Relé Diferencial
Os relés utilizados na proteção de sistemas de energia são de diferentes tipos. Entre eles, o relé diferencial é muito comumente usado para proteger transformadores e geradores de falhas localizadas.
Relés diferenciais são muito sensíveis às falhas ocorridas dentro da zona de proteção, mas são menos sensíveis às falhas que ocorrem fora da zona protegida. A maioria dos relés opera quando alguma quantidade excede um valor predeterminado, por exemplo, o relé de sobrecorrente opera quando a corrente através dele excede o valor predeterminado. Mas o princípio do relé diferencial é um pouco diferente. Ele opera dependendo da diferença entre duas ou mais quantidades elétricas semelhantes.
Definição de Relé Diferencial
O relé diferencial é aquele que opera quando há uma diferença entre duas ou mais quantidades elétricas semelhantes que excede um valor predeterminado. No esquema de circuito do relé diferencial, existem duas correntes provenientes de duas partes de um circuito de energia elétrica. Essas duas correntes se encontram em um ponto de junção onde está conectada uma bobina do relé. De acordo com a Lei de Correntes de Kirchhoff, a corrente resultante fluindo pela bobina do relé nada mais é do que a soma das duas correntes, vindas de duas partes diferentes do circuito de energia elétrica. Se a polaridade e a amplitude de ambas as correntes forem ajustadas de tal forma que a soma fasorial dessas duas correntes seja zero nas condições normais de operação, não haverá corrente fluindo pela bobina do relé nessas condições. Mas, devido a qualquer anormalidade no circuito de energia, se esse equilíbrio for quebrado, isso significa que a soma fasorial dessas duas correntes não será mais zero e haverá uma corrente não nula fluindo pela bobina do relé, fazendo com que o relé opere.
No esquema de corrente diferencial, existem dois conjuntos de transformadores de corrente, cada um conectado a um lado do equipamento protegido pelo relé diferencial. As razões dos transformadores de corrente são escolhidas de tal forma que as correntes secundárias de ambos os transformadores de corrente correspondam em magnitude.
As polaridades dos transformadores de corrente são tais que as correntes secundárias desses TCs se opõem. Do circuito, fica claro que apenas se for criada qualquer diferença não nula entre essas correntes secundárias, então essa corrente diferencial fluirá pela bobina de operação do relé. Se essa diferença for maior que o valor de pico do relé, ele operará para abrir os disjuntores a fim de isolar o equipamento protegido do sistema. O elemento de relé utilizado no relé diferencial é do tipo atrator de armadura instantâneo, pois o esquema diferencial é adaptado apenas para limpar a falha dentro do equipamento protegido, ou seja, o relé diferencial deve limpar apenas a falha interna do equipamento, portanto, o equipamento protegido deve ser isolado assim que qualquer falha ocorrer dentro do próprio equipamento. Não é necessário qualquer atraso para coordenação com outros relés no sistema.
Tipos de Relé Diferencial
Existem principalmente dois tipos de relé diferencial dependendo do princípio de operação.
Relé Diferencial de Equilíbrio de Corrente
Relé Diferencial de Equilíbrio de Tensão
No relé diferencial de corrente, dois transformadores de corrente são instalados em cada lado do equipamento a ser protegido. Os circuitos secundários dos TCs estão conectados em série de tal forma que carregam a corrente secundária dos TCs na mesma direção.
A bobina de operação do elemento de relé está conectada ao circuito secundário dos TCs. Em condições normais de operação, o equipamento protegido (transformador de potência ou alternador) carrega a corrente normal. Nessa situação, digamos que a corrente secundária do TC1 é I1 e a corrente secundária do TC2 é I2. Também fica claro do circuito que a corrente passando pela bobina do relé nada mais é do que I1-I2. Como dissemos anteriormente, a razão e a polaridade dos transformadores de corrente são escolhidas de tal forma que I1 = I2, portanto, não haverá corrente fluindo pela bobina do relé. Agora, se qualquer falha ocorrer externamente à zona coberta pelos TCs, a corrente de falha passa pelo primário de ambos os transformadores de corrente, e, portanto, as correntes secundárias de ambos os transformadores de corrente permanecem as mesmas como no caso de condições normais de operação. Portanto, nessa situação, o relé não será acionado. Mas se qualquer falha aterrada ocorrer dentro do equipamento protegido, conforme mostrado, as duas correntes secundárias não serão mais iguais. Nesse caso, o relé diferencial será acionado para isolar o equipamento defeituoso (transformador ou alternador) do sistema.
Principlamente, este tipo de sistema de relés sofre de algumas desvantagens
Pode haver probabilidade de desajuste na impedância do cabo desde o secundário do TC até o painel de relé remoto.
A capacitância desses cabos pilotos causa operação incorreta do relé quando ocorre grande falha externa ao equipamento.
A correspondência precisa das características dos transformadores de corrente não pode ser alcançada, portanto, pode haver corrente de vaza fluindo pelo relé em condições normais de operação.
