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AULA 12 RELÉS DIRECIONAIS (67)

ENE095 – Proteção de Sistemas Elétricos de Potência – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DIRECIONAL (67) Introdução  As redes de distribuição e as linhas de transmissão radiais

são protegidas por relés de sobrecorrente (funções 50/51);  Num sistema em anel ou em paralelo e/ou alimentado

através das duas extremidades, a proteção com relés de sobrecorrente é impraticável, devido a impossibilidade de

coordenação do mesmo (ajuda de um relé direcional);  Elementos direcionais: são sensibilizados ou não pelo sentido

em que flui a corrente (relés direcionais de corrente) ou pelo fluxo de potência (relés direcionais de potência). ENE095 – Proteção de Sistemas Elétricos de Potência – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DIRECIONAL (67) Introdução  Assim, a proteção com relé direcional tem a finalidade de

reconhecer em que sentido está fluindo a corrente/potência em uma determinada parte do sistema (TC’s e/ou TP’s);  Caso essas grandezas estejam fluindo num sentido inverso ao

normal, o relé direcional deve ser sensibilizado e capaz de

enviar ao disjuntor um sinal de disparo;  Para ilustrar a aplicação dos relés direcionais, utilizaremos o

sistema no qual é composto de 4 linhas de transmissão partindo de uma barra de geração a uma de carga. ENE095 – Proteção de Sistemas Elétricos de Potência – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DIRECIONAL (67) Introdução

 Condições normais:

O fluxo de corrente se dá no sentido fonte de geração – carga;

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RELÉ DIRECIONAL (67) Introdução

 Condição de Falta na linha 3:  A corrente no alimentador da linha em condição de falta

inverte a posição na barra consumidora, suprindo o ponto de falta (e.g., curto-circuito) através das demais linhas sãs. ENE095 – Proteção de Sistemas Elétricos de Potência – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DIRECIONAL (67) Introdução

 O relé direcional do disjuntor 10, no momento da inversão da

corrente, reconhece tal ocorrência e envia um sinal de desarme para esse disjuntor. As correntes nos disjuntores 9, 11 e 12 continuam fluindo no mesmo sentido da corrente de carga e, portanto, não alteram seu sentido (não atuação dos relés). ENE095 – Proteção de Sistemas Elétricos de Potência – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DIRECIONAL (67) Introdução

 O relé de sobrecorrente do disjuntor 6, no momento da falta,

reconhece tal ocorrência e envia um sinal de desarme para esse disjuntor. As correntes nos disjuntores 5, 7 e 8 também possuem valores elevados, portanto para sua não atuação, o tempo de disparo desses relés deverá ser superior ao do relé do disjuntor 6. ENE095 – Proteção de Sistemas Elétricos de Potência – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DIRECIONAL (67) Introdução

 Conclusões:

Os disjuntores 5, 6, 7 e 8 não necessitam ser portadores de relés de sobrecorrente direcionais, bastam as funções de sobrecorrente (50/51); Os disjuntores 9, 10, 11 e 12 necessitam de relés com a função direcional (67). ENE095 – Proteção de Sistemas Elétricos de Potência – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DIRECIONAL (67) Introdução

 Conclusões:

Os disjuntores 1 e 2 não necessitam ser portadores de relés de sobrecorrente direcionais, bastam as funções de sobrecorrente (50/51); Os disjuntores 3 e 4 necessitam de relés com a função direcional (67). ENE095 – Proteção de Sistemas Elétricos de Potência – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DIRECIONAL (67) Introdução  Outra forma de mostrar o funcionamento de um relé

direcional pode ser observada no sistema em anel fechado;

Condições Normais

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RELÉ DIRECIONAL (67) Introdução  Outra forma de mostrar o funcionamento de um relé

direcional pode ser observada no sistema em anel fechado;

