Uma nova abordagem para testes da proteção diferencial de barra

As barras possuem grande importância, uma vez que são pontos de convergência de elementos como linhas de transmissão, geradores, alimentadores e cargas do sistema elétrico de potência (SEP). São as responsáveis por efetuar a conexão/distribuição de grandes volumes de energia e, consequentemente, possuem elevada potência nominal.

Na ocorrência de uma falta direta ou próxima da barra, normalmente, a corrente de curto-circuito é muito alta, com valores suficientes para causar danos aos equipamentos sujeitos a esta corrente, caso o sistema de proteção não atue em tempo hábil. Nesse contexto, a proteção mais importante é a proteção diferencial, a qual apresenta diversas vantagens nos quesitos de manutenção da estabilidade e eliminação da falta no menor tempo possível. Devido ao fato de que, na ocorrência de uma falta na saída de um alimentador / linha, o TC deste alimentador pode saturar, então, tradicionalmente, é aplicado à proteção diferencial de barramentos um relé com entrada de alta impedância, sensibilizado pela tensão resultante do desequilíbrio das correntes envolvidas. Na operação normal ou no caso de uma falta externa que não provoque a saturação de nenhum TC, a tensão resultante medida pelo relé é zero, não sensibilizando esta proteção.

Nos últimos anos, novas tecnologias capazes de trazer à proteção diferencial de baixa impedância a sensibilidade e a estabilidade necessárias para a proteção de barramentos foram incorporadas aos novos relés de proteção por vários fabricantes, como algoritmos de detecção de saturação de TCs, TC em curto e função diferencial restrita pela direcionalidade.

Teste da proteção diferencial de barra

Para testar a unidade de proteção diferencial de barra com entrada do relé de proteção de baixa impedância é necessário que a ferramenta de teste utilizada simule a corrente de secundário dos TCs conectados à barra, em quantidade e amplitude suficientes para abranger o maior número de tipos de faltas possíveis. Isto significa que é necessário usar uma grande quantidade de fontes de corrente e que cada fonte tenha amplitude suficiente para simular até mesmo uma falta na saída da barra (maior valor de corrente de curto-circuito).

Outro ponto importante a ser destacado é a dificuldade quanto a analisar os algoritmos implementados nos relés para evitar operações errôneas devido à saturação dos TCs. Muitas vezes, os testes eram realizados injetando apenas formas de onda senoidais puras, sem conteúdo DC e sem incluir no teste a modelagem da saturação, ficando assim o teste sem avaliar o comportamento transitório dos algoritmos de detecção de saturação e restrição da operação pela direcionalidade das correntes.

Uma ferramenta hardware / software capaz de modelar e simular o sistema de potência e injetar as correntes e tensões de falta no relé, desenvolvida pela Conprove, permite simular faltas internas e externas à barra, levantar a característica de slope, variar o ponto da falta dentro de cada alimentador e simular saturação de TCs, validando o correto funcionamento da proteção diferencial. Para realizar os testes utilizando o conjunto software/hardware foi modelado um sistema composto de uma barra simples, com nove alimentadores conectados, todos com geração considerando-os parte de um sistema interligado. Oito dos alimentadores possuem uma carga conectada, a qual recebe energia de duas direções, uma fornecida pelo próprio alimentador e o restante pelo alimentador sem carga (entrada), que fornece energia para todos os outros alimentadores.

Figura 1 – Imagem do sistema de testes e diagrama unifilar da simulação.

Na realização dos testes foram criados vários casos de simulação variando diferentes parâmetros e investigando o comportamento da proteção em cada caso. São eles:

• Curto externo sem a modelagem da curva de magnetização;
• Curto interno;
• Curto externo com a presença da saturação;
• Curto externo evoluindo para um curto interno sem a modelagem da curva de magnetização;
• Curto externo evoluindo para um curto interno com a presença da saturação.

Isto permitiu observar o funcionamento do relé em condições sem saturação (burden baixo) e, elevando gradativamente a carga de burden, situações de saturação leve e pesada para faltas externas. Neste loop de ensaios, foi avaliado o comportamento com a função Add-on Stabilisation, que pode ser habilitada com duração definida ou com duração infinita, sendo esta última a opção utilizada nos testes. Com o bloqueio infinito, o IED bloqueia o sinal de trip sempre que identificar uma falta externa. Em todos os casos, o relé se comportou corretamente, ou seja, não operou, visto que a falha estava ocorrendo em uma região fora da zona delimitada pela proteção. Um dos casos simulados e mostrado nas Figuras 2 e 3 foi o curto externo com saturação evoluindo para um curto interno.

Figura 2 – Formas de onda no tempo para um curto-circuito externo com saturação evoluindo para um curto circuito interno.

Figura 3 – Trajetória instantânea e RMS da corrente no plano Idiff x Irest para um curto externo com saturação evoluindo para um curto-circuito interno.

Conclusão

Com a grande evolução dos dispositivos de proteção e as novas exigências para ensaio de suas unidades, as ferramentas e os métodos tradicionais de ensaio de relés tornaram-se obsoletas por não serem capazes de testar em plenitude várias particularidades das funções de proteção. Assim como os IEDs, as ferramentas de teste também devem evoluir. Dentre os tópicos que não eram explorados com profundidade estavam a simulação de saturação dos TCs, o controle da direcionalidade das correntes na simulação das faltas, a visualização gráfica do slope para diferenciais de barra com várias E/S, entre outras.

Expandindo o modelamento do sistema aqui testado é possível simular esquemas mais complexos, envolvendo barras duplas, recomposição de barras, seccionamento de barras, aberturas mono e tripolares, etc. Os ensaios realizados mostraram que a nova ferramenta de testes é eficiente, tanto em hardware quanto em software, realizando ensaios de relés de proteção de barra de forma adequada, profunda e rápida. Desta maneira será possível interpretar melhor o comportamento desta função de proteção e interagir com a mesma de uma forma mais segura, oferecendo recursos que auxiliam, e muito, os profissionais durante a execução dos ensaios.

Referência:

(1) Pereira, P. S., Pereira Júnior, P. S., Martins, C. M., Salge, G. S., Lourenço, G. E. Requisitos, dificuldades e novas soluções para os testes de proteções diferenciais de barra; STPC 2014; Brasil.

Este artigo contou com a colaboração dos profissionais: Gustavo Silva Salge, Cristiano Moreira Martins, Paulo Sérgio Pereira, Gustavo Espinha Lourenço e Adriano de Carvalho Silva.

*Paulo Sérgio Pereira Junior é engenheiro eletricista, administrador de empresa, especialista em gerenciamento de projetos e atualmente é diretor técnico da Conprove Indústria e Comércio Ltda. Além disto, é consultor, pesquisador e instrutor na área de proteção de sistema elétrico de potência e automação de subestações.

Gustavo Silva Salge, Cristiano Moreira Martins, Paulo Sérgio Pereira, Gustavo Espinha Lourenço, Adriano de Carvalho Silva são engenheiros eletricistas da área de proteção de sistemas elétricos e compõem o grupo técnico da Comprove Engenharia LTDA.