Básicos de Proteção por Relé: Tipos de Falhas em Linhas de Transmissão e Esquemas de Proteção Fundamentais

1. Tipos de Falhas nas Linhas de Energia

Falhas Fase-a-Fase:

• Curto-circuito trifásico

• Curto-circuito bifásico

Falhas ao Solo:

• Falha monofásica ao solo

• Falha bifásica ao solo

• Falha trifásica ao solo

2. Definição de Dispositivos de Proteção por Relé
Quando ocorre uma anormalidade ou falha em um componente do sistema de energia, os dispositivos de proteção por relé são aqueles que podem isolar rapidamente e seletivamente o componente com falha ou anormalidade do sistema, garantindo a operação normal contínua do restante dos equipamentos saudáveis.

Exemplos incluem: proteção contra sobrecorrente, proteção de distância, proteção de sequência zero e proteção de alta frequência.

• Proteção Principal: Proteção que atende aos requisitos básicos de estabilidade do sistema e segurança do equipamento durante uma falha de curto-circuito. Opera primeiro para acionar o disjuntor e limpar seletivamente as falhas no equipamento protegido ou na linha inteira.

• Proteção de Reserva: Proteção que remove a falha se a proteção principal ou o disjuntor falharem em operar.

• Proteção Auxiliar: Proteção simples adicionada para compensar limitações na proteção principal e de reserva.

3. Papel da Proteção por Relé nas Linhas de Transmissão
Durante a operação, as linhas de transmissão podem sofrer falhas devido a fortes ventos, gelo e neve, descargas atmosféricas, danos externos, falha de isolamento ou flashover por poluição. Nesses casos, o dispositivo de proteção por relé pode agir rapidamente e seletivamente, acionando o disjuntor da linha (interruptor).

Se a falha for transitória, o interruptor recerra com sucesso após a desaparição da falha, restaurando o fornecimento seguro de energia. Se a falha for permanente, o recerramento falha, e a linha com falha é isolada rapidamente, garantindo o fornecimento ininterrupto de energia às linhas saudáveis.

4. Dispositivos de Proteção contra Sobrecorrente
Os dispositivos de proteção contra sobrecorrente são projetados com base no aumento significativo da corrente durante uma falha na linha. Quando a corrente de falha atinge a configuração de proteção (corrente de pickup), o dispositivo inicia a operação. Uma vez atingido o tempo de atraso configurado, o disjuntor da linha é acionado.

Tipos comuns incluem:

• Proteção Instantânea contra Sobrecorrente: Simples, confiável e de ação rápida, mas protege apenas uma parte (geralmente 80–85%) da mesma linha.

• Proteção contra Sobrecorrente com Atraso: Opera com um atraso curto, protegendo o comprimento total da linha e coordenando com a proteção instantânea da próxima linha a jusante.

• Proteção contra Sobrecorrente: Configurada para evitar a corrente máxima de carga. Protege o comprimento total da linha e o comprimento total da próxima linha, servindo como proteção de reserva.

• Proteção Direcional contra Sobrecorrente: Adiciona um elemento de direção de potência à proteção contra sobrecorrente. Opera somente quando a potência de falha flui do barramento para a linha, evitando a operação indevida durante falhas em sentido inverso.

5. Dispositivos de Proteção de Distância
A proteção de distância responde à impedância (ou distância) entre o ponto de falha e o ponto de instalação da proteção. Possui excelentes características direcionais e é amplamente utilizada em redes de anel de alta tensão. Geralmente, emprega-se a proteção de distância em três estágios:

• Zona I: Operação instantânea, protegendo 80%–85% do comprimento da linha.

• Zona II: Protege o comprimento total da linha e se estende para parte da próxima linha (geralmente Zona I da linha adjacente).

• Zona III: Protege o comprimento total desta linha e da próxima, servindo como reserva para as Zonas I e II.

6. Dispositivos de Proteção de Corrente de Sequência Zero
Em sistemas com neutro diretamente aterrado (também conhecidos como sistemas de alta corrente de falta à terra), uma falha monofásica ao solo produz uma corrente de sequência zero significativa. Os dispositivos de proteção que utilizam esta corrente são chamados de dispositivos de proteção de corrente de sequência zero. Geralmente, emprega-se uma configuração em três estágios:

• Estágio I: Proteção de corrente de sequência zero instantânea, cobrindo 70%–80% do comprimento da linha.

• Estágio II: Proteção de corrente de sequência zero com atraso, cobrindo o comprimento total da linha e parte da próxima linha.

• Estágio III: Proteção de sobrecorrente de sequência zero, cobrindo a linha completa e servindo como reserva para a próxima linha.

7. Dispositivos de Proteção de Alta Frequência
A proteção de alta frequência converte o ângulo de fase (ou direção de potência) das correntes em ambas as extremidades de uma linha em sinais de alta frequência, que são transmitidos via canal de alta frequência para a extremidade oposta. O sistema compara a fase da corrente ou a direção de potência em ambas as extremidades.

Esta proteção responde apenas a falhas dentro do segmento de linha protegido e não requer coordenação com linhas a jusante. Opera sem atraso, permitindo a limpeza rápida de qualquer falha ao longo da linha protegida.

Com base nos princípios de operação, a proteção de alta frequência é classificada em:

• Tipo de Bloqueio (Comparação Direcional): Compara a direção de potência em ambas as extremidades.

• Tipo de Comparação de Fase: Compara os ângulos de fase da corrente em ambas as extremidades.

8. Dispositivos de Recerramento Automático
Um dispositivo de recerramento automático é aquele que recerra automaticamente o disjuntor após este ter sido acionado.

Função:

• Para falhas transitórias, após a desaparição da falha, o dispositivo recerra rapidamente o disjuntor, restaurando o fornecimento normal de energia.

• Para falhas permanentes, o recerramento falha, o disjuntor é acionado novamente e a linha com falha é isolada, garantindo o fornecimento contínuo de energia às linhas saudáveis.

9. Registrador de Falhas de Linha
Um dispositivo que registra automaticamente as formas de onda de corrente e tensão antes e durante uma falha de linha, junto com o horário e o estado de operação do disjuntor.

Analisando as formas de onda registradas, pode-se determinar com precisão o tipo de falha e calcular a localização aproximada da falha. Isso fornece dados críticos para análise de falhas, solução de problemas e restauração do fornecimento normal de energia.