UNIVERSIDADE FEDERAL DE SANTA CATARINA

Programa de Ps-Graduao em Metrologia Cientfica e Industrial

DETECO DE FALTA TERRA NO SERVIO AUXILIAR EM CORRENTE CONTNUA DAS SUBESTAES DE

ENERGIA ELTRICA

Dissertao submetida Universidade Federal de Santa Catarina para obteno do grau de Mestre em Metrologia

Autor: Fbio Ornellas de Arajo, Eng.

Orientador: Prof. Hari Bruno Mohr, Dr. Eng.

Florianpolis

Santa Catarina BRASIL

setembro 2004

DETECO DE FALTA TERRA NO SERVIO AUXILIAR EM CORRENTE CONTNUA DAS SUBESTAES DE

ENERGIA ELTRICA

Fbio Ornellas de Arajo

Esta dissertao foi julgada adequada para a obteno do ttulo

de

MESTRE EM METROLOGIA

e aprovada na sua forma final pelo

Programa de Ps-Graduao em Metrologia Cientfica e Industrial

______________________________________

Prof. Hari Bruno Mohr, Dr. Eng. ORIENTADOR

______________________________________

Prof. Marco Antnio Martins Cavaco, Ph. D. COORDENADOR DO PROGRAMA DE PS-GRADUAO

BANCA EXAMINADORA

______________________________

Marco Antonio Martins Cavaco, Ph. D

______________________________

Celso Luiz Nickel Veiga, Dr. Eng.

_____________________________

Jacqueline Gisele Rolim, Dr. Eng.

______________________________

Antnio Carlos Zimmermann, Dr. Eng.

ii

Aos meus pais

Jos Helson de Arajo

Shyrlei Maria de Ornellas Arajo

e irms

Fabola e Fiorella

iii

AGRADECIMENTOS

A concretizao deste trabalho apenas foi possvel graas contribuio de

algumas instituies e pessoas, s quais expresso meus sinceros

agradecimentos:

Aos meus familiares; Ao Programa de Ps-Graduao em Metrologia Cientfica e Industrial; Aos professores Hari Bruno Mohr, Armando Albertazzi Gonalves Jr.,

Carlos Alberto Flesch, Gustavo Donatelli e Marco Antnio Martins Cavaco;

Aos colaboradores da Eletrosul S.A., em especial aos laboratrios: o Proteo - LAPRO: Luiz Cludio, Alberto, Adenilson, Joo Batista,

Joo Lessa e Luis Renato;

o Manuteno de Palhoa - SMPAL: Gerd, Allan, Eduardo, Luis Otvio, Jesus, Gilmar, Dagoberto, Charles, Amorin, Mello e Evaldo;

o Metrologia Eltrica - LAMEE: Dalvir, Celso Nazrio, Dariel e Sandro Peixoto.

Aos colaboradores da Fundao CERTI; Ao bolsista Rodrigo Luiz Viselli; secretria Rosana Magali Vieira; Ao INEP-UFSC; Colegas do Curso de Ps-Graduao; Aos amigos: Karin Trugillo May, Gustavo Rodrigues, Luiz Henrique Spiller,

Andra Cristina Konrath, Fabrcio Kessler, Silvia Abarca, Gilberto Assen,

Sandro Waltrich, Sandro Figueiredo, Antonio Carlos Xavier, Marly Faust e

Jorge Luis Alves.

iv

"Cogito, ergo sum"

("Penso, logo existo)

Ren Descartes

v

RESUMO

O melhor desempenho operacional de uma subestao est condicionado

necessidade de se evitar a interrupo na alimentao das cargas permanentes,

referentes medio, controle e proteo do sistema eltrico as quais esto

alimentadas pelo servio auxiliar em corrente contnua (CC). O desempenho

deste sistema influi diretamente na qualidade do Sistema Integrado Nacional (SIN)

de transmisso de energia eltrica.

Neste sistema, os equipamentos de proteo so os responsveis por

receber as informaes das grandezas eltricas do sistema, em tempo real, e

atuar nas ocorrncias das condies anormais. Esto associados os dispositivos

necessrios para detectar, localizar e comandar a eliminao de uma ocorrncia

no sistema de transmisso. Equipamentos como rels e transformadores para

instrumentao atuam sobre elementos chaveadores que isolam os trechos

defeituosos do sistema eltrico. Isso evita o agravamento dos danos aos

principais equipamentos como transformadores, barramentos e linhas de

transmisso.

Predominantemente integram o sistema de alimentao CC: os

retificadores alimentados pelo prprio sistema de transmisso e os bancos de

baterias, responsveis por manter a confiabilidade da operao dos dispositivos

de proteo (sinalizaes e alarmes) durante interrupo do servio local. Por ser

um sistema no aterrado, qualquer contato indesejvel de um de seus plos com

terra (falta terra), deve ser imediatamente identificado e isolado, pois, caso a

outra polaridade tambm venha terra, fecha-se um curto-circuito da fonte CC,

via terra.

Assim, o objetivo deste trabalho analisar este problema e detectar o

circuito sob defeito de falta em CC terra atravs da metrologia, em vista da atual

necessidade no sistema eltrico brasileiro, mostrando o funcionamento dos atuais

mtodos utilizados, propondo ainda uma nova soluo.

Palavras-chave: Proteo Eltrica, Servio Auxiliar, Falta Terra, Medio no-

Invasiva, Corrente de Falta.

vi

ABSTRACT

The best operational performance of a sub-station is conditioned to the

necessity of avoiding the steady-state load feed interruption, referred to

measurement, control and protection of the electrical system; which are fed by the

auxiliary service in direct current (DC). The performance of this system influences

directly on the National Integrated System (NIS) of electrical transmission.

In this system, the protection equipment is responsible for receiving the

information of the electrical system parameters, in real time, and to act on the

occurrences of the fault conditions. It is associated to necessary devices to detect,

localize and command the elimination of the transmission system occurrence.

Equipment as relays and transformers for instrumentation acts on switchers that

isolate the electrical system defected paths. This avoids aggravating damages to

the main equipment as transformers, buses and transmission line.

It predominantly integrates the DC feed system: the fed rectifiers by the

transmission system itself and the battery banks responsible for maintaining the

protection device operation reliability (signalization and alarms) during local

service interruption. For being a non-grounded system any undesirable contact of

one of its poles with the ground (fault to ground) must be immediately identified

and isolated, as in case of other polarity comes to ground, it is closed a short-

circuit of the DC source, via ground.

Thus, the objective of this work is to analyze this problem and to detect the

circuit under missing defect in DC to earth through the metrology since the present

necessity in Brazilian electrical system, showing the functioning of the present

methods used, proposing still a new solution.

Key-words: Electrical Protection; Auxiliary Service; Fault to Ground; Non-

invasive measurement; Fault Current.

vii

NDICE ANALTICO

CAPTULO 1 INTRODUO ________________________________________ 1

1.1 Identificao do Problema ______________________________________ 2

1.2 Proposta do Trabalho _________________________________________ 3

1.3 Estrutura da Dissertao_______________________________________ 4

CAPTULO 2 CENRIO DO SISTEMA DE SERVIO AUXILIAR ____________ 6

2.1 Caractersticas_______________________________________________ 6

2.1.1 Cargas _________________________________________________ 7

2.1.2 Nveis das Tenses _______________________________________ 8

2.2 Configurao ________________________________________________ 9

2.3 Sistema de Mdia Tenso_____________________________________ 11

2.4 Sistema de Baixa Tenso _____________________________________ 13

2.4.1 Sistema 480V___________________________________________ 13

2.4.2 Sistema 220 V/127 V _____________________________________ 15

2.5 Sistema em Corrente Contnua_________________________________ 17

2.5.1 Operao do Sistema_____________________________________ 19

2.5.2 Medio e Sinalizao ____________________________________ 20

CAPTULO 3 SINALIZACES E IDENTIFICAO DAS FALTAS EM

CORRENTE CONTNUA___________________________________________ 22

3.1 Sistemas de Sinalizao ______________________________________ 22

3.1.1 Lmpadas______________________________________________ 23

3.1.2 Porcentagem de Falta ____________________________________ 24

3.1.3 Rel de Proteo ________________________________________ 25 3.1.3.1 Ensaio do Rel de Proteo ________________________________________ 28 3.1.3.2 Ensaio do Rel___________________________________________________ 29 3.1.3.3 Avaliao da Incerteza de Medio ___________________________________ 31

3.2 Procedimentos de Identificao ________________________________ 34

3.2.1 Desligamento dos Disjuntores ______________________________ 34

3.2.2 Utilizao de Fonte Externa ________________________________ 36

3.2.3 Fugmetro _____________________________________________ 37

viii

CAPTULO 4 TCNICAS DE LOCALIZAO DO PONTO DE FALTA NO CABO

DE ALIMENTAO ______________________________________________ 39

4.1 Reflectometria no Domnio do Tempo - TDR ______________________ 39

4.2 Reflectometria no Domnio da Frequncia - FDR ___________________ 44

4.3 Mtodo das Pontes __________________________________________ 46

CAPTULO 5 DETERMINAO DA RESISTNCIA DE FALTA NA

SUBESTAO __________________________________________________ 50

5.1 Circuito de Proteo _________________________________________ 50

5.2 Falta Positiva Terra ________________________________________ 54

5.3 Comprovao Prtica ________________________________________ 58

5.4 Concluso Prtica ___________________________________________ 66

CAPTULO 6 TCNICA DE DETECO NO-INVASIVA ________________ 67

6.1 Descrio da Tcnica ________________________________________ 67

6.2 Estudo de Caso em Subestao da Eletrosul______________________ 70

6.2.1 Medio da Falta Utilizando a Garra de Corrente _______________ 71

6.2.2 Descrio da Causa da Falta terra _________________________ 73

6.2.3 Efeitos da Manuteno da Situao de Caso __________________ 77

CAPTULO 7 CONSIDERAES FINAIS E OPORTUNIDADES FUTURAS __ 78

REFERNCIAS BIBLIOGRFICAS __________________________________ 81

ix

NDICE DE FIGURAS

Figura 1: Configurao do Servio Auxiliar ...........................................................10

Figura 2: Alimentao no Sistema de Mdia Tenso ............................................11

Figura 3: Alimentao no Sistema de Mdia Tenso ............................................12

Figura 4: Medio do Sistema de Mdia Tenso (diagrama unifilar) ....................13

Figura 5: Sistema de Baixa Tenso em 480 V ......................................................14

Figura 6: Configurao do Sistema de Baixa Tenso em 220 V/127 V.................16

Figura 7: Sistema em corrente contnua encontrado nas subestaes.................18

