Grupo de Estudos em Qualidade da Energia Elétrica – GQEE Instituto de Sistemas Elétricos e Energia – ISEE Universidade Federal de Itajubá PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS II ESTUDO DE PROTEÇÃO E SELETIVIDADE Orientador: Prof. Dr. José Maria de Carvalho Filho Mestrandos em Eng. Elétrica Arthur Henrique Perini de Medeiros Thiago Moura Galvão. Itajubá 01 de dezembro de 2011
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Grupo de Estudos em Qualidade da Energia Elétrica – GQEE Instituto de Sistemas Elétricos e Energia – ISEE
Universidade Federal de Itajubá
PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS II ESTUDO DE PROTEÇÃO E SELETIVIDADE
Orientador: Prof. Dr. José Maria de Carvalho Filho
Mestrandos em Eng. Elétrica Arthur Henrique Perini de Medeiros Thiago Moura Galvão.
Este documento tem como objetivo apresentar especificação de equipamentos e o estudo de proteção para a planta em questão planta industrial mostrada no diagrama proposto. A especificação dos equipamentos será feita para completar de uma forma geral todos os equipamentos que não foram apresentados no diagrama unifilar inicial, porém são fundamentais para o funcionamento completo do sistema industrial apresentado.
Tabelas de graduação de relés básicas serão apresentadas visando as funções principais destes relés. Assim como as curvas de coordenação da planta desde a entrada (concessionária) até os serviços de baixa tensão.
2 Premissas
Os seguintes itens definem as premissas básicas para este estudo:
2.1 Capacidade da planta: A potência instalada da planta será baseada na potência nominal do transformador de entrada, que é igual a 40 MVA.
Dados:
Diagrama unifilar apresentado;
Alimentação da planta em AT 138 kV;
Nível de curto circuito trifásico do ponto de conexão fornecido pela concessionária 1000 MVA ∠ − 87 conectado em delta.
Nível de curto circuito monofásico não foi apresentado e será considerado o mesmo do trifásico neste estudo.
Não será realizada a coordenação da proteção de entrada da planta em relação ao sistema de alimentação, no que se refere aos parâmetros da linha de 138kV.
2.2 PROTEÇÃO DA ENTRADA 138 Kv
2.2.1 Proteção de Distância da LT
Nesta revisão deste estudo as funções de proteção de distância fase e terra estarão desativadas, devido a falta de informações da LT (Linha de Transmissão da Concessionária).
Para o caso onde estas estejam ativadas, as funções de proteção de distância de fase (ANSI 21) deverão atuar para faltas externas à planta, ou seja, na LT de 138 kV alcançando a SE da concessionária. Os ajustes deverão garantir que o tempo de atuação seja suficiente para
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que o gerador se mantenha estável após a abertura do acoplamento com a concessionária e serão efetuados pelo relé:
Relé : GE Multilin D60
2.2.2 Proteção de sobrecorrente 138kV
As funções de sobrecorrente direcional de fase (ANSI 67) utilizados como proteção backup da função 21 (quando ativada) deverão atuar de forma seletiva às proteções de sobrecorrente à jusante (para dentro da planta ).
Relé : GE Multilin D60
2.2.3 Proteção de tensão 138kV
As proteções de subtensão (ANSI 27) e sobretensão (ANSI 59) deverão atuar de forma coordenada às proteções de sobrecorrente (pois existe subtensão em falta de fase e sobretensão em falta à terra). Deverão também ser verificados se estão coordenados com os ajustes de proteção de tensão do gerador, atuando naturalmente, sempre antes destas. As funções de tensão serão efetuadas pelo relé:
Relé GE Multilin D60
2.2.4 Proteção de sub/sobrefrequência 138kV
A função de subfrequência/sobrefrequência (ANSI 81) deverá ser ajustada de forma a proteger a operação anormal de frequência da planta em paralelo com a concessionária evitando-se assim comprometimento dos componentes rotativos e o sistema elétrico interligado. As funções de subfrequência/sobrefrequência serão efetuadas pelo relé:
Relé GE MIV 3000
2.3 PROTEÇÃO DO TRANSFORMADOR DA SE
2.3.1 Proteção de sobrecorrente de fase transformador 138 kV
Os ajustes de funções de sobrecorrente de fase (ANSI 50/51) em 138 kV (primário dos transformador 40 MVA) serão seletivos à jusante com a função de sobrecorrente de fase em 13,8 kV (secundário do transformador). A função de sobrecorrente de fase primária do transformador será efetuada pelo relé:
Relé GE Multilin SR 745
2.3.2 Proteção de sobrecorrente de fase 13,8 kV
O ajuste de função de sobrecorrente de fase (ANSI 51) em 13,8 kV (secundário dos transformador 40 MVA) será seletivo à montante com a função de sobrecorrente de fase de 138 kV do transformador. A função de sobrecorrente de fase secundária do transformador será efetuado pelo relé:
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Relé GE Multilin SR 745
2.3.3 Proteção diferencial do transformador 40MVA 138/13,8 kV
Deverá atuar para faltas internos no transformador (função 87T) e dentro da região de proteção diferencial que é limitadas pelos TCs. Esta função será efetuada pelo relé:
Relé GE Multilin SR 745
2.3.4 Demais critérios para a proteção do transformador
Função 50 primário - ajuste maior que a corrente de magnetização do transformador e maior que o valor da corrente de curto circuito subtransitória assimétrica no secundário.
