As etapas básicas de um relé de distância podem ser divididas em: detecção e classifi- cação da falta, cálculo da impedância aparente e distância da falta, verificação da zona de proteção e, caso uma falta seja detectada, o envio de sinal para abertura dos disjuntores para isolação elétrica da falta envolvida (COURY, 1987).
O fluxograma geral de um relé de distância baseado na estimação fasorial é apresen- tado na Figura 3.5. Primeiramente, os sinais de corrente em um dos terminais da linha de transmissão são adquiridos por meio de transdutores - Transformadores de Corrente (TC)
CAPÍTULO 3 - FUNDAMENTOS DA PROTEÇÃO DE DISTÂNCIA 41
e de Potencial (TP). Em seguida, os sinais analógicos são filtrados por filtros passa-baixa para minimizar o efeito do aliasing e evitar erros na digitalização dos sinais de tensão e corrente por um conversor Analógico/Digital (A/D). Geralmente, os filtros aliasing têm sua frequência de corte ajustada no máximo em metade da frequência de amostragem dos conversores A/D (COURY et al., 2007). O cálculo da impedância deve, necessariamente, utilizar a informação do tipo de falta e dos fasores de tensão e corrente.
Filtro anti - aliasing Detecção da falta Classificação da falta Cálculo da impedância aparente/distância Decisão de abertura dos disjuntores ✰✱✲✳✱✴✳✲✳✵✶✷✱✸✹✴ ✺✻✼✻✲✴✽✻✴✻ ✸✹✾✾✻✲✼✻ ✴ Conversor A/D ✰✱✲✳✱✴✿ ✱✵ ✼✾ ✳✺✹ ✴ ❀❁✹ ✴✼✾ ✳✴✺✹✴ ✴✱✲✳✱✴✺ ✻✼✻✲✴❂✹ ✻✸✹✾✾✻✲✼✻✴ Estimação fasorial ❃✳✴✹✾✻ ✴ ❃✳✴✹✾✻ ✴ ❄ ✱❅✹✺✳✿ ✳✵ ✼✳
Figura 3.5: Fluxograma geral de um relé numérico microprocessado baseado no cálculo da impedância aparente.
3.4.1
Detecção da Falta
Uma falta no sistema elétrico pode ser detectada de várias maneiras e, geralmente, está associada à mudança dos sinais de corrente e/ou tensão (COURY et al., 2007). A seguir são comentados três diferentes métodos de detecção de faltas.
Em um dos principais métodos de detecção, a amostra mais recente das correntes de cada fase é comparada com a amostra correspondente do ciclo anterior. Caso haja uma alteração "significativa", geralmente de no mínimo 0,06 pu, entre as amostras de qualquer fase, a falta é detectada. Esse resultado necessita de uma confirmação, que é executada durante quatro amostras consecutivas. Para a implementação deste método de detecção é necessário armazenar dois ciclos de amostras das corrente (COURY et al., 2007).
A estimação de fasores é utilizada em outro método de detecção para a estimação de valores de corrente. Este método consiste em estimar amostras futuras a partir de amostras
42 CAPÍTULO 3 - FUNDAMENTOS DA PROTEÇÃO DE DISTÂNCIA
atuais, caso as amostras que tiveram seu valor estimado apresente substanciais diferenças em relação aos valores estimadas, a falta é detectada (COURY et al., 2007).
Um terceiro método retifica os sinais de corrente e tensão, atribuindo-se valor unitário para variações positivas e zero para variações negativas em módulo. Em condições nor- mais de operação, os sinais de corrente e tensão são praticamente senoidais e os períodos das variações positivas e negativas são iguais. Caso os períodos de variações venham a ser diferentes, o sistema encontra-se em condições de falta. Para todos esses métodos, a detecção da falta acontece em poucas amostras de pós-falta (COURY et al., 2007).
3.4.2
Classificação da Falta
A classificação da falta permite uma rápida identificação das fases em falta, uma di- minuição no tempo de cálculo da impedância aparente e, consequentemente, localização da falta e incorporação do histórico de faltas de um referido sistema elétrico.