Figura 8: Condies normais do circuito de superviso ........................................23

Figura 9: Aterramento franco no plo negativo .....................................................24

Figura 10: Diagrama esquemtico do MTX-C e sua curva de atuao .................26

Figura 11: Diagrama esquemtico do ensaio do rel ............................................29

Figura 12: Visualizao do experimento................................................................30

Figura 13: Exemplo dos circuitos auxiliares de uma subestao (72 circuitos).....35

Figura 14: Circuitos sob falta: alimentado pela barra com disjuntor fechado e outro

circuito alimentado por fonte externa com disjuntor em aberto .............................36

Figura 15: Falta positivo terra.............................................................................37

Figura 16: Falta negativo terra ...........................................................................37

Figura 17: Esquema eltrico do Fugmetro ..........................................................38

Figura 18: Vistas lateral e frontal do Fugmetro....................................................38

Figura 19: Onda gerada e refletida entre TDR e o condutor eltrico.....................40

Figura 20: Posicionamento do gerador de sinal (TDR) e do osciloscpio .............41

Figura 21: Tipos de ondas refletidas entre TDR e o condutor eltrico avariado....42

Figura 22: O impulso incidente gerado no ponto E monitorizado por um

osciloscpio nesse mesmo ponto..........................................................................43

Figura 23: FDR - Onda Incidente, Onda Refletida e observao da onda

estacionria na tcnica de medida ........................................................................45

Figura 24: FDR - Variao da estacionaridade com a freqncia .........................46

x

Figura 25: FDR - Formao da Onda Estacionria ...............................................46

Figura 26: Configurao Bsica da Ponte de Wheatstone....................................47

Figura 27: Aplicao do Ponte de Murray Loop ....................................................48

Figura 28: Sistema de proteo de falta terra (sem ocorrncia de falta)............51

Figura 29: Painel proteo do servio auxiliar comumente usado nas subestaes

eltricas.................................................................................................................52

Figura 30: Circuito equivalente da proteo da SE-PAL totalmente isolado .........53

Figura 31: Transitrio da proteo na ocorrncia de positiva terra ...................54

Figura 32: Circuito equivalente da proteo no instante de uma falta positiva......55

Figura 33: Sistema de proteo no instante estvel da ocorrncia de uma falta

positiva terra.......................................................................................................56

Figura 34: Circuito equivalente da proteo no instante de uma falta positiva......57

Figura 35: Vista dos painis de proteo e da conexo da fonte ao rel ..............59

Figura 36: Conexo bobina do rel ....................................................................60

Figura 37: Medio da corrente de falta terra por garra de corrente ..................68

Figura 38: Falta terra pelo plo positivo do equipamento...................................69

Figura 39: AC/DC Probe Current - modelo 1146A da Agilent................................71

Figura 40: Medies dos desbalanos de correntes dos 25 circuitos ...................72

Figura 41: Transformador 3 da Subestao Florianpolis.....................................74

Figura 42: Vista do topo do Transformador...........................................................75

Figura 43: Vista das Caixas de Passagem............................................................75

Figura 44: Vista interior da caixa (detalhe marca do nvel de gua)......................76

Figura 45: Vista interior da caixa (detalhe do eletroduto) ......................................76

xi

NDICE DE TABELAS

Tabela 1: Variaes permissveis das tenses auxiliares das subestaes............9

Tabela 2: Caractersticas do rel detector de fuga MTX-C da WARD...................27

Tabela 3: Resultado da calibrao da dcada resistiva, pela RBC .......................32

Tabela 4: Balano de Incertezas da Medio de atuao do rel .........................33

Tabela 5: Valores do ensaio de resposta do rel ..................................................61

Tabela 6: Valores de Corrente de falta nos circuitos da SE-FLO..........................73

xii

LISTA DE SIGLAS

ABNT Associao Brasileira de Normas Tcnicas

ASA American Standard Association

ANSI American National Standards Institute

BR Boto de Rearme

CA Corrente Alternada

CC Corrente Contnua

DROP-OUT Desligamento

FDR Reflectometro no Domnio da Freqncia

INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Normalizao e Qualidade

Industrial

IM Indicao da Medio

RM Resultado da Medio

LED Diodo Emissor de Luz

NA Normalmente Aberto

NF Normalmente Fechado

PESE Pedido de Servio

PICK-UP Atuao

PM Processo de Medio

RBC Rede Brasileira de Calibrao

xiii

SAGE Sistema de Gerenciamento da Subestao

SE-FLO Subestao de Florianpolis

SE-ITJ Subestao de Itaja

SE-PAL Subestao de Palhoa

SIN Sistema Integrado Nacional

TD Tendncia

TDR Reflectometro no Domnio do Tempo

TP Transformador de Potencial

U95% Incerteza Expandida

VIM Vocabulrio Internacional da Metrologia

Vca Tenso Alternada

Vcc Tenso Contnua

VOP Velocidade de Propagao do meio Condutor

Vpick-up Tenso de Pick-up

Vdrop-out Tenso de Drop-out

CAPTULO 1

INTRODUO

A necessidade de manter constante, sem interrupo, o sistema de

proteo nas subestaes eltricas alimentado em Corrente Contnua est

diretamente ligada s exigncias de qualidade da Transmisso de Energia

Eltrica.

O sistema de proteo recebe as informaes das grandezas do sistema

eltrico em tempo real e atua sempre que condies anormais ocorrem. A este

sistema de proteo esto associados dispositivos responsveis por detectar,

localizar e comandar a eliminao de um curto-circuito. Os principais

equipamentos de proteo, rels e transformadores para instrumentao, atuam

sobre equipamentos chaveadores, tais como disjuntores e seccionadoras

motorizadas. Estes equipamentos isolam os trechos defeituosos do sistema

eltrico, evitando o agravamento dos danos aos equipamentos principais, como

transformadores, barramentos e linhas de distribuio.

Como parte do sistema de alimentao CC tm-se os retificadores

alimentados pelo prprio sistema de transmisso e os bancos de baterias,

responsveis por manter a confiabilidade da operao dos dispositivos de

proteo (sinalizaes, alarmes e iluminao de emergncia) durante a

interrupo do servio local.

2

Por ser um sistema no aterrado, a ocorrncia de qualquer contato

indesejvel de um de seus plos com a terra (falta terra), deve ser

imediatamente identificada e isolada, pois, caso a outra polaridade tambm venha

terra, fecha-se um curto-circuito da fonte CC, via terra. Atualmente estas faltas

so supervisionadas por meio de lmpadas e alarmes sonoros, somente

indicando qual das polaridades foi terra, sem indicao do circuito de corrente

contnua com problema.

Buscando maior agilidade na manuteno da alimentao em corrente

contnua das subestaes de energia eltrica pelo advento de uma falta terra, a

empresa ELETROSUL S.A. ofereceu este tema como proposta de pesquisa

computada em seu banco de idias. Sendo assim, este trabalho trata dos atuais

procedimentos de deteco de falta terra, bem como dos tipos de deteco de

falta terra nos sistemas de alimentao em corrente contnua.

O objetivo deste trabalho analisar o problema a fim de identificar o

circuito sob falta terra atravs da metrologia, em vista da atual necessidade no

sistema eltrico brasileiro [1]. Busca-se mostrar os atuais mtodos utilizados e

tratar dos diagnsticos levantado nas ocorrncias destas faltas com proposta de

soluo, com ou sem a necessidade do desligamento temporrio da proteo.

Com isso espera-se minimizar o atual tempo de manuteno deste tipo de falta.

1.1 IDENTIFICAO DO PROBLEMA

A falta de informao gerada pelos atuais detectores de falta terra, hoje

utilizados, torna este trabalho uma importante iniciativa para melhorar o atual

3

problema de faltas em cabos e/ou equipamentos, dada a necessidade de manter

as cargas permanentes encontradas nas subestaes.

Das constantes ocorrncias [1] verificadas em subestaes, causadas pela

desenergizao do sistema auxiliar CC, as que desencadeiam sucessivos

desligamentos e geram, dessa forma, corte da transmisso e gerao da energia

eltrica, serviram como motivao para a elaborao deste trabalho.

Baseado nestes fatos, relatrios de ocorrncia [1] recomendam, em anlise

final, a avaliao dos atuais mtodos de deteco de falta terra e a necessidade

de se desenvolver uma nova metodologia e/ou instrumento de medio, que

facilite a investigao de falta de corrente terra com maior agilidade e

segurana.

1.2 PROPOSTA DO TRABALHO

Identificadas as necessidades do setor eltrico de transmisso, atravs de

relatrios de ocorrncia, este trabalho procura ilustrar o atual sistema de servio

auxiliar em corrente contnua e seus variados tipos de detectores de falta terra.

Alm de tratar do tema do sistema de alimentao por retificador / banco

de baterias, este trabalho prope uma nova forma de medir esta falta, de modo a

trazer mais informaes operao do sistema e com isso produzir como

resultados a agilidade e segurana, de modo prtico, na soluo deste problema.

4

1.3 ESTRUTURA DA DISSERTAO

Em se tratando de um estudo de metrologia eltrica, este trabalho

iniciado com uma viso do sistema auxiliar de corrente contnua e sua localizao

dentro das subestaes de transmisso de energia eltrica. Esta viso aparece no

captulo 2.

O captulo 3 traz uma explanao sobre o servio auxiliar em corrente

contnua, explicando seus funcionamentos, os tipos de deteco de faltas e os

atuais tipos de anlise dos problemas de falta para a terra. Ainda neste captulo

apresentada a avaliao da incerteza do ensaio de um rel de falta terra,

atravs da medio da resistncia de isolamento mnima para a devida atuao

da proteo em verificao aos dados do fabricante.

No captulo 4 so apresentadas as principais metodologias para analisar o

ponto de falta terra na ocorrncia em cabos, mostrando seus aspectos

metrolgicos.

No captulo 5 h uma avaliao experimental sobre o valor da resistncia

equivalente de falta que faz atuar o sistema de proteo da subestao de

energia eltrica, com o objetivo de analisar a ordem de grandeza da corrente de

falta.

O captulo 6 prope um novo mtodo de deteco de falta terra,

buscando uma melhor tcnica unida segurana e agilidade para sanar o

problema de falta para terra. Alm da descrio do funcionamento desta nova

tcnica de medio, mostra-se uma situao de caso em uma ocorrncia na

Subestao da Eletrosul em Florianpolis (SE-FLO).