Função 51 primário - de 1.2 a 2.5 vezes a corrente nominal devendo proteger o ponto de limite térmico do transf. (ANSI OU ABNT).
Função 51 secundário - de 1.2 a 2.0 vezes a corrente nominal.
As proteções térmicas dos transformadores (óleo 26 e enrolamento 49) normalmente são feitas através de leituras diretas (sensores de temperatura) ajustados conforme orientações do fabricante e em função da classe de isolação dos transformadores.
O relé deverá sinalizar a proteção incorporada do relé Bulcholz (gás 63FP)
2.4 PROTEÇÃO DO GERADOR As proteções descritas a seguir serão utilizadas no gerador 30MVA 13, 8 kV são descritas
pelas normas:
ANSI C37.101-1993
ANSI C37.102-2006
ANSI C37.106-1987
Relé utilizado GE Multilin 489 – Proteção para Geradores. O relé apresenta um solução integrada completa para a proteção de geradores. As funções ativas serão listadas abaixo:
2.4.1 Sub e Sobretensão: (ANSI 27 e 59).
Esta proteção limita o risco de danos ao enrolamento do gerador e demais componentes do sistema.
2.4.2 Perda de Campo: (ANSI 40)
A perda de campo pode trazer sérios danos ao gerador ainda mais se o mesmo opera próximo da faixa nominal quando se dá este evento. Elevadas correntes que circulam no estator podem ser induzidas no campo e podem danificar os enrolamentos amortecedores além de absorver potência reativa do sistema. A máquina passa a operar como gerador de indução, sobreaquecimentos perigosos nos enrolamentos e extremidades do núcleo podem ocorrer.
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O método mais utlizado para esta proteção é detectar a perda de campo através do monitoramento da impedância vista na entrada do gerador através de relés de distância.
2.4.3 Anti-motorização: (ANSI 32)
Função de proteção para detectar a inversão do fluxo de potência ativa com o relé direcional de potência. Ajuste de acordo com o fabricante que garante a potência mínima do gerador, que inclui as perdas.
2.4.4 Sobrecarga: (ANSI 49)
A função 49 representa uma proteção térmica do gerador que deve ser ajustada de acordo com o fabricante.
2.4.5 Sobrecorrente: (ANSI 51)
A função de sobrecorrente temporizada normalmente 1,25% da corrente nominal, depende dos dados do fabricante e da curva do gerado.
2.4.6 Sobrecorrente com Restrição de Tensão: (ANSI 51V)
Para faltas este relé é sensibilizado pelos dois fenômenos inerentes: A sobrecorrente e a subtensão. A referência indica ajuste de 1,5 a 2 In e 0,5 segundos.
2.4.7 Proteção de terra: (ANSI 59 GS ou 64GS);
A proteção de terra sensível visa trabalhar em conjunto com a limitação de corrente provida pelo resistor de aterramento através do transformador.
2.4.8 Relé de Frequencia (ANSI 81)
O gerador deve ser protegido contra operação anormar de sub e sobre freqüência, pois sob estas condições causam impactos no sistemas interligado e nas massas rotativas.
2.4.9 Proteção Diferencial (ANSI 87)
A proteção atuará dentro da zona pre –determinada pelos TCs que idealmente seria em todo o enrolamento, porém para curtos fase e terra que se aproximas do neutro do gerador pois o relé necessita de uma corrente mínima de atuação. Esta corrente mínima será limitada pelo Zn.
2.4.10 Sobre Excitação – Volts/Hertz (ANSI 24)
Os efeitos da sobre excitação são aumento da corrente de campo e falha na isolação devido ao aquecimento. Então mesmo a vazia a relação V/H indica a variação da densidade de fluxo e as perdas por histerese e Foucault. Esta é uma unidade temporizada para permitir o start-up e oscilações do sistema sem para a unidade.