O método de classificação de falta discutido a seguir utiliza os fasores da corrente das três fases, nos quais os fasores das correntes de linha (bIa, bIb e bIc) e a componente de sequência zero (bI0) são comparados. bI0 é necessária para determinar se a falta envolve ou não a terra, pois a magnitude da componente de sequência zero cresce para faltas envolvendo a terra. As faltas são classificadas de acordo com o Tabela 3.2 (COURY et al., 2007).
Tabela 3.2: Classificação da falta.
Condição Falta do tipo
Ib< qIa e Ic< qIa AT Ia< qIb e Ic< qIb BT Ia< qIc e Ib< qIc CT Ic< qIa e Ib≈ Iae I0> Imin ABT I0< Imin AB Ia< qIb e Ic≈ Ibe I0> Imin BCT I0< Imin BC Ib< qIa e Ia≈ Ice I0> Imin ACT I0< Imin AC Ia≈ Ib≈ Ic ABC
O parâmetro q é a razão entre as correntes de fase antes e depois da ocorrência da falta, e depende da configuração do sistema. O valor de 0,3 para q fornece uma correta classificação da falta para todos os tipos de falta (GIRGIS, 1981). O parâmetro Imin é um
CAPÍTULO 3 - FUNDAMENTOS DA PROTEÇÃO DE DISTÂNCIA 43
limiar para a componente de sequência zero, necessário devido à existência de linhas não balanceadas, erros nos transdutores e no próprio método de estimação fasorial.
3.4.3
Cálculo da Impedância Aparente e da Distância da Falta
O cálculo da impedância aparente é realizado pelo algoritmo implementado no relé de proteção de distância após a detecção e classificação da falta. Como a estimação fasorial para obtenção das componentes fundamentais dos sinais de corrente e tensão é utilizado pelo relé, os fasores de tensão e corrente apropriados são selecionados para o cálculo da impedância aparente conforme a classificação da falta. A impedância aparente é calculada de forma distinta para diferentes tipos de falta (LEWIS; TIPPETT, 1947; HOROWITZ, 1980).
A impedância aparente para uma falta monofásica a terra é calculada por:
Zap= b Vi bIi+ Z0−Z1 Z1 b I0 , (3.2)
em que bVi e bIi são os fasores de tensão e corrente da fase em falta, bI0 é o fasor da com- ponente de sequência zero. As impedâncias Z1 e Z0 representam, respectivamente, a impedância de sequência positiva e zero da linha de transmissão por unidade de compri- mento. Para faltas bifásica que envolvam ou não a terra, o cálculo da impedância aparente é obtido por meio de:
Zap =
b Vj− bVk
bIj− bIk
, (3.3)
em que bVj, bVk, bIj e bIk representam os fasores de tensão e corrente das fases em falta. Na ocorrência de faltas trifásicas, ambas as Equações 3.2 e 3.3 podem ser utilizadas para o cálculo da impedância aparente.
A impedância aparente medida pelo relé de distância corresponde à impedância de sequência positiva do trecho da linha de transmissão, entre o ponto de instalação do relé até o local da falta. Desta forma, como a impedância de sequência positiva da linha de transmissão por unidade de comprimento (Zl1) é praticamente constante, possibilitando determinar a distância da falta a partir do ponto de instalação do relé, como segue:
44 CAPÍTULO 3 - FUNDAMENTOS DA PROTEÇÃO DE DISTÂNCIA
em que Zap corresponde a impedância medida pelo relé de distância, Zl1 é expressa em Ω/km e h representa a distância da falta.
Após o cálculo da impedância aparente e, consequentemente, da distância da falta, o algoritmo do relé determina a zona de proteção em que a falta se encontra. Caso a impedância aparente se localize dentro da primeira zona de proteção, o relé atuará instan- tâneamente. Entretanto, se a impedância se localizar a partir da segunda zona de proteção, o relé é temporizado, ou seja, um atraso será incorporado em seu sistema de atuação.
45