5

Atravs desta estrutura busca-se esclarecer o funcionamento do sistema

auxiliar em corrente contnua, propondo-se um novo mtodo de medio para

detectar a corrente de falta para terra e metodologias para medir a distncia da

falta e diagnosticar as causas destas ocorrncias. Propem-se, ainda, novos

estudos com oportunidades futuras de pesquisa na rea da metrologia eltrica.

6

CAPTULO 2

CENRIO DO SISTEMA DE SERVIO AUXILIAR

O servio auxiliar de uma subestao de energia eltrica constitudo de

trs tipos de circuitos: Transformador de Servio Local, Banco de Baterias e Motor

Gerador a Diesel, os quais operam em diferentes nveis de tenso e formas de

onda de modo a garantir a alimentao dos principais equipamentos do sistema,

mantendo as funes bsicas de segurana e iluminao das subestaes.

Dada sua importncia dentro do desempenho operacional do sistema de

transmisso de energia eltrica, os esquemas dos servios auxiliares possuem

elevados graus de confiabilidade e de flexibilidade para manter o fornecimento de

energia a uma subestao. Para isso, so considerados como fontes auxiliares os

sistemas de mdia tenso, baixa tenso e corrente contnua, cujas localizaes e

caractersticas so analisadas no decorrer do presente captulo.

2.1 CARACTERSTICAS

Para analisar o servio auxiliar das subestaes eltricas devem-se levar

em conta as classificaes das cargas e as variaes permissveis das tenses

de alimentao.

7

2.1.1 CARGAS

As cargas das subestaes de energia eltrica so classificadas de acordo

com o grau de segurana necessrio para sua alimentao [2]. Sob este critrio,

as cargas so classificadas em: permanentes, essenciais, no-essenciais e

emergenciais. Esta classificao, que leva em considerao o tempo que cada

carga pode ficar ausente do sistema, so descritas a seguir:

a) CARGAS PERMANENTES: so cargas que devem ter suprimento de

energia ininterrupta, mesmo que ocorra uma falha de curta durao em sua

alimentao. Devido a este fato, so cargas alimentadas em corrente contnua; e

esto relacionadas continuidade operacional do sistema e a segurana do

pessoal e das instalaes.

Exemplos de cargas permanentes so: proteo, telemedio, dispositivos

de comando e controle e teleproteo.

b) CARGAS ESSENCIAIS: so cargas alimentadas em corrente alternada

e que admitem interrupes de curta durao (poucos minutos) em sua

alimentao. Este tipo de carga esta relacionada ao grupo gerador desel, e so

divididas em dois grupos de nveis de tenso:

b.1) 480 V: A este nvel de tenso esto relacionados os

carregadores de baterias, os motores de acionamento dos

disjuntores e seccionadoras e o transformador de iluminao

essencial;

b.2) 220 V/127 V: Para este grupo de tenso esto relacionados a

Iluminao essenciais das edificaes, a alimentao dos

8

anunciadores e registradores grficos, o controle do paralelismo, o

indicador de taps dos autotransformadores, a medio de

faturamento e os equipamentos de comunicao.

c) CARGAS NO ESSENCIAIS: so cargas que admitem interrupes em

sua alimentao por tempo prolongado. Estas cargas so alimentadas em

corrente alternada e contemplam os seguintes equipamentos: sistema de

iluminao normal, aquecimento de equipamentos, refrigerao de

autotransformadores, sistema de abastecimento de gua e sistema antiincndio.

d) CARGAS DE EMERGNCIA: so as cargas relacionadas iluminao

de emergncia e que visam manter um nvel de iluminao mnimo para permitir a

visualizao da instrumentao nos painis de comando e a circulao segura do

pessoal. Este grupo alimentado em corrente alternada, funciona em corrente

contnua durante a falta de alimentao CA.

2.1.2 NVEIS DAS TENSES

As tenses adotadas nos sistemas auxiliares das subestaes so

divididas em dois grupos: Corrente Alternada CA e Corrente Contnua - CC.

Os valores das tenses em CA so subdivididos em outros dois nveis de

tenso: mdia tenso 13,8 kV, e baixa tenso 480 V, 220 V e 127 V. Para o grupo

em CC a tenso utilizada nas subestaes de 125 V [2] [3] [4].

Para estes valores de tenso do servio auxiliar, tm-se os seguintes

valores permissveis normalizados [4], conforme tabela 1.

9

Tabela 1: Variaes permissveis das tenses auxiliares das subestaes.

Tenso de Utilizao

Tenso Nominal [V] Mxima Mnima

Fase-Fase Fase-Neutro [V] % [V] %

13.800 - 14.490 +5 13.110 -5

480 - 504 +5 408 -15

220 - 242 +10 187 -15

(CA)

- 127 139 +10 110 -15

(CC) 125 - 140 +12 90 -28

2.2 CONFIGURAO

Considerando-se que os equipamentos na subestao podem se localizar

internamente s edificaes ou externamente (no ptio), a figura 1 permite

visualizar a configurao do sistema auxiliar da subestao.

10

Figura 1: Configurao do Servio Auxiliar

Nesta configurao, verifica-se que a mdia tenso, 13,8 kV, alimenta o painel de

480 V de tenso auxiliar e tambm convertida aos nveis de baixa tenso (220 V

e 127 V).

Alm destas tenses em corrente alternada, tem-se o conjunto banco de

baterias/carregador, que mantm a confiabilidade s cargas permanentes

alimentadas em corrente contnua.

11

2.3 SISTEMA DE MDIA TENSO

O sistema de mdia tenso o responsvel pela alimentao das cargas

das subestaes atravs da prpria rede bsica de distribuio ou pelo tercirio

dos transformadores da subestao. Responsvel por assegurar uma

continuidade operacional elevada, o esquema bsico desse sistema possui suas

fontes de alimentao duplicadas e independentes, as quais so classificadas em

principal e alternativa, segundo critrios de confiabilidade. Para este sistema

considerada como fonte mais confivel o tercirio do banco de

autotransformadores.

A configurao em mdia tenso adotada em uma subestao depende

das disponibilidades das fontes e apresentam as seguintes alternativas

apresentadas nas figuras 2 e 3 e descritas a seguir:

a) FONTE PRINCIPAL E FONTE ALTERNATIVA:

Nesta alternativa, as fontes principal e alternativa garantem a continuidade

na alimentao. Esse esquema utiliza o intertravamento entre os disjuntores de

480 V, o qual deve garantir o no paralelismo das fontes.

Figura 2: Alimentao no Sistema de Mdia Tenso

12

b) FONTE PRINCIPAL, FONTE ALTERNATIVA E FONTE DE

EMERGNCIA (GRUPO GERADOR DESEL):

Esta alternativa de alimentao das cargas contempla o mtodo anterior

(fonte alternativa e principal) adicionando-se, ainda, um gerador desel como fonte

de emergncia, que garantir a continuidade da alimentao de uma carga

principal, caso as outras fontes venham a ser desenergizadas.

Figura 3: Alimentao no Sistema de Mdia Tenso

Como medio e sinalizao para o sistema de mdia tenso em 13,8 kV,

tm-se o esquema mostrado na figura 4. A figura mostra a utilizao de um

voltmetro instalado na seo do painel de 480 V na Casa de Controle para

medio do valor de tenso e tambm ilustra que para uma superviso contra

faltas para terra no tercirio dos autotransformadores utilizado um rel de

sobretenso - 59 (Cdigo padronizado pela American Standard Association -

ASA). Este rel, instalado no painel de proteo do autotransformador, ligado no

13

deIta aberto dos TPs de 13,8 kV e dar alarme no anunciador destinado ao vo

do transformador.

Figura 4: Medio do Sistema de Mdia Tenso (diagrama unifilar)

2.4 SISTEMA DE BAIXA TENSO

o sistema formado pelas tenses de 480 V, 220 V e 127 V em corrente

alternada (CA).

2.4.1 SISTEMA 480V

Da mesma forma que no sistema de mdia tenso, o esquema de

alimentao em 480 V prev a duplicao dos alimentadores visando ao

atendimento do requisito da continuidade operacional das cargas. Este tipo de

transferncia entre as fontes duplicadas pode ser realizado manualmente em

subestaes controladoras e automaticamente em SEs telecontroladas.

14

Figura 5: Sistema de Baixa Tenso em 480 V

Para este sistema em baixa tenso, os barramentos dos painis em 480 V

possuem uma nica configurao, mesmo considerando a seleo de cargas

essenciais e no-essenciais relacionada presena do Grupo Gerador Desel,

podendo ser verificada pela Figura 5. Nesta figura so apresentados os

intertravamentos entre os rels 52 A/B/C/D/E que, conforme configurao,

alimentam as cargas pela fonte principal, alternativa ou pelo gerador desel.

15

Neste sistema, os transformadores de servios auxiliares so

dimensionados para atendimento totalidade das cargas, que em condies

operativas normais, so supridas pelo transformador ligado fonte principal,

ficando o segundo transformador como reserva.

Para este nvel de tenso, so consideradas as seguintes cargas:

transformador de iluminao e fora do ptio de manobra, casa de bombas do

sistema de gua, painel do gerador desel, sistema antiincndio dos

autotransformadores, equipamentos de ptio e carregadores de bateria.

Quanto a medio e sinalizao, os painis so equipados com

transformadores de corrente e potencial, monofsicos tipo seco, capazes de

suportar as corrente de curto-circuito nominal e momentnea do disjuntor de

maior capacidade do painel, permitindo a instalao de medio indicativa de

corrente e tenso, bem como a do medidor de energia sem indicador de demanda

e do rel de subestao (cdigo ASA - 27) para alarme de falta de CA.

2.4.2 SISTEMA 220 V/127 V

Apesar da existncia de duas alternativas de esquemas, face ao emprego

do Grupo Gerador Desel e conseqente necessidade de barras de cargas

essenciais e no-essenciais, a alimentao de 220 V e 127 V idntica para as

duas alternativas de esquema, conforme pode ser verificado na figura 6.

16

Figura 6: Configurao do Sistema de Baixa Tenso em 220 V/127 V

Para estes valores de tenso so consideradas as seguintes cargas:

a) 220 V (fase-fase): ar condicionado

b) 220 V (fase-neutro): iluminao e tomadas das casas: de

bombas, controle e do gerador desel.

17

c) 127 V (fase-fase): equipamentos de comunicao, painel de

medio de faturamento, painel de registradores grficos,

tomadas da casa de controle e indicao de taps do

autotransformador.