Condição de Falta no Ponto Indicado

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RELÉ DIRECIONAL (67) Introdução No caso de um defeito (curto-circuito) no ponto indicado:  A corrente de curto circulará pelo trecho A-B e B-C ando

pelos relés associados aos disjuntores D1, D2 e D3;  Nessa condição, o relé associado ao disjuntor D2 será bloqueado

pela sua unidade direcional, enquanto o relé de sobrecorrente

não direcional associado ao disjuntor D1 está em condições de operar, mas não deve fazê-lo. O relé associado ao disjuntor D3 deverá ser ajustado com um tempo inferior ao do relé associado

ao disjuntor D1, pois será o responsável pela eliminação da circulação da corrente nesse trecho. ENE095 – Proteção de Sistemas Elétricos de Potência – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DIRECIONAL (67) Introdução No caso de um defeito (curto-circuito) no ponto indicado:  Também haverá circulação de corrente de curto no trecho A-D e

D-C ando pelos relés dos disjuntores D8, D7, D6, D5 e D4;  Nessa condição, os relés direcionais associados aos disjuntores

D5, D6 e D7 serão bloqueados por seus elementos direcionais.

No entanto, os relés de sobrecorrente não direcionais associados aos disjuntores D8 e D4 estão em condições de operar. O relé associado ao disjuntor D4 deverá ser ajustado com o menor

tempo de operação pois será o responsável pela eliminação da circulação da corrente nesse trecho. ENE095 – Proteção de Sistemas Elétricos de Potência – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DIRECIONAL (67) Introdução  Dessa forma, com a atuação do disjuntor D3 dotado de um relé

com a função direcional e do disjuntor D4 dotado de um relé com a função de sobrecorrente, o defeito será eliminado.

Somente o trecho B-C desenergizado

Sem interrupção de energia às outras cargas conectadas ao sistema.

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RELÉ DIRECIONAL (67) Introdução  Os relés direcionais podem ser encontrados em: a)

Unidades Eletromecânicas ou Indução (não mais fabricados);

b) Unidades Eletrônicas ou Estáticas (não mais fabricados) e; c)

Unidades Digitais.

 Há três tipos dependendo da grandeza controlada: a)

Relés Direcionais de Sobrecorrente de Fase;

b) Relés Direcionais de Sobrecorrente de Terra e; c)

Relés Direcionais de Potência. ENE095 – Proteção de Sistemas Elétricos de Potência – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DIRECIONAL (67) Introdução  Os relés direcionais utilizam corrente e tensão para poder

reconhecer o sentido de fluxo da corrente e, para isso, são empregados transformadores de corrente e tensão;  Para

tensões

inferiores

a

69

kV

são

empregados

transformadores de potencial (TP’s) eletromagnéticos de

categoria 1 (fase-fase) e categoria 2 ou 3 (fase-terra).  Para tensões iguais ou superiores a 69 kV são empregados

transformadores de potencial (TP’s) eletromagnéticos ou do tipo capacitivo categoria 2 ou 3. ENE095 – Proteção de Sistemas Elétricos de Potência – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Relé Direcional de Sobrecorrente de Fase  São construídos em unidades monofásicas e trifásicas;  Os relés direcionais de sobrecorrente são utilizados,

essencialmente, na proteção de linhas de transmissão da classe de tensão igual ou superior a 69 kV;  Esses elementos somente devem ser aplicados em

sistemas fechados em anel ou aqueles dotados de dois ou mais circuitos alimentadores operando em paralelo. Não há sentido em aplicá-los em sistemas radiais; ENE053 – Proteção de Sistemas Elétricos – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Características Construtivas  Normalmente, possuem uma unidade temporizada de

corrente do tipo disco de indução e uma unidade direcional instantânea do tipo cilindro de indução; a) Unidade de sobrecorrente temporizada

Quando a corrente está fluindo na direção escolhida para fechar o contato, a unidade temporizada é acionada e desenvolve o torque no disco de indução.

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Características Construtivas b) Unidade direcional

Em geral, a unidade direcional é polarizada por tensão

e controla direcionalmente a operação da unidade temporizada por meio dos seus contatos;

A maioria das aplicações é para fechamento do contato da unidade direcional para a circulação de corrente saindo da barra e abertura do contato para a circulação de corrente entrando na barra. ENE053 – Proteção de Sistemas Elétricos – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Características Construtivas c)

Unidade instantânea

É do tipo armação articulada. Quando a corrente

atinge valores muito elevados, a unidade fecha os seus contatos, ao mesmo tempo que faz surgir no visor uma bandeirola vermelha que somente é desfeita por desarme manual. A bobina da unidade instantânea é ajustada para operação em uma das duas faixas

indicadas: faixa H (alta) ou faixa L (baixa). ENE053 – Proteção de Sistemas Elétricos – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Características de Tempo  Podem apresentar as características de tempo de

atuação descritas a seguir, cuja aplicação deve ser definida em função das condições operacionais. a) Característica de Tempo Inverso;

b) Característica de Tempo muito Inverso; c)

Característica de Tempo extremamente Inverso.