Os critérios abaixo serão utilizados para ajuste.:
Função 27: Ajuste de 80 a 90% de Un (temporizado)
Função 32: Ajuste de 2 a 6% Pn (temporizado)
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Função 40: Conforme recomendação do fabricante do gerador e temporizado
Função 51: Ajuste de até 125% de In
Função 51V: Ajuste de até 150% de In
Função 59: Ajuste de 110 a 120% de Un (temporizado)
Função 64G: Ajuste de 10% da tensão residual
Função 81: Trip instantâneo em 57Hz ou temporizado conforme recomendação do
fabricante do gerador
Função 87: Em função da corrente do gerador e do erro dos TC’s.
2.5 PROTEÇÃO DE CABOS E BARRAMENTOS Normalmente, nenhuma proteção é colocada exclusivamente para proteção de cabos, pois
sua suportabilidade quanto a esforços térmicos e dinâmicos, são superiores as dos demais equipamentos do sistema.
Os pontos a serem verificados para a proteção dos cabos são aqueles da curva “I2t”, e são obtidos dos fabricantes em função da temperatura inicial e temperatura máxima permitida para o isolamento. Os barramentos serão protegidos, quando necessário, pelo uso das unidades instantâneas de sobrecorrente.
2.6 PROTEÇÃO DE MOTORES MT Foram adotados dois esquemas para interligação dos motores de MT que são 10 unidades de 500 CV com partida direta em 4,16kV. Uma é provida de um disjuntor a vácuo e a outro por contactor a vácuo com fusíveis limitadores. A proteção de sobrecarga de ambas é através de relé microprocessado. Para efeito de comparação os relés escolhidos foram os Schweitzer 701 e o Westinghouse IQ-1000. Os desenhos em formato CAD anexos a este estudo indicam os esquemas de ligações.
2.7 PROTEÇÃO DE MOTORES DE BT Na proteção de motores de BT 480 V, foram estudadas as opções de proteção dos 10 motores de 105 CV com disjuntor-motor, disjuntor termo-magnético, relés térmicos e fusíveis e relé microprocessado. Os desenhos em formato CAD anexos a este estudo indicam os esquemas de ligações.
2.7.1 Premissas de ajustes da proteção de motores de BT e MT
Proteção contra sobrecarga – 1 x In – temporizada, protegendo a curva de rotor bloqueado.
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Proteção contra curto circuito – Ajuste acima da corrente de partida incluindo o fator de assimetria 1,6 x Ip e mais 10% de segurança.
Proteção contra faltas fase-terra – 51N, curva de tempo definido
Para os motores de MT também a proteção de carga travada (JAM) que é ajustada em 2 x In e temporizada em 1s.
3 SISTEMA DE ATERRAMENTO
O sistema de aterramento é separado em 3 subsistemas sendo, BT, MT-4,16, MT-13,8kV. Não é considerado aterramento em AT devido à conexão delta do transformador e o PAC. Foi especificado para a limitação da corrente de falta o aterramento com resistor de baixo valor com os seguintes valores e temporização.
BT: aterramento sólido.
MT – 4,16kV: 12 Ohm – 200A – 10s;
MT-13,8kV - Trafo: 19,96 Ohm – 400A – 10s;
MT-13,8kV - Gerador: 19,96 Ohm – 400A – 10s;
Os motores de MT e BT utilizam a conexão estrela isolados. A proteção dos resistores de aterramento é feita através de curvas de tempo definido coordenada com a proteção fase-terra do sistema.
4 CRITÉRIOS DE SELETIVIDADE
A seguir são descritos os critérios básicos a serem seguidos durante a elaboração do estudo de seletividade. Os critérios foram estabelecidos considerando duas proteções em série.
4.1 Disjuntor a disjuntor de baixa tensão ou relé Intervalo a ser considerado:
0.1 a 0.15 segundos dependendo do tipo de sensores envolvidos no circuito, considerando-se que a maioria dos disjuntores de baixa tensão caixa moldada opera com a sua unidade instantânea com 15ms e no caso de disjuntores a ar, abertura em até 5 ciclos (80 ms).
4.2 Relé a relé Intervalo a ser considerado:
0.2 a 0.3 segundos dependendo do tipo de relés, valor da corrente de curto-circuito (erros) e tempo de abertura do disjuntor. Disjuntores de média tensão, costumeiramente operam
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com extinção do arco em 5 ciclos (80ms) e os relés digitais tem tempo de sensibilização média de 30 ms, portanto tempo médio provável para a eliminação do curto-circuito é de 110ms. A temporização mínima de 200ms será adotada em geral com a finalidade de se alcançar o tempo de eliminação na montante não superior a 1s.