Na medio e sinalizao para este sistema, o painel dotado de um

transformador de corrente tipo seco, capaz de suportar a corrente de curto-circuito

nominal e momentnea do disjuntor de maior capacidade do painel, para permitir

a instalao de medio indicativa. Esta medio indicativa de tenso e o sensor

de subtenso para alarme de falta de CA so alimentados diretamente do

barramento.

2.5 SISTEMA EM CORRENTE CONTNUA

O sistema em corrente contnua est relacionado s cargas permanentes e

caracteriza-se pelos elevados graus de confiabilidade e de flexibilidade, obtidos

pela duplicidade das fontes de alimentao, dos conjuntos retificador/bateria, e

dos barramentos nos quadros de distribuio. A figura 7 apresenta o diagrama

unifilar bsico de um sistema em corrente contnua encontrado nas subestaes.

Esse diagrama mostra os dois conjuntos banco de bateria/carregador ligados aos

barramentos de operao (A e B) e de carga, atravs dos disjuntores (72-1 a 72-

8). O no paralelismo desse sistema garantido pelo circuito de controle, sendo

que todas as cargas podem ser alimentadas por um nico conjunto de banco de

bateria/carregador atravs de uma das barras de operao, fechando-se o

disjuntor 72-9.

18

Como proteo, esse sistema apresenta o monitoramento atravs de

lmpadas (L1) com referncia ao terra e sua proteo garantida para cada

barramento de operao, pelo uso do rel de subtenso (27).

Figura 7: Sistema em corrente contnua encontrado nas subestaes

Para o sistema em corrente contnua, os conjuntos bateria/retificador so

idnticos e independentes, cada um dimensionado para a totalidade das cargas e

podem operar nas seguintes condies:

1) Normal: Os retificadores suprem o sistema ficando as baterias em

flutuao;

2) Falta de CA: As baterias passam a suprir o sistema;

3) Retorno de CA: Os retificadores voltam a alimentar o sistema

fornecendo tambm carga s baterias.

19

Este sistema apresenta ainda as seguintes caractersticas:

a) A elevada flexibilidade do sistema caracterizada pela existncia de

duas barras de operao interligadas por um disjuntor (72-9) e de uma

barra de carga.

b) A barra dupla de operao permite:

b.1) A operao independente das duas fontes, sem que haja

paralelismo entre as mesmas;

b.2) A distribuio equilibrada das cargas, sendo as de maior

responsabilidade alimentadas por dois circuitos derivados de barras

distintas, proporcionando elevada confiabilidade ao fornecimento.

c) Um sistema de intertravamento entre os disjuntores, chave seletora

carga-flutuao e chave seletora auxiliar que garantir elevada segurana

aos requisitos de confiabilidade e atendimento s caractersticas

operacionais do sistema.

d) A utilizao de dois barramentos, associados s barras de operao

atravs de contatores, permite a utilizao de um sistema de iluminao de

emergncia em CC nas casas de controle e do gerador desel na

ocorrncia de falta geral de CA.

2.5.1 OPERAO DO SISTEMA

O sistema de servio auxiliar alimentado em corrente contnua, pelo

conjunto retificador/banco, de bateria apresenta dois tipos de operaes

relacionando cada um dos conjuntos de alimentadores:

20

1) Operao normal com carga em flutuao: Neste tipo de operao,

cada conjunto opera independentemente um do outro, sem conexo entre as

barras de operao. Com isso, cada carregador supre a carga normal e a bateria

se encarrega do excesso, sendo que a carga eventualmente perdida pela bateria

num perodo ser devolvida pelo carregador no perodo seguinte.

2) Operao em carga de equalizao: Nesta operao, a bateria e seu

respectivo carregador devero ser transferidos para a barra de carga,

permanecendo a outra bateria em flutuao e o carregador associado

alimentando toda a carga normal, com o fechamento manual do disjuntor de

interligao de barras da operao do painel de distribuio e o posicionamento

manual da chave seletora no carregador. A passagem da condio de carga de

equalizao para de flutuao ocorre de forma automtica no carregador, ao ser

atingido o final de carga na bateria, sendo tal evento sinalizado no anunciador do

painel de servios auxiliares, alertando o operador para transferir o conjunto

bateria-carregador para a barra de operao.

2.5.2 MEDIO E SINALIZAO

As medies e sinalizaes para o sistema auxiliar em corrente contnua

so efetuadas no conjunto bateria/retificador e no painel de distribuio.

No conjunto bateria/retificador, alm das medies indicativas de tenso

CA, tenso CC, corrente CC, devem ser sinalizadas as seguintes condies:

transferncia automtica da condio de carga para flutuao, fim de carga,

21

subtenso de CA, falta de fase de CA, perda da sada de CC, defeito interno no

carregador, sobretenso interna no carregador.

No painel de distribuio, as indicaes de corrente das entradas das

baterias e as tenses nas barras de operao so feitas atravs de ampermetros

e voltmetros, respectivamente.

Rels de subtenso, ligados a cada barra de operao, permitem detectar

faltas de tenso sinalizando no anunciador de servios auxiliares da subestao e

um sistema de sinalizao atravs de lmpadas indicativas em cada barra fornece

superviso quanto s faltas para terra.

22

CAPTULO 3

SINALIZACES E IDENTIFICAO DAS FALTAS EM CORRENTE

CONTNUA

Dos sistemas de servio auxiliar, vistos no captulo anterior, este estudo

das sinalizaes e identificaes das faltas restringe-se s fontes em corrente

contnua, dada a necessidade de permanncia na alimentao da proteo

eltrica das subestaes, consideradas como cargas essenciais. Em vista disso,

este captulo trata das sinalizaes e das tcnicas atuais utilizadas na

manuteno.

3.1 SISTEMAS DE SINALIZAO

Dos sistemas de sinalizao, este captulo trata de trs tipos principais

utilizados nas subestaes. So estes: o sistema por lmpadas, o mtodo de

medio da porcentagem de falta e o rel utilizado na deteco e conseqente

alarme da falta, os quais so descritos a seguir.

23

3.1.1 LMPADAS

O servio auxiliar em corrente contnua, alimentado pelo conjunto

retificador/banco de bateria, um sistema isolado da malha de terra (sistema

flutuante). Como proteo, este sistema necessita de um circuito de superviso

de terra o qual, na ocorrncia de qualquer contato indesejvel de um dos plos do

servio auxiliar com a malha de terra, deve imediatamente sinalizar a falta, para

um posterior isolamento do circuito sob falta.

Para isso, no painel CC/CA existem duas lmpadas de mesma potncia

que ficam permanentemente acesas, com a finalidade de supervisionar a

ocorrncia de aterramento nos circuitos de corrente contnua das subestaes.

Essas lmpadas so ligadas em conjunto com o rel de alarme (Cdigo ASA - 74)

[5], responsvel pelo alarme sonoro, de acordo com a figura 8.

Figura 8: Condies normais do circuito de superviso

Em condies normais, as lmpadas apresentam a mesma intensidade

luminosa. Caso haja aterramento no plo negativo, como mostrado na figura 9, a

lmpada L2 ir se apagar (contato franco terra) ou diminuir de intensidade

24

luminosa (contato parcial terra), e a lmpada L1 ficar com intensidade maior

que a normal. A corrente far o rel 74 operar soando um alarme, indicando que

houve contato terra atravs do plo negativo. Para o caso de uma falta terra

pelo plo positivo, o procedimento ser o mesmo, invertendo somente a

intensidade luminosa das lmpadas. Portanto, a terra ser detectada pelo plo

cuja lmpada demonstrar luminosidade mais fraca ou nula.

Figura 9: Aterramento franco no plo negativo

3.1.2 PORCENTAGEM DE FALTA

O mtodo das lmpadas com indicao de alarme indica somente a

ocorrncia do plo para a qual se encontra a falta para malha terra. Assim,

buscando-se o melhor diagnstico de uma falta, utiliza-se o mtodo da medio

das tenses entre cada um dos plos e a malha terra [6].

Tome-se o exemplo de um o conjunto retificador e banco de baterias que

possui a tenso de 125 V: em funcionamento ideal, tanto a tenso entre o plo

25

positivo e terra quanto a tenso entre o terra e o plo negativo so tenses

prximas a 62,5 V, ou seja, 50% do potencial da bateria (figura 8).

Durante uma falta a terra, onde ocorre a incidncia de uma resistncia

entre o plo sob falta e terra, surge um desbalano das tenses dos plos

terra. Esse desbalano pode ser medido durante a ocorrncia e com isso

possvel se ter uma idia de quanto menor (curto-circuito) ou maior (falta no

franca) a resistncia de falta.

Essa tcnica de grande interesse, quando ocorrem vrias faltas terra e

se deseja saber qual circuito est com a menor resistncia de falta e, com o

desligamento de cada um dos circuitos, tomar a deciso sobre qual deles deve

permanecer trabalhando, priorizando o desligamento dos equipamentos de ptio

em uma subestao.

3.1.3 REL DE PROTEO

Basicamente a deteco de falta terra efetuada pelo rel de proteo

terra - 64 (cdigo de proteo ASA) [5], que aciona um sistema auxiliar para

anunciar alarme de falta terra. A filosofia de funcionamento desse rel depende

de cada fabricante do sistema de superviso do terra para servio auxiliar,

buscando, atravs do desbalano de uma das grandezas eltricas (corrente,

tenso ou resistncia), a forma de sensoriamento para este tipo de ocorrncia.

Mas para este tipo de rel tem-se somente a deteco do plo que se encontra

sob falta sem sua indicao, ou seja, h pouca informao a respeito da

ocorrncia da falta.

26

Dentre os diferentes modelos de rels para deteco de fuga para terra, o

modelo MTX-C fabricado pela WARD [7], encontrado em vrias subestaes,

utiliza o princpio da ponte de Wheatstone para medir o desbalano da isolao de

cada um dos cabos para a malha terra.

Figura 10: Diagrama esquemtico do MTX-C e sua curva de atuao

O sistema de deteco adotado pelo rel MTX-C utiliza o mtodo de

desequilbrio de resistncia atravs de uma ponte de Wheatstone [7], na qual dois

braos correspondem s resistncias de acoplamento (R) ligadas aos dois plos

do sistema (L1 - positiva e L2 - negativa) e os outros dois braos so as

resistncias de isolao de cada linha terra (R1 e R2), conforme a figura 10.

Qualquer desequilbrio na resistncia de isolao do cabo de alimentao

provoca uma circulao de corrente via terra em direo ao ponto comum das

duas resistncias de acoplamento, o ponto P. O sinal de corrente convertido

numa tenso e esta comparada com uma tenso de referncia pr-ajustada

internamente, proporcional tenso da rede. Se o valor comparado estiver abaixo

do nvel ajustado (referncia), um LED vermelho indicativo acender ao mesmo

27

tempo em que o rel de sada comutar seus contatos, permanecendo nesta

condio at o sistema voltar condio normal (extino de defeito).