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Características de Tempo

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Torque do Relé de Sobrecorrente de Fase  Na maioria dos relés (conexão 90°), a unidade direcional é

percorrida pela corrente da fase correspondente à ligação do relé, enquanto a tensão aplicada à bobina de potencial é referente às outras duas fases. Isto é, o relé da fase A é sensibilizado pela corrente que flui na fase A, enquanto a

bobina de potencial é ligada entre as fases B-C.  Para que exista um torque na direção desejada, necessita

das grandezas de operação (corrente) e de polarização (corrente/tensão) agindo no sentido de operação. ENE053 – Proteção de Sistemas Elétricos – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Torque do Relé de Sobrecorrente de Fase  O torque produzido por uma unidade direcional de

sobrecorrente, onde as grandezas de operação e polarização são a corrente:

𝑇 = 𝐾1 × 𝐼1 × 𝐼2 × 𝑠𝑒𝑛∅ − 𝐾2 𝐾1 − constante do relé que depende do projeto;

𝐾2 − constante que representa o torque resistente da mola; 𝐼1 − corrente da bobina de corrente da unidade direcional; 𝐼2 − corrente da bobina de potencial da unidade direcional;

∅ − ângulo de defasagem entre as correntes 𝐼1 e 𝐼2 ; ENE053 – Proteção de Sistemas Elétricos – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Torque do Relé de Sobrecorrente de Fase Os relés direcionais constituídos de: 

são

Unidade direcional formada

por uma bobina de tensão, conectada aos terminais do transformador de potencial; 

Uma bobina de corrente, conectada bobina

de

em

série

corrente

à da

unidade de sobrecorrente. ENE053 – Proteção de Sistemas Elétricos – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Torque do Relé de Sobrecorrente de Fase  Situação normal de carga

Contato da unidade de sobrecorrente: aberto

Contato da unidade de sobrecorrente: aberto

Contato da unidade direcional: aberto

Contato da unidade direcional: aberto

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Torque do Relé de Sobrecorrente de Fase  Disjuntores D1 e D2 (relé de sobrecorrente): o contato

da unidade de sobrecorrente do relé de sobrecorrente não direcional (51) está aberto;  Disjuntores D3 e D4: o contato da unidade de

sobrecorrente do relé direcional (51) está aberto e o contato da unidade direcional (67) está aberto;  O mesmo ocorre com o contato da unidade não

direcional do relé de sobrecorrente. ENE053 – Proteção de Sistemas Elétricos – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Torque do Relé de Sobrecorrente de Fase  Disjuntores D1 e D2: os tempos da unidade 51 dos relés

não direcionais estão ajustados para T = 0,60 s.  Disjuntores D3 e D4: os tempos da unidade 51 dos relés

não direcionais estão ajustados para T = 0,30 s.  Disjuntores D3 e D4: os tempos das unidades 51/67 dos

relés direcionais estão ajustados para T = 0,0 s. ENE053 – Proteção de Sistemas Elétricos – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Torque do Relé de Sobrecorrente de Fase  Situação de falta no ponto indicado

Contato da unidade de sobrecorrente: fechado

Contato da unidade de sobrecorrente: aberto

Contato da unidade direcional: fechado

Contato da unidade direcional: aberto

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Torque do Relé de Sobrecorrente de Fase  Disjuntor D1: o contato da unidade de sobrecorrente do

relé de sobrecorrente não direcional (51) se fecha por sobrecorrente, após a abertura do disjuntor D3 (unidades 51/67), num tempo T = 0,6 s;  Disjuntor D2: o contato da unidade de sobrecorrente do