Relé Diferencial Percentual
Este é projetado para responder à corrente diferencial em termos de sua relação fracionária com a corrente fluindo através da seção protegida. Neste tipo de relé, existem bobinas de restrição além da bobina de operação do relé. As bobinas de restrição produzem torque oposto ao torque de operação. Em condições normais e de falha de passagem, o torque de restrição é maior que o torque de operação. Portanto, o relé permanece inativo. Quando ocorre uma falha interna, a força de operação excede a força de polarização e, portanto, o relé é acionado. Esta força de polarização pode ser ajustada variando o número de voltas nas bobinas de restrição. Como mostrado na figura abaixo, se I1 é a corrente secundária do TC1 e I2 é a corrente secundária do TC2, então a corrente através da bobina de operação é I1 – I2 e a corrente através da bobina de restrição é (I1 + I2)/2. Em condições normais e de falha de passagem, o torque produzido pelas bobinas de restrição devido à corrente (I1+ I2)/2 é maior que o torque produzido pela bobina de operação devido à corrente I1– I2, mas em condição de falha interna, estes tornam-se opostos. E a configuração de polarização é definida como a razão de (I1– I2) a (I1+ I2)/2.
Fica claro da explicação acima, quanto maior a corrente fluindo pelas bobinas de restrição, maior o valor da corrente necessária para a bobina de operação ser acionada. O relé é chamado de relé percentual porque a corrente de operação necessária para disparar pode ser expressa como um percentual da corrente de passagem.
Razão e Conexão de TC para Relé Diferencial
Esta regra simples é que os transformadores de corrente em qualquer enrolamento estrela devem ser conectados em delta e os transformadores de corrente em qualquer enrolamento delta devem ser conectados em estrela. Isso é feito para eliminar a corrente de sequência zero no circuito do relé.
Se os TCs estiverem conectados em estrela, a razão do TC será In/1 ou 5 A
TCs a serem conectados em delta, a razão do TC será In/0.5775 ou 5×0.5775 A
Relé Diferencial de Equilíbrio de Tensão
Nesta configuração, os transformadores de corrente estão conectados de ambos os lados do equipamento de tal forma que a FEM induzida nos secundários de ambos os transformadores de corrente se oporão. Isso significa que os secundários dos transformadores de corrente de ambos os lados do equipamento estão conectados em série com polaridade oposta. A bobina do relé diferencial é inserida em algum lugar no loop criado pela conexão em série dos secundários dos transformadores de corrente, conforme mostrado na figura. Em condições normais de operação e também em condições de falha de passagem, as FEMs induzidas em ambos os secundários dos TCs são iguais e opostas, portanto, não haverá corrente fluindo pela bobina do relé. Mas assim que qualquer falha interna ocorrer no equipamento sob proteção, essas FEMs não estarão mais equilibradas, e, portanto, a corrente começará a fluir pela bobina do relé, acionando o disjuntor.
Há algumas desvantagens no relé diferencial de equilíbrio de tensão, como a necessidade de uma construção de transformador multi-fase para obter um equilíbrio preciso entre os pares de transformadores de corrente. O sistema é adequado para a proteção de cabos de comprimento relativamente curto, caso contrário, a capacitância dos fios pilotos perturba o desempenho. Em cabos longos, a corrente de carga será suficiente para acionar o relé, mesmo que um equilíbrio perfeito dos transformadores de corrente seja alcançado.
Essas desvantagens podem ser eliminadas do sistema introduzindo o esquema Translay, que nada mais é do que um sistema de relé diferencial de equilíbrio de tensão modificado. O esquema Translay é aplicado principalmente para a proteção diferencial de alimentadores.
Aqui, dois conjuntos de transformadores de corrente estão conectados em cada extremidade do alimentador. O secundário de cada transformador de corrente é equipado com um relé de indução de dupla bobina individual. O secundário de cada transformador de corrente alimenta o circuito primário do relé de indução de dupla bobina. O circuito secundário de cada relé está conectado em série para formar um loop fechado por meio de fios pilotos. A conexão deve ser tal que a tensão induzida no secundário de uma bobina do relé se oporá à mesma do outro. O dispositivo de compensação neutraliza o efeito das correntes de capacitância dos fios pilotos e o efeito da falta intrínseca de equilíbrio entre os dois transformadores de corrente.
Em condições normais e de falha de passagem, a corrente em ambas as extremidades do alimentador é a mesma, portanto, a corrente induzida nos secundários dos TCs também seria igual. Devido a essas correntes iguais nos secundários dos TCs, o primário de cada relé induz a mesma FEM. Consequentemente, a FEM induzida nos secundários dos relés também é a mesma, mas as bobinas estão conectadas de tal forma que essas FEMs estão em direções opostas. Como resultado, não haverá corrente fluindo pelo loop piloto e, portanto, não haverá torque de operação produzido em nenhum dos relés.
Mas se qualquer falha ocorrer no alimentador dentro da zona entre os transformadores de corrente, a corrente saindo do alimentador será diferente da corrente entrando no alimentador. Consequentemente, não haverá igualdade entre as correntes em ambos os secundários dos TCs. Essas correntes secundárias desiguais de TCs produzirão tensões induzidas secundárias desequilibradas em ambos os relés. Portanto, a corrente começa a circular no loop piloto e, assim, o torque é produzido em ambos os relés.
Como a direção da corrente secundária é oposta nos relés, o torque em um relé tenderá a fechar os contatos de disparo, e, ao mesmo tempo, o torque produzido no outro relé tenderá a manter o movimento dos contatos de disparo em posição normal não operada. O torque de operação depende da posição e natureza das falhas na zona protegida do alimentador. A parte defeituosa do alimentador é separada da parte saudável quando pelo menos um elemento de qualquer relé opera.
Isso pode ser observado que, no esquema de proteção Translay, um anel de cobre fechado é instalado com a perna central do núcleo primário do relé. Esses anéis são utilizados para neutralizar o efeito das corrent