O grfico, ainda na figura 10, apresenta as zonas de atuao do rel

indicando os valores da zona de atuao em funo da diferena das resistncias

de isolamento.

Este dispositivo, que possui as caractersticas de funcionamento mostradas

na tabela 2, apresenta um pr-ajuste de fbrica para atuar quando o desbalano

entre as resistncias de isolamento for da ordem de 10 k. Para uma ocorrncia

neste valor de desbalano, o contato normalmente aberto (NA) do rel atuado e

faz com que um dispositivo anunciador de alarme indique a falta para terra.

Tabela 2: Caractersticas do rel detector de fuga MTX-C da WARD

Grandeza Valor

Tenso Nominal - CC Um [V] 125

Consumo VA/V 2/220

Variao da Tenso da Rede %Ua -30 a +15

Consumo VA 2

Sensibilidade k 10

Exatido % 10

Rearme Automtico

Temperatura de Funcionamento C -5 a +55

28

3.1.3.1 ENSAIO DO REL DE PROTEO

Conforme especificao do dispositivo de proteo, o rel MTX-C tem seu

ajuste de atuao em 10 k com incerteza de 10%. Dadas estas informaes

sobre seu funcionamento e sua variao de atuao de 1 k em torno do ponto

de atuao, proposto um ensaio laboratorial simulando uma falta terra, entre

cada um dos plos terra, atravs de uma dcada resistiva calibrada. Este

ensaio tem por objetivo medir o valor da resistncia que faz atuar o rel de

proteo e, com isso, fazer um comparativo com os dados do fabricante, os quais

so levados em considerao durante projeto do sistema de servio auxiliar da

subestao.

Conforme recomendao do ISO/GUM [8], a incerteza sobre os resultados

de uma medio (RM) de uma grandeza fsica leva a uma indicao quantitativa

da qualidade para que aqueles que os utilizam possam avaliar sua confiabilidade

e tornar possvel a comparao de resultados.

Assim, com esta recomendao de carter metrolgico associado ao

sistema de proteo eltrico, busca-se, atravs da verificao da atuao do rel

de proteo, um meio de firmar seu funcionamento dentro dos valores

apresentados pelo fabricante, que so os dados considerados para seu

funcionamento dentro de um projeto da subestao.

O equipamento utilizado aquele apresentado no item 3.1.3, ou seja, o

rel MTX-C fabricado pela WARD, o qual ser o objeto sob ensaio.

29

3.1.3.2 ENSAIO DO REL

O ensaio do rel MTX-C, responsvel pela superviso da corrente de falta

para terra, baseia-se no principio da zona de atuao, descrito no item 3.1.3, em

torno do valor de 10 k, com uma variao de 10%.

De acordo com a figura 11, tem-se que para a determinao desta zona,

fazem-se necessrias uma fonte em corrente contnua (simulando o sistema de

servio auxiliar em CC), uma fonte de corrente alternada (220 V ou 110 V) e uma

dcada resistiva calibrada. Vale ressaltar que a variao das alimentaes no

influencia nos resultados, dada a simetria que a ponte oferece.

Figura 11: Diagrama esquemtico do ensaio do rel

30

Medindo-se a atuao do rel atravs da variao da dcada resistiva, os

valores de resistncia encontrados para cada um dos plos, para um nmero de 5

ensaios por plo, so todos iguais a 9700. Para se chegar a esses valores,

usou-se um potencimetro com resoluo de 100 .

Conforme anlise dos valores medidos para a atuao do rel, tem-se a

repetio dos resultados, o que torna a mdia das medies igual ao valor da

indicao da dcada resistiva com relao ao valor da resistncia de atuao do

rel. A figura 12 apresenta uma foto desse experimento.

=+ 9700R

= 9700R

Figura 12: Visualizao do experimento

31

3.1.3.3 AVALIAO DA INCERTEZA DE MEDIO

Caracterizado o ensaio e o processo de medio (PM) do valor da

resistncia, torna-se possvel a avaliao da incerteza da medio, conforme

recomendao do ISO/GUM. Por se tratar de uma medida direta atravs da

dcada resistiva cdigo IT200166 de propriedade da Eletrosul, esta possui uma

rastreabilidade com a Rede Brasileira de Calibrao (RBC), cujo sistema integra

laboratrios credenciados pelo INMETRO. Com isso, a dcada funciona como

objeto-padro para a comparao dos resultados.

A fim de se adotar um mtodo padronizado para determinar o resultado da

medio, so necessrios, portanto, os valores de tendncia (Td) e incerteza

expandida (U95%) de cada uma das escalas da dcada conforme planilha de

calibrao.

De acordo com o Vocabulrio Internacional de Metrologia (VIM) [9], a

tendncia de um instrumento de medio : Erro sistemtico da indicao de um

instrumento de medio, ou seja, o valor da tendncia da calibrao um valor

que deve ser corrigido sobre a indicao de medio (IM).

A incerteza expandida (U95%) [10] est associada com a dvida ainda

presente no resultado da calibrao. Ela quantifica, atravs de uma faixa simtrica

de valores, em relao ao resultado base, a dvida no nvel de confiana

estabelecido - geralmente 95,5%, referente utilizao dos 2 com relao

distribuio dos valores das medidas. Seu valor composto pela combinao dos

efeitos aleatrios de cada fonte de incerteza que afeta o processo de medio.

32

A tabela 3 mostra os valores da tendncia e da incerteza expandida para

cada escala da dcada resistiva.

Tabela 3: Resultado da calibrao da dcada resistiva, pela RBC

Potencimetro

Indicao

Fator

Multiplicativo

Td

()

U95%

()

10 k

9

x1k

-0,08

0,11

1 k

7

x100

-0,0266

0,0084

Portanto, o resultado da medio considerando a correo (-Td) e a

incerteza expandida apresenta a seguinte caracterstica, segundo a expresso:

RM+G = IM Td U95% (1)

Conforme avaliao do balano de incerteza dos efeitos aleatrios e

sistemticos envolvidos nesta calibrao, tem-se, atravs da tabela 4, uma

anlise destas fontes de incerteza, caracterizando-se pelo seu tipo de distribuio

para seguinte utilizao do seu divisor [10].

33

Tabela 4: Balano de Incertezas da Medio de atuao do rel

Smbolo

Descrio

Correo

[]

Valor

[]

Distribuio

Divisor

[] V

Inc1

Incerteza Potencimetro

1

+0,08

0,11

Normal

2

0,55

Inc2

Incerteza Potencimetro

2

+0,0266

0,0084

Normal

2

0,0042

Resol.

Resoluo

---

100/2

Uniforme

3

28,8676

Cc

Correo

Combinada

+0,1066

uc

Incerteza

Padro Normal

28,9267

U95%

Incerteza

Expandida normal

58

Reescrevendo o resultado da medio, tem-se:

RM+G = IM Td U95%

RM-G = RM+G = 9700 - (+0,1066) 58

RM-G = RM+G = (9700 58) .

RM-G = RM+G = 9700 0,6%

Portanto, o valor mdio de atuao do rel de 9700 com a certeza

probabilstica de 95% de que este valor varia em 58 para mais ou para menos

em torno da mdia.

34

Conclui-se, com 95% de certeza, que a resistncia de isolamento mnima

para a atuao do rel, indicando falta terra no servio auxiliar, est entre 9642

e 9758 . Esta variao de 116 (0,6%) se verifica pelo baixo ndice de

resoluo do rel (100 ).

3.2 PROCEDIMENTOS DE IDENTIFICAO

Atualmente so utilizadas trs tcnicas para se identificar e detectar o circuito

sob falta terra. Esses mtodos de identificao do circuito, aps ser detectada

(alarmada) uma falta terra, so:

1. Mtodo de desligamento dos disjuntores;

2. Utilizao de uma fonte externa;

3. Fugmetro.

3.2.1 DESLIGAMENTO DOS DISJUNTORES

Uma das primeiras tcnicas para se descobrir o circuito sob falta terra, e

mais comumente usada, a tcnica do desligamento de cada um dos circuitos

alimentados em corrente contnua, at que o alarme no volte a atuar; ou ento,

que haja uma diminuio do desbalano de tenso dos plos positivo e negativo

em relao terra. Esse procedimento o mais prtico, mas conta com o

inconveniente da necessidade de se desenergizar os circuitos que estejam em

pleno funcionamento, ou seja, sem a corrente de falta.

Alm disso, visvel, pela figura 13, que a grande quantidade de

disjuntores pede uma grande quantidade de desligamentos para utilizar este

35

mtodo, o que torna um pedido de servio de manuteno complicado, j que

este sistema CC tem a necessidade de ter a continuidade na alimentao, e

tambm o mtodo pouco eficiente para o caso de mais de uma falta terra,

quando envolver mais de um circuito ou quando a falta estiver no barramento.

Por estar se tratando de cargas permanentes, este mtodo mesmo tendo

uma tima praticidade, no vem ao encontro das necessidades de qualidade e

confiabilidade do sistema de proteo das subestaes.

Figura 13: Exemplo dos circuitos auxiliares de uma subestao (72 circuitos)

36

3.2.2 UTILIZAO DE FONTE EXTERNA

Uma segunda tcnica, desenvolvida na Eletrosul [6], consiste numa

modificao do mtodo anterior (desligamento do disjuntor). A idia utilizar uma

fonte externa de potncia, jusante ao disjuntor, para alimentar cada um dos

circuitos que sero desconectados do banco de baterias. O circuito desligado ser

alimentado pela fonte externa e, caso este se encontre com a falta, o alarme ser

desativado (lmpadas acesas) e assim identifica-se o circuito com falta terra,

sem ocorrer desligamento, conforme figura 14.

Figura 14: Circuitos sob falta: alimentado pela barra com disjuntor fechado e

outro circuito alimentado por fonte externa com disjuntor em aberto

Em complemento ao procedimento dessa manuteno, para uma

subestao que possua dois bancos de baterias, interessante utilizar somente

um banco para alimentar todo o sistema auxiliar no perodo da manuteno e

utilizar o outro banco de baterias como a fonte externa. Trata-se de um mtodo

mais barato e eficiente, mas com o agravante da necessidade do desligamento

mecnico do disjuntor (sem interrupo da alimentao do equipamento). Ainda

37

assim, requer um perodo longo de manuteno, correndo o risco de o disjuntor

no rearmar, fato que acontece em alguns dos mais antigos sistemas [11].

