por distância são instalados em ambas as extremidades da linha de transmissão, e um link de comunicação é estabelecido entre esses pontos finais, conforme ilustrado na Figura 3. Esta comunicação permite a operação coordenada dos relés em cada extremidade, aumentando a eficácia geral do esquema de proteção.
Desempenho e Características dos Relés de Distância
Figura 3 – Diagrama de Proteção por Distância de Linha Aérea
O desempenho dos relés de distância é avaliado principalmente com base em dois parâmetros-chave: precisão do alcance e tempo de operação.
Precisão do Alcance
A precisão do alcance envolve a comparação do alcance ohmico real de um relé de distância em condições práticas do mundo real com seu valor ohmico pré-configurado. Este métrico é significativamente influenciado pelo nível de tensão aplicado ao relé durante condições de falha. Uma tensão mais baixa ou distorcida pode levar a imprecisões na impedância medida, afetando a capacidade do relé de identificar corretamente a localização de uma falha dentro de seu alcance designado. Além disso, as técnicas de medição de impedância utilizadas em designs específicos de relés desempenham um papel crucial. Diferentes algoritmos e configurações de hardware podem resultar em níveis variados de precisão, impactando a precisão geral do alcance do relé.
Tempo de Operação
O tempo de operação de um relé de distância é uma quantidade variável que depende de vários fatores. A magnitude da corrente de falha tem um efeito direto; correntes de falha mais altas às vezes podem causar uma operação mais rápida, enquanto correntes menores podem resultar em tempos de resposta mais longos. A posição da falha em relação à configuração do relé também é importante. Falhas mais próximas da fonte ou dentro de certa proximidade do relé podem acionar uma resposta mais rápida em comparação com aquelas mais distantes. Além disso, o ponto na onda de tensão em que a falha ocorre pode introduzir variabilidade no tempo de operação.
Certos erros transitórios de sinal de medição, associados às técnicas de medição específicas empregadas no design de um relé, podem complicar ainda mais a situação. Por exemplo, erros gerados por Transformadores de Capacitância de Tensão (CVT) ou Transformadores de Corrente Saturáveis (TC) podem atrasar significativamente a operação do relé, especialmente para falhas ocorrendo perto do ponto de alcance. Esses erros transitórios podem distorcer os sinais de tensão e corrente, levando a uma interpretação incorreta da impedância e, consequentemente, a um atraso na ativação do relé.
Características dos Relés de Distância
As características dos relés de distância, muitas vezes referidas como a forma de proteção, são representadas graficamente como uma função da resistência (R) e impedância (X) da linha em um diagrama R/X ou de admitância. Duas das formas mais típicas são a circular (característica mho) e a quadrilateral. Essas formas de característica são ilustradas nas Figuras 10 e 11, respectivamente. Cada forma tem suas próprias vantagens e é projetada para otimizar o desempenho do relé sob diferentes condições do sistema elétrico, fornecendo um meio confiável de distinguir entre condições de operação normais e falhas reais dentro da seção da linha protegida.
Figura 4 – Característica Mho
Características, Configurações de Alcance e Recolocação dos Relés de Distância
Figura 5 – Característica Quadrilateral
O elemento de impedância mho recebe seu nome devido à sua aparência característica em um diagrama de admitância, onde se manifesta como uma linha reta. No entanto, as características de impedância poligonais, como a forma quadrilateral, ganharam grande popularidade. Essas características oferecem flexibilidade notável para cobrir impedâncias de falhas tanto de fase quanto de terra. Essa adaptabilidade as tornou a escolha preferida para a maioria dos relés de distância modernos.
Os relés de distância podem ser configurados com até cinco zonas distintas, algumas das quais são ajustadas para medir a impedância na direção inversa. Essas zonas de medição reversa servem como proteção de backup para barras de distribuição. Cada zona está associada a um tempo específico de atuação do relé, permitindo uma resposta matizada e coordenada a falhas ocorrendo em diferentes locais dentro da rede elétrica protegida.
Quando os relés de distância são instalados em ambas as extremidades de uma linha de transmissão, seus tempos de resposta a uma falha variam dependendo da distância do ponto de falha (F) de cada extremidade da linha. Por exemplo, considere uma linha aérea conectando as Subestações A e B. O relé de distância situado na subestação mais próxima ao ponto de falha F detectará a falha primeiro, e o disjuntor correspondente será acionado antes do disjuntor na outra subestação.
Para evitar que uma falha de curto-circuito continue recebendo energia do extremo oposto da linha até que a proteção de distância relevante seja acionada, um link de comunicação entre os relés de proteção é essencial. Geralmente, esta comunicação é estabelecida via cabos de fibra ótica integrados em cabos de alimentação óptica (OPGW). Esta configuração permite o disparo simultâneo de ambos os disjuntores, garantindo a isolamento rápido e eficaz da seção com falha.
É impraticável programar um relé de impedância para medir precisamente a impedância da linha até o disjuntor no extremo remoto. Isso se deve a erros e imprecisões inerentes em componentes como transformadores de corrente (TCs), transformadores de tensão (VTs), os próprios relés, bem como nos cálculos da impedância da linha. Para contabilizar essas incertezas, o alcance do relé é ajustado para medir um valor de impedância inferior à impedância total correspondente ao comprimento total da linha. Por exemplo, definir a Zona 1 para cobrir até 85% da impedância da linha é uma prática comum e segura. Os 15-20% restantes servem como margem de segurança, efetivamente prevenindo a superproteção da Zona 1 devido a erros de medição e imprecisões. Sem essa margem, haveria o risco de perder a capacidade de discriminar falhas em seções de linha adjacentes, especialmente em esquemas de proteção de ação rápida.
A calibração cuidadosa das configurações de alcance e tempos de disparo para cada zona de medição é crucial para alcançar a coordenação adequada entre os relés de distância em todo o sistema de energia. Este ajuste meticuloso garante que as falhas sejam limpas na sequência correta, minimizando interrupções e mantendo a estabilidade da rede elétrica.
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Recolocação
Como discutido na Seção 4.2, a maioria das falhas em linhas aéreas é assimétrica e transitória. A recolocação automática, uma funcionalidade crítica em sistemas de energia, é executada por um relé de recolocação automática. Este relé é acionado pelos dispositivos de proteção da linha aérea, conforme ilustrado na Figura 6.
Recolocação Automática em Sistemas de Energia
Figura 6 – Relé de Recolocação Automática
A decisão de recolocar uma linha elétrica é influenciada por numerosos fatores. A entrada e orientação de equipes de planejamento e operação são essenciais para determinar as práticas de recolocação mais adequadas, adaptadas às necessidades específicas de uma empresa de utilidade pública e sua região. Considerações-chave para a recolocação em nível de transmissão incluem:
Principais Considerações
