Solução de Proteção de Alimentadores com Relés Baseados em Microprocessador para Redes de Distribuição Inteligentes Modernas

1. Introdução e Desafios Principais​
   A crescente integração de recursos energéticos distribuídos (DERs) (como energia solar fotovoltaica e eólica) nas redes de distribuição, juntamente com a crescente demanda dos utilizadores por confiabilidade e segurança no fornecimento de energia, apresenta desafios severos aos esquemas tradicionais de proteção de alimentadores. Esta solução foi projetada para abordar os seguintes três desafios principais:

• ​Riscos de Arco Elétrico:​​ Curto-circuitos internos em equipamentos como quadros de distribuição podem desencadear arcos elétricos altamente destrutivos, ameaçando a segurança do equipamento e das pessoas, exigindo uma resposta extremamente rápida do sistema de proteção.
• ​Falhas de Aterramento de Alta Impedância:​​ Especialmente falhas de aterramento monofásicas que ocorrem em áreas rurais ou regiões com alta resistividade do solo, caracterizadas por corrente de falha baixa, são difíceis de ser detectadas de forma confiável pela proteção de sobre-corrente zero-seqüencial tradicional, apresentando o risco de falha na operação da proteção.
• ​Impacto da Integração de Recursos Energéticos Distribuídos (DERs):​​ A integração de DERs altera a direção do fluxo de potência e as características da corrente de curto-circuito nas redes de distribuição, podendo causar malfuncionamento da proteção (falso disparo) ou falha na operação, introduzindo o risco de ilhamento não intencional.

Esta solução, baseada em relés de proteção microprocessados avançados e integrando múltiplos algoritmos inovadores, fornece proteção de alimentador abrangente, rápida e confiável para redes de distribuição modernas.

​2. Detalhes da Solução​
O nosso relé de proteção de alimentador adota um design modular, integrando as seguintes funções de proteção principal para abordar os desafios mencionados.

​2.1 Módulo de Proteção contra Arcos Elétricos Multibanda (AFP)​

• ​Princípio Técnico:​​ Utiliza uma tecnologia de detecção multibanda proprietária, monitorizando simultaneamente a intensidade luminosa (através de sensores de arco dedicados) e a taxa de variação da corrente (di/dt). Uma falha é confirmada como arco elétrico apenas quando ambas as condições - "sinal de arco luminoso intenso" E "característica de sobrecorrente de alta velocidade (>10 kA/ms)" - são satisfeitas (operação lógica AND). Este critério duplo previne eficazmente o malfuncionamento causado por fontes de luz externas ou sobrecorrentes de comutação.
• ​Vantagem de Desempenho:​​ Caracteriza-se por velocidades de operação ultra-rápidas, projetadas para minimizar a energia do arco elétrico.
• ​Caso de Aplicação:​​ Após a implementação no sistema de distribuição de média tensão de um grande centro de dados, este módulo alcançou um tempo total de limpeza de falhas inferior a 4 milissegundos, representando um aumento de velocidade superior a três vezes em comparação com esquemas de proteção tradicionais baseados apenas em corrente, reduzindo significativamente o risco de danos ao equipamento.

​2.2 Módulo de Proteção contra Falhas de Aterramento de Baixa Corrente de Alta Sensibilidade​

• ​Princípio Técnico:​​ Utiliza o método de admitância zero-seqüencial. Este método envolve a medição em tempo real e precisa da tensão zero-seqüencial (3U₀) e da corrente zero-seqüencial (3I₀) do sistema, calculando o valor correspondente de admitância. Este algoritmo é relativamente insensível às variações na corrente de falha capacitiva do sistema, distinguindo eficazmente entre a corrente capacitiva normal e a corrente resistiva induzida por falhas, identificando assim falhas de aterramento de alta impedância com valores de resistência até 1 kΩ ou superior.
• ​Vantagem de Desempenho:​​ Resolve o problema de sensibilidade insuficiente nos esquemas de proteção tradicionais durante falhas através de resistências de transição elevadas, reduzindo significativamente os riscos de choque elétrico e incêndio.
• ​Caso de Aplicação:​​ Num projeto piloto numa rede rural (caracterizada por corrente de falha capacitiva elevada e níveis de isolamento de linha desiguais), a aplicação desta tecnologia aumentou a taxa geral de detecção de falhas de aterramento de 65% com esquemas tradicionais para 92%, melhorando significativamente a segurança do fornecimento de energia.

​2.3 Módulo de Proteção Anti-Ilhamento Adaptativa​

• ​Princípio Técnico:​​ Para abordar o risco de ilhamento introduzido pela integração de DERs, este módulo combina métodos de detecção passiva e ativa.
• ​Monitorização Passiva:​​ Monitoriza continuamente parâmetros anormais no Ponto de Conexão Comum (PCC), como desvio de frequência de tensão (Δf > 0,5 Hz) e salto de ângulo de fase (Δφ > 10°).
• ​Determinação Ativa:​​ Quando os indicadores de monitorização passiva ultrapassam os limites definidos, incorpora métodos ativos, como a Deriva de Frequência Ativa, para confirmar rapidamente a condição de ilhamento.
• ​Vantagem de Desempenho:​​ Garante a desconexão rápida de DERs num período muito curto (< 200 ms, conforme exigências do código de rede) após a ocorrência de ilhamento, prevenindo perigos para o equipamento da rede e o pessoal de manutenção devido à operação ilhada não intencional.
• ​Caso de Aplicação:​​ Validado num projeto de micro-rede contendo múltiplas instalações fotovoltaicas, este módulo anti-ilhamento alcançou uma taxa de precisão de 99,7%. Efetivamente previne o ilhamento, minimizando os disparos desnecessários causados por perturbações normais da rede, melhorando a taxa de utilização de recursos energéticos distribuídos.

​3. Resumo dos Valores Principais​
Esta solução de proteção baseada em microprocessador, integrando múltiplos algoritmos inteligentes, consegue:

• ​Maior Segurança:​​ Maximiza a proteção de pessoas e equipamentos através da proteção contra arcos elétricos em milissegundos e da proteção contra falhas de aterramento de ultra-alta sensibilidade.
• ​Alta Confiabilidade:​​ Aborda eficazmente as complexidades introduzidas pela integração de DERs, identificando com precisão condições de ilhamento e falhas de alta impedância, eliminando "pontos cegos" de proteção.
• ​Restauração Rápida:​​ Permite a limpeza rápida de falhas, facilitando a autocura rápida da rede, reduzindo a duração das interrupções e melhorando a confiabilidade do fornecimento de energia.