3.2.3 FUGMETRO

A terceira tcnica, desenvolvida pela prpria Eletrosul [6], o equipamento

chamado Fugmetro. Este equipamento representa um importante passo para a

deteco de falta terra, pois descobre o circuito sob falta, atravs de um simples

circuito que utiliza diodos by-pass. Isto se justifica como um avano na pesquisa,

pois faz com que se descubra o circuito sob falta sem a necessidade da

desenergizao de cada um dos circuitos. Porm, este mtodo no abre mo da

necessidade do desligamento mecnico de cada um dos disjuntores dos circuitos

envolvidos. As figuras 15 e 16 mostram a deteco de uma falta positiva e de

outra negativa, respectivamente.

Figura 15: Falta positivo terra Figura 16: Falta negativo terra

38

Tem-se, pelas figuras, que, para qualquer uma das faltas, o voltmetro ir

medir a tenso total da bateria menos as trs quedas de tenso nos diodos ( 2,1

V). Caso o circuito no esteja com falta terra, o voltmetro dever indicar um

valor prximo metade da tenso do banco de baterias (62,5 V). A figura 17

mostra o esquemtico do fugmetro e na figura 18 tm-se as vistas laterais e

frontal deste equipamento.

Figura 17: Esquema eltrico do Fugmetro

Figura 18: Vistas lateral e frontal do Fugmetro

39

CAPTULO 4

TCNICAS DE LOCALIZAO DO PONTO DE FALTA NO CABO DE

ALIMENTAO

Este captulo trata das tcnicas existentes para se localizar faltas em cabos

e diagnosticar suas causas. Para isto, so apresentadas tcnicas de

Reflectometria no Domnio do Tempo e da Freqncia e os Mtodos das Pontes.

Essas tcnicas representam alguns procedimentos de ps-localizao do

circuito de falta, quando h o conhecimento de que a falha esta ocorrendo no

cabo e no na carga.

Para efeito de manuteno das subestaes de energia eltrica esses

mtodos representam pouco se comparado necessidade de um mtodo que

localize o circuito sob falha, mas complementa o fato de que aps ter sido

localizado o cabo com defeito, estes procedimentos ajudam na anlise pela busca

dos problemas e evitar assim a ocorrncia de novas falhas de isolamento.

4.1 REFLECTOMETRIA NO DOMNIO DO TEMPO - TDR

Para casos onde o ponto de falta terra se encontra ao longo do caminho

dos cabos que ficam entre a sala de controle e os equipamentos de ptio das

subestaes, necessria a utilizao de outra tcnica complementar de

40

localizao. Apesar de as tcnicas detectarem o circuito que se encontra sob falta

terra e indicarem se o problema est no circuito ou no cabo, elas no informam

a causa e nem a distncia do problema no cabeamento.

A teoria do TDR baseia-se no teorema da linha de transmisso para fios e

cabos utilizando o princpio de deteco pelas mudanas de impedncia ao logo

de um condutor [12]. O Reflectmetro no Domnio do Tempo TDR informa a

distncia da falta no cabo (linha de transmisso) atravs do intervalo de tempo

entre o impulso gerado e o refletido, tendo como conhecida a velocidade de

propagao do meio condutor (VOP), caracterstica de cada condutor.

O TDR um equipamento que trabalha no mesmo princpio que o radar.

Para tal, injetado um impulso (impulso gerado) em uma extremidade do cabo

sob teste e quando este impulso, que se propaga ao longo do condutor com

velocidade VOP, alcana a outra extremidade do cabo (ou uma falta ao longo do

cabo), toda energia (ou parte da energia) do impulso refletida de volta ao

gerador (figura 19).

Figura 19: Onda gerada e refletida entre TDR e o condutor eltrico

41

Qualquer mudana da impedncia (falta) no cabo faz com que alguma

energia reflita de volta para o TDR e possa ser visualizada atravs de um

osciloscpio (figura 20). a mudana de impedncia que determina a amplitude

da reflexo.

Figura 20: Posicionamento do gerador de sinal (TDR) e do osciloscpio

O TDR mede o tempo do ensaio, que vai desde a injeo do sinal (o sinal

viaja pelo cabo buscando o defeito), at refletir de volta, viajando novamente de

volta ao TDR. O TDR indica, ento, o sinal refletido como uma informao

exposta pela forma de onda. Este equipamento, alm de fornecer a distncia,

tambm fornece um diagnstico do tipo de problema que est acontecendo com o

cabo, atravs do formato desta onda refletida (Figura 21).

42

Figura 21: Tipos de ondas refletidas entre TDR e o condutor eltrico avariado

A abreviatura TDR, portanto, descreve tanto um instrumento de medida

(Time Domain Reflectometer) como a prpria tcnica de medida (Time Domain

Reflectometry). O significado da abreviatura depende, assim, do contexto em que

o dispositivo est sendo usado.

O reflectmetro baseia-se, assim, em um sistema de radar impulsivo

funcionando em cadeia fechada. Uma fonte gera um impulso que percorre um

determinado meio de transmisso (meio 1). Este impulso, ao atingir o ponto de

transio ' T ', do meio 1 para um outro meio (meio 2), refletido, retornando

fonte (figura 22). A observao feita no ponto 'E' permite mostrar os dois

impulsos: o impulso incidente, gerado num determinado instante e o impulso

refletido, defasado de um intervalo de tempo t, igual soma do tempo que o

impulso incidente demorou a percorrer a distncia L mais o tempo que o impulso

refletido demorou a percorrer a mesma distncia.

O ensaio do TDR faz uso do fenmeno de reflexo que acontece sempre

na presena de uma descontinuidade de dois meios. Como as medidas e as

43

observaes so feitas com base num defasamento temporal, da resulta o nome

da tcnica - Reflectometria no Domnio do Tempo.

Figura 22: O impulso incidente gerado no ponto E monitorizado por um

osciloscpio nesse mesmo ponto

A figura 22 mostra o impulso incidente (Ii) que percorre o meio 1 at atingir

a descontinuidade criada pelo meio 2 e que tem caractersticas diferentes das que

tem o meio 1. Uma parte da energia absorvida (ou transmitida para o meio 2),

mas outra refletida para o meio 1, dando origem a um impulso refletido (Ir), que

ir se propagar, at retornar ao ponto E.

O osciloscpio monitora tambm este impulso refletido que, relativamente

ao impulso incidente, apresenta uma defasagem temporal t. Este atraso,

associado amplitude e polaridade do impulso refletido, velocidade de

propagao dos impulsos e distncia percorrida, permite concluir sobre as

caractersticas do meio 1 e do meio 2.

Em funo do tipo de sinal que est sendo gerado e do tipo de aplicao, o

TDR pode ser Acstico, Eltrico, Eletromagntico ou ptico. Em qualquer dos

casos o princpio de funcionamento e as concluses a que se pode chegar so

sempre as mesmas.

44

Alm da aplicao do TDR para deteco da distncia do ponto da falta em

cabos, existem outras ainda. Tais aplicaes so: o radar utilizado nos aeroportos

(TDR Eletromagntico) e o sonar utilizado nos navios (TDR Acstico). O ensaio

do TDR aplicado ainda ao estudo das fibras pticas (TDR ptico).

4.2 REFLECTOMETRIA NO DOMNIO DA FREQUNCIA - FDR

O FDR uma tcnica de medida e observao de fenmenos semelhante

ao TDR na medida em que se baseia no principio da reflexo. No entanto, essas

medidas e observaes so feitas no domnio da freqncia.

Ao se propagar uma onda em um determinado meio e esta encontrar uma

descontinuidade, ser verificado um fenmeno de reflexo e ser gerada uma

onda refletida. O meio 1 da figura 23 transforma-se numa zona de interferncia

das duas ondas, incidente e refletida, encontrando-se pontos de interferncia

construtiva chamados mximos e pontos de interferncia destrutiva chamados

mnimos. Estes pontos esto fixos no espao e do origem a outra onda que se

designa por estacionria, dada essa fixao.

Para observar a onda estacionria bastaria andar ao longo do meio e medir

em cada ponto o valor de amplitude resultante da interferncia. Esta tcnica,

entretanto, incmoda e, na maior parte das vezes, impraticvel.

O FDR uma tcnica que substitui o deslocamento ao longo do meio (no

espao) por um deslocamento ou variao da freqncia do gerador que est

45

produzindo a oscilao inicial. Fixa-se, assim, o ponto de observao espacial,

quase sempre coincidente com o ponto espacial do gerador.

Figura 23: FDR - Onda Incidente, Onda Refletida e observao da onda

estacionria na tcnica de medida

Supondo que a descontinuidade dos meios corresponda a um curto circuito

tem-se, nesta ocasio, um ponto de amplitude nula na carga. Considera-se que o

gerador esteja operando em uma certa freqncia, tal que o comprimento do meio

corresponda a L = /8. Nestas circunstncias, no ponto espacial do gerador, a

onda estacionria apresentar um valor A = 2.Amax. Se a freqncia aumentar

de forma que o comprimento da linha a acompanhe, como se mostra na figura 24,

correspondendo a L= /4, L= 3 /4 e L= /2, o mesmo ponto de leitura registrar

valores respectivos de A = Amax, A = 2.Amax, A = 0.

Usando um osciloscpio no qual o varrimento horizontal esteja sendo

comandado pelo mesmo sinal que comanda o varrimento da freqncia, obter-se-

, assim, uma imagem idntica da figura 25, na qual o eixo do tempo ser

substitudo por um eixo de freqncias. Com isso tem-se a distncia da falta pelo

comprimento da onda estacionria.

46

Figura 24: FDR - Variao da estacionaridade com a freqncia

Figura 25: FDR - Formao da Onda Estacionria

4.3 MTODO DAS PONTES

Existem diferentes tipos de medies por pontes resistivas. Dentre eles

citam-se: Hillborn Loop, Murray Loop, Murray Loop Two-End, Murray-Fisher Loop,

Open & Closed Loop, Varley Loop e Werren Overlap [13]. Estes mtodos

dependem muito das caractersticas da ocorrncia da falta.

47

Para o caso em estudo, da falta ocorrendo no servio auxiliar em corrente

contnua dentro das subestaes, onde o cabo bipolar utilizado tem o mesmo

comprimento que vai do rel ao equipamento ou da carga fonte, o melhor dos

mtodos em ponte a ser aplicado o Murray Loop.

