Relé de Distância do Tipo Impedância

Definição e Princípio do Relé de Impedância (Relé de Distância)

Um relé de impedância, também conhecido como relé de distância, é um dispositivo de proteção controlado por tensão, cuja operação depende da distância elétrica (impedância) entre o ponto de falha e a posição de instalação do relé. Ele funciona medindo a impedância da seção com falha e comparando-a com um limite pré-definido.

Mecanismo de Funcionamento

• Medição e Comparação: O relé monitora continuamente a tensão da linha (através de transformadores de potencial, TP) e a corrente (através de transformadores de corrente, TC) para calcular a impedância (Z = V/I).

• Resposta à Falha: Se a impedância medida for menor que a configuração do relé (indicando uma falha dentro da zona protegida), ele dispara um comando de desligamento para o disjuntor. Em condições normais, a impedância da linha é alta (tensão >> corrente), mantendo o relé inativo. Quando ocorre uma falha, a corrente aumenta e a tensão diminui, reduzindo a impedância e ativando o relé.

Princípio de Operação

Em operação normal, a razão tensão-corrente (impedância) permanece acima do limite do relé. Durante uma falha (por exemplo, F1 na linha AB), a impedância cai abaixo da configuração. Por exemplo, se o relé estiver instalado para proteger a linha AB com uma impedância normal Z, uma falha reduz a impedância, levando o relé a disparar o disjuntor. Se a falha estiver fora da zona protegida (por exemplo, além de AB), a impedância permanece alta, e o relé permanece inativo.

Características de Operação

O relé compreende dois componentes principais:

• Elemento de Operação de Corrente: Gera um torque de deflexão proporcional à corrente.

• Elemento de Restrição de Tensão: Produz um torque de restabelecimento com base na tensão. A equação de equilíbrio de torques é:k₁I² −k₂VIcos(θ−ϕ)=0 é o ângulo de fase entre a tensão e a corrente, e θ é o ângulo de torque máximo do relé. Em um diagrama de impedância, a característica de operação do relé aparece como um círculo centrado na origem, com um raio igual à impedância de configuração. Essa característica circular garante sensibilidade tanto à magnitude quanto à fase da impedância, permitindo uma discriminação confiável entre falhas dentro e fora da zona protegida.

-K3 representa o efeito da mola do relé. Em operação normal, o torque líquido = 0 com os valores de V e I.

Se o efeito de controle da mola for negligenciado, a equação torna-se

A figura mostra as características de operação com tensão e corrente; a linha tracejada denota impedância de linha constante.

A figura abaixo ilustra a característica de operação do relé de impedância. A região acima da linha característica representa torque positivo, onde a impedância da linha excede a da seção com falha, acionando a operação do relé. Por outro lado, a região de torque negativo (abaixo da linha) indica que a impedância da falha supera a impedância da linha, mantendo o relé inativo. Esta distinção permite a detecção precisa de falhas, comparando a impedância medida com o limite pré-definido, garantindo proteção confiável nos sistemas de energia.

O raio do círculo representa a impedância da linha; o ângulo de fase X-R indica a posição vetorial. Impedância < raio = torque positivo (relé opera); impedância > raio = torque negativo (relé inativo). Esta distinção visual garante a rápida detecção de falhas nos sistemas de energia.

Este relé é classificado como relé de alta velocidade.

Relé de Indução Eletromagnética

O torque neste relé surge de interações eletromagnéticas entre tensão e corrente, que são comparadas para operação. Em seu circuito, o Solenoide B—alimentado por um transformador de potencial (TP)—gera um torque no sentido horário, puxando o êmbolo P2 para baixo. Uma mola no P2 aplica uma força de restrição, criando um torque mecânico no sentido horário.

O Solenoide A, excitado por um transformador de corrente (TC), produz um torque de deflexão (pick-up) no sentido horário que move o êmbolo P1 para baixo. Em condições normais, os contatos do relé permanecem abertos. Durante uma falha na zona protegida, a corrente do sistema em surto aumenta o torque do Solenoide A, enquanto reduz o torque de restabelecimento do Solenoide B. Este desequilíbrio gira os braços de equilíbrio do relé, fechando os contatos para iniciar a proteção. O design garante uma resposta rápida às falhas através da comparação de torques entre forças eletromagnéticas e mecânicas.

A força exercida pelo solenoide A (o elemento de corrente) é proporcional a I², enquanto a do solenoide B (o elemento de tensão) é proporcional a V2. Como resultado, o relé será ativado quando a força derivada da corrente exceder a força derivada da tensão.

As constantes k1 e k2 dependem dos ampère-voltas dos dois solenoides e das razões dos transformadores de instrumentos. As configurações do relé podem ser ajustadas através de conexões nos enrolamentos.