4.3 Fusíveis O tempo de fusão dos fusíveis será considerado de 10 a 50ms.
Fusível a fusível
Intervalo a ser considerado:
É considerado seletivo quando a relação entre as correntes nominais dos fusíveis for maior que 1.6 (fusíveis do tipo limitadores), ou a relação entre as correntes nominais é maior que o fator de assimetria da corrente de curto-circuito no ponto de falta.
5 DIAGRAMA UNIFILAR BÁSICO
Abaixo está mostrado na figura 1 o diagrama inicial proposto como base do projeto de proteção.
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Figura 1 - Diagrama unifilar do sistema elétrico.
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5.1 Dados da Planta
Gerador – 30 MVA;
Reatância Subtransitória (Xd” = 0,18);
Reatância Transitória (Xd’= 0,25).
Transformador 1 – Conexão (∆-Y);
S = 40MVA;
Z = 12%.
Transformador 2 – Conexão (∆-Y);
S = 5MVA;
Z = 6%.
Transformador 3 – Conexão (∆-Y);
S = 1,5MVA;
Z = 5%.
MIT 1 – 10x500 cv; Tp = 6s;
In = 69A; Trb = 15s; Nº Partidas Sucessivas = 2.
Ip = 414A; Nº Partidas = 6/hora;
MIT 2 – 10x100 cv; Tp = 1s;
In = 125A; Trb = 20s;
Ip = 750A;
6 DIAGRAMA DE PROTEÇÃO
Abaixo na figura 2 está mostrado o diagrama de proteção da planta:
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Figura 2 – Diagrama de Proteção
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7 Dados do estudo de Curto circuito
Abaixo na tabela 1está mostrado o resultado do cálculo de curto circuito em ½ ciclo simétrico. O software utilizado é o ETAP 7.0.
Os demais dados do sistema estão em anexo no CD que acompanha este estudo.
8 Referências
[1] CARVALHO FILHO, Prof. José Maria de. PROTEÇÃO DE SISTEMAS ELÉTRICOS, Itajubá: Apostila Didática, 2009
[2] CARVALHO FILHO, Prof. José Maria de. PROTEÇÃO CONTRA ARCOS ELÉTRICOS INTERNOS. Itajubá: Apostila Didática, 2009
[6] Norma IEEE Std C37.102-2006 – IEEE Guide for AC Generator Protection
[7] Norma IEEE Std C37.106-1987 – IEEE Guide for Abnormal Frequency Protection for Power Generating Plants
[8] MARDEGAN, Cláudio. Proteção de Geradores. Revista O Setor Elétrico, São Paulo, v. 58, n. 1, p.28-38, nov. 2010.
Tabela 1 – Resultados do calculo de curto circuito
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9 Anexos
Os ajustes das princípais funções dos relés utilizados neste projeto estão mostrados em anexo bem como as folhas de tempo versus corrente foram emitidas também com o software ETAP 7 e estão mostradas abaixo.
Seconds
Seconds
B6-CCM2
0,48 kV
B5-QD3
0,48 kV
52-10
CABO-2
MOTOR-4
CABO-3
52-11
MOTOR-4
52-11
52-10
OL1
CABO-2
CC-B5-Transitório
33,38kA @ 0,48kV
FU-1ABBOFAM 2Other 0,69 kV125A
FU-1 - 3P
30,074kA @ 0,48kV(Sym)
CC-B6-Transitório
28,62kA @ 0,48kV
CC-B5-Transitório
33,38kA @ 0,48kV
CC-B6-Transitório
28,62kA @ 0,48kV
MOTOR-3-100%
52-10ABB SACE PR112Sensor = 1600LT Pickup = 0,75 (1200 Amps)LT Band = 6ST Pickup = 2,1 (3360 Amps)ST Band = 0.05 (I^x)t = OUT
MOTOR-3-HotStall = 20 sec
52-10 - 3P
34,914kA @ 0,48kV(Sym)
FU-1 - 3P
30,074kA @ 0,48kV(Sym)
10K,5 1 10 100 1K3 5 30 50 300 500 3K 5K
Amps X 100 B6-CCM2 (Nom. kV=0,48, Plot Ref. kV=0,48)
10K,5 1 10 100 1K3 5 30 50 300 500 3K 5K
Amps X 100 B6-CCM2 (Nom. kV=0,48, Plot Ref. kV=0,48)
1K
,01
,1
1
10
100
,03
,05
,3
,5
3
5
30
50
300
500
Seconds
1K
,01
,1
1
10
100
,03
,05
,3
,5
3
5
30
50
300
500
Seconds
ETAP Star 7.0.0
TCC-BT-FU1/52-10
Project: PROJETO PLANTA INDLocation: ITAJUBA-MGContract:Engineer: ARTHUR MEDEIROS/ THIAGO GALVÃOFilename: C:\ETAP 700\trabalho_prot\trabalho_prot.OTI