O Murray Loop uma variao da ponte de Wheatstone a qual, conforme

figura 26, possui seu princpio de funcionamento baseado no equilbrio das

resistncias, apresentado uma medio zero pelo galvanmetro durante a

existncia de uma igualdade entre os produtos das resistncias C1 com B2 e B1

com C2.

2121 .. BCCB RRRR = (2)

Figura 26: Configurao Bsica da Ponte de Wheatstone

A ponte de Wheatstone utilizada para medir uma resistncia

desconhecida (C1) a partir de outras trs resistncias (B1, B2 e C2) que devem

ser conhecidas.

Portanto, no caso da ponte de Wheatstone, para se conhecer o valor de

RC1 basta utilizar a seguinte frmula:

48

2

211

.

B

CBC R

RRR = (3)

Dado o princpio da ponte de Wheatstone, a figura 27 apresenta uma

variao do Murray Loop, que utilizado para se descobrir a distncia do ponto

de falha no cabo sob falta. Para este sistema, as resistncias adjacentes RC1 (do

cabo com falta), em loop com RC2 (do cabo sem falta), at o ponto de falta do

outro cabo, representam as resistncias C1 e C2 da ponte de Wheatstone.

Figura 27: Aplicao do Ponte de Murray Loop

Similarmente, as resistncias C1 e C2 correspondem a Rc1 e Rc2 da ponte

de Wheatstone e as resistncias B1 e B2 so equivalentes s resistncias RB1 e

RB2 da ponte.

Variando-se RB1 e RB2 at o balano do Galvanmetro (G) a ponte de

Murray Loop apresenta o balano das razes:

49

RR

RR

C

C

B

B

2

1

2

1 = (4)

Quando assume-se que a resistncia do condutor uniforme linear e

proporcional ao comprimento e sabe-se que o comprimento total do cabo igual a

L, a distncia do ponto de falta, LX, calculada da seguinte forma:

RRLL

B

BX

2

12= (5)

Utilizando-se o mtodo da ponte de Murray Loop, deve-se conseguir que a

resistncia correspondente ao comprimento do cabo sem falta e as resistncias

correspondentes ao comprimento do cabo em falta devem ser iguais. Caso sejam

diferentes, a exatido da medio ficar comprometida.

50

CAPTULO 5 DETERMINAO DA RESISTNCIA

DE FALTA NA SUBESTAO

Este captulo tem por objetivo esclarecer a determinao do valor de

resistncia de falta terra, positiva ou negativa (Rf+ e Rf-), que aciona o SAGE -

Sistema de Gerenciamento da subestao de palhoa (SE-PAL) e as correntes de

falta (IF) mnima e mxima resultantes da resistncia de falta (RF) mxima e

mnima (curto franco terra), respectivamente.

5.1 CIRCUITO DE PROTEO

Para monitorar a isolao do servio auxiliar em corrente contnua

utilizado um rel de proteo de terra (cdigo de proteo ASA 64). O princpio

deste rel atuar quando o valor da tenso sobre sua bobina for igual ou maior

ao seu valor de atuao ou pick-up (Vpick-up).

O rel utilizado na SE-PAL, modelo Mauell RCS21 possui, como

caractersticas, uma resistncia de bobina (Rr) igual a 4,58 k, uma tenso de

acionamento (Vpick-up) de 83,2V e, para seu desacionamento, uma tenso de

drop-out (Vdrop-out) igual a 13,5 V. Complementando este sistema de proteo

existe, em paralelo com a bobina do rel, uma resistncia (Rpr) de 4,98 k cujo

51

valor prximo ao da bobina (Rr). Essa resistncia tem a funo de diminuir pela

metade a corrente que passa pela bobina do rel. Esse esquema apresentado

na figura 28.

Figura 28: Sistema de proteo de falta terra (sem ocorrncia de falta)

Atravs da figura 29, tem-se a viso do painel do sistema de proteo do

servio auxiliar CC, com as indicaes dos rels, lmpadas e do boto de rearme

(BR).

Os contatos 3 e 4 do rel 64 so normalmente abertos (NA) e so os

responsveis pelo anunciador de alarme ao SAGE e da subestao, alimentados

pelo prprio servio auxiliar.

Alm desta sinalizao existem, no painel do sistema de deteco de falta

para terra, duas lmpadas que de modo on-line mostram o plo que est com

ocorrncia de falta. O grau de luminosidade da lmpada, acesa durante a falta,

52

demonstra o nvel da resistncia de falta (Rf) entre o plo com falta e a terra a

qual, para um valor mnimo, leva a uma iluminao fraca e, para uma pior

situao (curto do plo terra Rf=0 ), apresenta sua maior luminosidade. Para o

caso de curto franco do plo, esta mxima luminosidade limitada pelo resistor

em srie com a lmpada (Rsl) e pela prpria resistncia da lmpada (Rl).

Figura 29: Painel proteo do servio auxiliar comumente usado nas

subestaes eltricas

Modelando este sistema de proteo para um funcionamento totalmente

isolado (Rf ), tem-se o circuito da figura 30 como equivalente. Neste circuito

so encontrados os valores das tenses e correntes nos rels de falta positivo

(64P) e negativo (64N) e suas resistncias em paralelo (Rpr).

53

Figura 30: Circuito equivalente da proteo da SE-PAL totalmente isolado

Analisando o circuito da figura 30, possvel obter os valores das tenses

sobre os rels e a corrente total deste sistema. Para Vs.aux.=132 V:

mA

RR

VI

prr

auxsT 7,272386.2

132

111.2

.. ==

+

=(6)

mAIT 7,27=

mAIF 0=

VV

VrpVr auxs 0,662

1322

.. ==== (7)

Portanto, o equilbrio das tenses confirma o estado normal de

funcionamento do servio auxiliar.

54

5.2 FALTA POSITIVA TERRA

Uma falta terra pelo plo positivo do sistema de servio auxiliar em

corrente contnua representada por uma resistncia (Rf+). Para esta falta de

isolamento, o sistema de proteo pode ser caracterizado por duas situaes. A

primeira, conforme figura 31, considera o transitrio que vai do instante de

atuao do rel, aps este ser alimentado por sua tenso de pick-up (Vpick-up), at

o instante de fechamento de seus contatos auxiliares. A segunda situao

representada aps a situao de chaveamento dos contatos auxiliares do rel de

positivo (64P), que muda as caractersticas do sistema de proteo, adicionando

a lmpada de indicao.

O circuito da figura 32 representa a primeira situao, de transitrio, antes

do acionamento dos contatos auxiliares. Para esta situao so apresentadas as

equaes que levam ao valor da resistncia de falta RF.

Figura 31: Transitrio da proteo na ocorrncia de positiva terra

55

Figura 32: Circuito equivalente da proteo no instante de uma falta positiva

uppickrpr VVV ++ == (8)

uppickauxsr VVV = .. (9)

++

+

+

=

prr

rT

RR

VI

111

(10)

+

==

prr

rTrTRF

RR

VIIII

111

(11)

56

Para o clculo do valor da resistncia equivalente de falta tem-se:

+

=

+

+=+=

prr

rT

rF

prr

r

F

rrrFT

RR

VI

VR

RR

VRVIII

11111

1

(12)

Como terceira e ltima etapa do funcionamento do sistema de proteo e

sinalizao do servio auxiliar em corrente contnua, tem-se o fechamento dos

contatos auxiliares do rel de falta terra positiva (64P). Neste instante os

terminais 7/8 e 4/5, normalmente fechados (NF), comutam, respectivamente, para

os terminais 6 e 3. Com isto so alimentados a lmpada e o alarme de falta

terra junto ao sistema de gerenciamento (SAGE), conforme visto na figura 33.

Figura 33: Sistema de proteo no instante estvel da ocorrncia de uma falta

positiva terra

57

O circuito equivalente do instante aps o transitrio da atuao do rel de

falta positivo 64P pode ser visto na figura 34. Atravs deste circuito possvel

calcular a corrente de falta IF mnima que circular sobre a resistncia equivalente

de falta RF.

Figura 34: Circuito equivalente da proteo no instante de uma falta positiva

Para o clculo da corrente de falta (IF), tem-se:

( )lslprr

prrFprr

auxsT

RRRRRRRRR

VI

++

+

+++

=

++

++

1.1

1111

1..

(13)

( )lslprr

prrFprr

auxs

prr

prrT

prr

prrr

RRRRRRRRR

VRRRR

IRRRR

V

++

+

+++

+=+=

++

++

++

++

++

+++

1.1

1111

1.

..

. ..

(14)

58

+ = rrauxs VVV .. (15)

Ento:

( )lslprr

prrFprr

auxs

prr

prrauxsrauxsr

RRRRRRRRR

VRRRR

VVVV

++

+

+++

+==

++

++

++

+++

1.1

1111

1.

. ...... (16)

Como a tenso na resistncia de falta equivalente (RF) igual tenso do

rel de deteco de falta negativo em paralelo com o resistor RPr, tem-se:

FRrVV = (17)

F

rR R

VIF

= (18)

Atravs desta anlise do sistema de proteo, possvel obter os valores

finais em cada rel de proteo e a prpria corrente de falta que circular do plo

positivo at o plo negativo atravs da malha de terra da subestao e dividir-se-

entre a lmpada e o rel de falta positivo.

5.3 COMPROVAO PRTICA

Dada a dificuldade em se ensaiar uma falta terra em subestaes, busca-

se, atravs de um teste de pick-up do rel de falta terra positivo, medir os

valores de resistncia de uma das protees para a estimao dos valores das

correntes de falta (figura 35). O objetivo principal descobrir que valor de corrente

59

est fluindo para a terra atravs da resistncia de falta (RF), cujo valor comprova

que possvel a medio, e conseguinte deteco do circuito sob falta terra,

atravs de um sistema no-invasivo por efeito Hall (Captulo 6).

Os valores medidos no sistema de proteo so: resistncia da bobina do

rel de falta positivo (Rr+), resistncia em paralelo a este rel (Rrp+), tenso de

pick-up (Vpick-up) e tenso de drop-out (Vdrop-out).

Figura 35: Vista dos painis de proteo e da conexo da fonte ao rel

Atravs do alicate ampermetro/multmetro da Minipa [14], mediram-se os

valores das resistncias (Rr+) e (Rrp+) na escala de 20k com erro mximo de

(1,0%+2D). Os resultados encontrados foram utilizados para medir as resistncias

do rel de falta negativo e positivo e obtiveram-se os seguintes valores:

60

== + kRR rr 47,4

== + kRR prpr 33,4

Com uma fonte de corrente contnua e um voltmetro (exatido de:

0,5%+1Dgito), obteve-se o ensaio do valor da tenso de pick-up (Vpick-up) e a

tenso de drop-out (Vdrop-out) atravs do ajuste fino da fonte, sendo estas as

tenses de referncia ao acionamento e ao desacionamento do rel,

respectivamente.