relé de sobrecorrente não direcional (51) não se fecha por estar temporizado para T = 0,6 s, tempo superior a abertura do disjuntor D3. ENE053 – Proteção de Sistemas Elétricos – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Torque do Relé de Sobrecorrente de Fase  Disjuntor D3: o contato da unidade de sobrecorrente do

relé direcional (51) se fecha por sobrecorrente e o contato da unidade direcional (67) se fecha por inversão de corrente, fazendo atuar o disjuntor num tempo 0,0 s;  Disjuntor D4: o contato da unidade de sobrecorrente do

relé de sobrecorrente direcional (51) se fecha por sobrecorrente e o contato da unidade direcional (67) mantém-se aberto, inibindo a atuação do disjuntor. Já o contato da unidade 51 não atua pois o defeito foi removido em 0,0 s e este está temporizado para 0,30 s. ENE053 – Proteção de Sistemas Elétricos – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO

Nessa condição a barra B continua em operação, porém com redução do montante de geração e, assim, com redução de carga. ENE053 – Proteção de Sistemas Elétricos – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Torque do Relé de Sobrecorrente de Fase  É possível ocorrer falha na proteção direcional quando o

defeito acontece muito próximo ao barramento em que esta proteção está instalada.  Como o relé direcional opera com os sinais de tensão e

corrente, nessa condição de falta a tensão nos terminais do transformador de potencial é muito pequena, tendendo a zero, o que é denominado de zona morta da

proteção direcional. ENE053 – Proteção de Sistemas Elétricos – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Torque do Relé de Sobrecorrente de Fase  Na proteção direcional, existe praticamente três tipos de

ligação convencional quando são utilizados relés direcionais polarizados por tensão-corrente.  Cada uma dessas ligações corresponde a um relé

direcional específico, com ângulo máximo de torque diferente. Nos relés digitais, pode-se ajustar o ângulo conforme a necessidade do projeto.  Esses três tipos de ligação convencional são: ENE053 – Proteção de Sistemas Elétricos – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Torque do Relé de Sobrecorrente de Fase a) Conexão 30°

Nesse caso, a corrente de operação 𝐼𝑎 está adiantada da tensão de polarização 𝑉𝑎𝑐 de um ângulo de 30° elétricos.

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Torque do Relé de Sobrecorrente de Fase b) Conexão 60°

A corrente de operação 𝐼𝑎 está adiantada da tensão de polarização 𝑉𝑏𝑐 + 𝑉𝑎𝑐 de um ângulo de 60° elétricos.

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Torque do Relé de Sobrecorrente de Fase c)

Conexão 90°

Nesse caso, a corrente de operação 𝐼𝑎 está adiantada da tensão de polarização 𝑉𝑏𝑐 de um ângulo de 90° elétricos.

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Relé de Sobrecorrente de Neutro  São relés de usados na proteção de linhas de

transmissão contra defeito fase e terra;  Tais como os relés direcionais de fase, são dotados de

uma unidade temporizada, uma unidade direcional, uma unidade instantânea e uma unidade de selo;  Apresentam as mesmas curvas características de tempo

× corrente dos relés direcionais de fase (curva inversa, muito inversa e extremamente inversa). ENE053 – Proteção de Sistemas Elétricos – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Relé Direcional de Potência  Esta proteção tem a finalidade de reconhecer em que

sentido está fluindo a potência do sistema;  Esses relés são empregados em unidades geradoras,

quando um fluxo de potência flui num sentido não desejado, denominado potência reversa, ou quando se

deseja limitar o fluxo num determinado sentido;  São polarizados por tensão e reconhecem o fluxo da

corrente correspondente. Operam para uma tensão entre fases e para a corrente de linha. ENE053 – Proteção de Sistemas Elétricos – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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RELÉ DE SOBRECORRENTE DE INDUÇÃO Relé Direcional de Potência  Os relés direcionais de potência podem, também, ser

aplicados em sistemas dotados de condutor neutro. Nesse caso, são polarizados pela tensão de fase e neutro e operam com a corrente de linha;  Construtivamente, esses elementos consistem de: 1) Uma unidade direcional; 2) Uma unidade de sobrecorrente temporizada;

3) Uma unidade de bandeirola e selagem. ENE053 – Proteção de Sistemas Elétricos – Prof. Luís Henrique Lopes Lima

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