No gráfico característico, o eixo y denota o tempo de operação do relé, enquanto o eixo x representa a impedância. Notavelmente, o tempo de operação do relé permanece constante (indicando ação instantânea) para impedâncias dentro da zona de proteção pré-definida. No ponto de distância predeterminada (correspondente à impedância configurada), os valores de tensão e corrente estabilizam; além deste ponto, a impedância medida teoricamente se torna infinita, significando que o relé permanece inativo para falhas fora de seu escopo de proteção. Esta relação linear entre impedância e tempo de operação garante a detecção confiável e rápida de falhas dentro da zona definida.

Relé de Impedância de Indução

O diagrama do circuito de um relé de impedância de indução é ilustrado abaixo. Este relé incorpora elementos de corrente e tensão, apresentando um disco de alumínio que gira entre eletroímãs.

O eletroímã superior contém duas bobinas distintas: a bobina primária está conectada ao enrolamento secundário de um transformador de corrente (TC), enquanto a bobina secundária está ligada a um transformador de potencial (TP). A configuração de corrente da bobina primária pode ser ajustada através de uma ponte de plugues posicionada sob o relé, permitindo a calibração precisa da sensibilidade do relé. O elemento de tensão, energizado pelo TP, gera um campo magnético que interage com o campo derivado da corrente do TC.

Esta interação induz correntes parasitas no disco de alumínio, produzindo um torque que impulsiona sua rotação. Em condições normais de operação, o disco permanece estacionário devido a torques equilibrados; durante uma falha, o surto de corrente desequilibra os torques, fazendo o disco girar e acionar os contatos do relé. Este design garante a detecção confiável de falhas baseada em impedância nos sistemas de energia.

Os eletroímãs no relé estão conectados em série, com seus fluxos induzidos gerando torque rotacional que impulsiona o disco de alumínio. Um ímã permanente fornece tanto torque de controle quanto de freio para estabilizar o movimento do disco.

Em operação normal, a força no ármature excede o torque do elemento de indução, mantendo os contatos de disparo abertos. Quando ocorre uma falha no sistema, a corrente através dos eletroímãs aumenta, fazendo o disco de alumínio girar. A velocidade de rotação do disco é diretamente proporcional à corrente de falha, enrolando uma mola conforme gira. Este movimento rotacional gradualmente supera o torque de restrição do ímã permanente.

Uma vez que a rotação do disco atinge um limiar crítico (correspondente à impedância configurada), os contatos de disparo fecham, iniciando a resposta protetora. Este design garante que o relé reaja rapidamente a falhas, mantendo a estabilidade durante a operação normal, com o ímã permanente fornecendo controle essencial sobre a aceleração e o freio do disco para evitar disparos falsos.

O ângulo de rotação do disco do relé depende da força do ármature, que é diretamente proporcional à tensão aplicada. Portanto, a tensão determina o ângulo de rotação.

Característica de Tempo do Relé de Impedância de Alta Velocidade

A figura mostra que o relé permanece inativo para valores que excedem 100% do limite de pick-up. A Curva 1 representa a característica operacional real, enquanto a Curva 2 oferece um modelo simplificado da Curva 1. Este design garante uma resposta rápida a falhas dentro do intervalo pré-definido, mantendo a estabilidade em condições normais. A operação de alta velocidade do relé é crucial para minimizar danos nos sistemas de energia, com a curva simplificada facilitando a implementação e análise nas configurações de relés de proteção.

Desvantagens do Relé de Impedância Simples

As seguintes são as principais desvantagens dos relés de impedância:

• Falta de Discriminação Direcional
  O relé responde a mudanças de impedância em ambos os lados do transformador de corrente (TC) e do transformador de potencial (TP). Isso torna difícil para os disjuntores distinguir entre falhas internas (dentro da zona protegida) e falhas externas (fora da zona), potencialmente levando a disparos desnecessários ou isolamento tardio de falhas.

• Sensibilidade à Resistência do Arco
  A operação do relé é significativamente influenciada pela resistência do arco durante falhas. A resistência do arco introduz impedância adicional, que pode mascarar a verdadeira impedância da falha e fazer com que o relé sub-reaja (não dispare para falhas internas) ou sobre-reaja (dispare falsamente para falhas externas).

• Vulnerabilidade a Oscilações de Potência
  Os relés de impedância são altamente sensíveis a oscilações de potência—oscilações periódicas na tensão e na corrente causadas por perturbações no sistema (por exemplo, mudanças súbitas de carga ou instabilidade do gerador). As oscilações de potência podem simular condições de falha alterando a impedância medida, levando a disparos falsos ou operação atrasada.

• Operação Não Direcional
  O relé dispara sempre que a impedância medida cai abaixo do limite pré-definido, independentemente da direção da falha. Isso significa que ele não consegue diferenciar entre falhas para frente (dentro da linha protegida) e falhas para trás (em direção à fonte de energia), limitando sua aplicabilidade em sistemas de energia complexos e multi-fonte.