Vale ressaltar que a medio indireta (aquelas cujas equaes utilizam os

valores medidos) desses valores complicada devido dificuldade do ensaio em

subestao, por causa do risco da propagao da atuao da proteo a outros

equipamentos.

Aps a desconexo do rel do sistema de proteo, fez-se variar a tenso na

bobina at a atuao (pick-up) e abertura do rel (figura 36).

Figura 36: Conexo bobina do rel

61

Para a concluso sobre a resposta da bobina do rel injeo de tenso,

foram efetuadas 3 medidas da tenso de pick-up (Vpick-up) e da tenso de drop-out

(Vdrop-out).

Tabela 5: Valores do ensaio de resposta do rel

Nmero do Ensaio Vpick-up [V] Vdrop-out [V]

1 83,3 12,8

2 83,4 13,2

3 83,1 13,3

Tomando-se as mdias dos valores, obtm-se como respostas do ensaio:

V3,83V up-pick = (19)

V1,13V out-drop = (20)

Atravs destes valores e do conjunto de frmulas, chegou-se ao valor da

resistncia de falta (RF) aps o perodo de transitrio ( 60 ms). Este valor definir

qual a resistncia mnima de isolamento terra do plo positivo para a atuao da

proteo do servio auxiliar. Portanto, tm-se:

Tenso sobre o rel 64P:

VVVV uppickrpr 3,83=== ++

Tenso sobre o rel 64N:

62

VVVV uppickauxsr 7,483,83132.. === (21)

Corrente total proveniente do servio auxiliar:

mA

RR

VI

prr

rT 9,37

43301

44701

13,83

111

=

+

=

+

=

++

+ (22)

Corrente de falta terra (IRF), no instante do acionamento do rel:

mA

RR

VIIII

prr

rTrTRF 8,15

43301

44701

17,480379,0

111

=

+

=

+

==

(23)

Para o clculo do valor da resistncia equivalente de falta tem-se:

=== 5,30900158,0

7,48

RF

rF I

VR (24)

Portanto, uma resistncia de isolamento entre plo negativo terra menor

que 3090,5 faz com que o sistema de proteo na subestao do Roado em

Florianpolis SE-FLO atue.

Dando continuidade aos objetivos desta prtica, buscam-se os valores

mnimo e mximo da corrente de falta (IF) aps o perodo de transitrio, os quais

63

so os objetos que se procura para comprovao do funcionamento do sistema

de medio do circuito sob falta, atravs da garra de corrente por efeito Hall.

Para o clculo do valor mnimo de atuao, considera-se a resistncia

mnima equivalente de isolao para a atuao do rel como sendo RF=3090,5 .

Nesta situao, so utilizados os valores medidos atravs do alicate

ampermetro/multmetro Minipa modelo ET-3200A, os valores da resistncia srie

com a lmpada, Rsl=2820 e a prpria resistncia da lmpada, Rl=1360 .

Esta parte do clculo, referente terceira etapa de funcionamento da

atuao da proteo, envolve o fechamento dos contatos normalmente abertos

(NA) do rel de proteo de falta positiva (64P), que adiciona uma resistncia

srie e uma resistncia da prpria lmpada em paralelo com o rel 64P. Portanto,

modifica-se o circuito, conforme formulrio tratado e tem-se nova faixa de valores

de corrente de falta (IF) que vai da resistncia mnima de isolao equivalente at

um curto-circuito franco (3090,5 >RF>0 ).

A corrente total nesta ocorrncia demandada do servio auxiliar :

( )lslprr

prrFprr

auxsT

RRRRRRRRR

VI

++

+

+++

=

++

++

1.1

1111

1..

(25)

Substituindo os valores, tem-se:

64

mAIT 6,48

136028201

433044704330.4470

11

5,30901

43301

44701

1132 =

++

+

+++

=

Ento, a tenso sobre o rel 64P, que est em paralelo com o conjunto

lmpada e em srie com o resistor RL, :

VI

RRRRRR

V T

lsl

prr

prr

r 8,694,1437.0486,0.1.1

1 ==++

+

=

++

++

+

(26)

E a tenso sobre o rel 64N :

VVVV rauxsr 2,628,690,132.. === + (27)

Atravs destes valores, possvel perceber que o desbalano das tenses

para este tipo de proteo retorna a valores de menor desequilbrio, em torno de

5,76%.

VVdesbalano 8,38,69662,6266 === (28)

%24,9466

100.2,66% == rV (29)

%76,10566

100.8,69% == +rV (30)

65

Com este valor de tenso sobre o rel, este ainda se mantm acionado

devido ao fato do seu sinal de desacionamento, Vdrop-out , ser igual a 13,1 V. Para

uma confirmao do funcionamento da proteo possvel, atravs do boto de

rearme (BR), saber se a falta terra ainda existe, caso o isolamento de plo

terra ainda seja menor que RF=3082,5 .

Como a tenso na resistncia de falta equivalente (RF) igual tenso do

rel de deteco de falta negativo em paralelo com o resistor RPr tem-se, para o

caso de mxima resistncia de falta, RF=3082,5 :

VVVFRr

2,66== (31)

mARV

IF

rR

F

F2,20

5,30822,66 === (32)

Para o clculo do valor mximo da corrente de falta, considera-se a

resistncia mnima de falta, RF=0.

lsl

prr

prr

auxsT

RRRRRR

VI

++

+

=

++

++

1.1

1..

(33)

66

mAIT 9,914,1437132

136028201

433044704330.4470

11

132 ==

++

+

=

VVr 0=

VVr 0,132=+

Portanto, a mxima corrente de falta terra, quando ocorre um curto franco

do plo positivo malha terra - a corrente total IT demandada do sistema de

servio auxiliar em 132,0 V - passa integralmente pela resistncia de falta terra

RF e tem seu valor igual a 91,9mA.

mAII TRF 9,91==

5.4 CONCLUSO PRTICA

Para valores de resistncia de falta terra equivalente variando de 0

RF3082,5 , tem-se a corrente de falta IF variando 91,9 mAIF20,2 mA.

Portanto, estes valores, medidos na prtica, tornam a garra por efeito Hall,

com resoluo de 10 mA, um instrumento possvel de ser usado para medir esta

corrente de falta, sem a necessidade de interromper ou interferir no sistema de

servio auxiliar da subestao, que deve ter um regime permanente em seu pleno

funcionamento.

67

CAPTULO 6

TCNICA DE DETECO NO-INVASIVA

Como parte da pesquisa da deteco do ponto de falta terra no sistema

de servio auxiliar CC, esta etapa vem a ser um dos passos iniciais para se

descobrir aquele ponto. Para isso, busca-se descobrir o circuito com falta para

terra, atravs da tcnica de medio da corrente de falta sem a necessidade de

desconexes e desligamentos.

6.1 DESCRIO DA TCNICA

Em avano s tcnicas j existentes apresentadas nos captulos anteriores,

neste captulo ser descrito um mtodo de medio da corrente de falta para

terra, atravs de uma garra de corrente por efeito Hall [15]. O objetivo dessa garra

medir a corrente de desbalano do circuito alimentado por um nico disjuntor,

ou seja, abraar de uma s vez os dois fios (positivo e negativo) que alimentam o

circuito.

O resultado dessa medio, que depende muito da sensibilidade da garra

bem como do voltmetro utilizado, ser a diferena dessas duas correntes. Esse

68

desbalano (diferena) traduz o valor de corrente que est fluindo para a terra

atravs da resistncia de falta, conforme esquema da figura 37.

Figura 37: Medio da corrente de falta terra por garra de corrente

Na figura 37 tem-se a garra 1 medindo 0 mA pois, para a garra 2, o valor

da corrente medida para o circuito N a prpria corrente de falta (IF). Assim,

possvel descobrir qual circuito est sob falta terra, sem a necessidade de

interromper o funcionamento de qualquer um dos circuito de proteo. Esta

tcnica ainda dispe de mais duas vantagens alm do no desligamento

mecnico do disjuntor:

A primeira e maior vantagem a de que, aps se descobrir qual circuito

est com a falta, pode-se saber ainda mais sobre o problema que causou esta

falta. Para isso, basta utilizar esta tcnica de medio com a garra entre dois

pontos conhecidos do circuito. Assim, possvel descobrir a direo do ponto da

69

falta terra. Um exemplo desta vantagem pode ser vista na figura 38, segundo a

qual, uma vez descoberto o circuito sob falta (garra 2), obtm-se, pela medio

efetuada pela garra 3, a informao de 0 mA naquele ponto, que se encontra

antes do equipamento alimentado pelo disjuntor.

Com isso, possvel concluir se o problema da falta est na fiao do

circuito ou no prprio equipamento, o que gera com maior rapidez e segurana a

completa informao sobre a parte de um determinado circuito na qual est

ocorrendo a falta.

Figura 38: Falta terra pelo plo positivo do equipamento

Para o caso de a falta se encontrar no equipamento, ter-se-ia os valores

medidos pelas garras 2 e 3, de iguais valores prpria corrente de falta IF (figura

38).

70

Uma segunda vantagem importante e que agrega um valor interessante a

possibilidade de se detectar casos de mltiplas ocorrncias de falta terra de

modo mais eficiente, sem a necessidade de desligar todos os circuitos envolvidos

no servio auxiliar.

Nenhum dos mtodos anteriores indica a contribuio individual de cada

circuito para a falta. Isso significa que cada uma das faltas no francas terra de

outros circuitos no detectada e que, com esta nova tcnica, possvel se

apontar a contribuio de cada circuito, individualmente, para a corrente de falta

IF.

6.2 ESTUDO DE CASO EM SUBESTAO DA ELETROSUL

A ocorrncia da falta de negativo terra na subestao do Roado foi

sinalizada pelo Sistema Aberto de Gerenciamento de Energia (SAGE) na manh

do dia 25/05/2004. Este alarme de falta terra - rel 64 - atua no desbalano dos

isolamentos de cada um dos plos em relao terra. A princpio, este alarme

somente indica o plo da falta, mas no indica em qual circuito se encontra a

baixa resistncia terra e, portanto, no h indicao do caminho por onde flui a

corrente de falta.

Seguindo um dos procedimentos de manuteno, mediu-se o percentual

desta falta (captulo 3). Para isso, foram lidos os valores (s 15 horas) da tenso

entre o positivo e o terra (V+G=91,0 V) e a tenso entre o terra e