Os circuitos elétricos sempre estão sujeitos a diversos eventos, visto que, na maior parte das vezes, as redes elétricas são aéreas e estão expostas ao tempo, podendo apresentar defeitos transitórios ou permanentes, tais como galhos tocando a rede elétrica e gerando uma falta transitória ou permanente de energia, caso haja uma fusão dos cabos. Desse modo, neste mesmo contexto, se ocorresse o rompimento de algum cabo, isso geraria uma falta permanente. Para que esses efeitos sejam evitados e a fim de proteger os equipamentos e as pessoas, é necessário o monitoramento dessas grandezas para uma rápida atuação do circuito de proteção (COTRIM, 2009). Os relés são os dispositivos responsáveis por enviar tais comandos de proteção. Eles são divididos em relés eletromecânicos, eletrônicos e digitais, sendo este último também chamado de relé microprocessado, com uso mais comum nas subestações (MAMEDE FILHO, 2013). Nos subtópicos seguintes, veremos as características construtivas, o princípio de funcionamento, as especificações técnicas dos relés e as normas a serem seguidas quando estamos trabalhando com este tipo de dispositivo. As proteções que serão discutidas estarão envolvidas com as correntes de curto-circuito e as de sobrecarga, além das variações de níveis de tensão e frequência.

Características construtivas

A construção interna de cada relé depende do tipo de tecnologia que será utilizada em sua fabricação, visto que todos eles apresentam a função de proteger, monitorar e manobrar as redes elétricas. Pode-se dividir os relés em três grupos: eletromecânicos, eletrônicos e digitais. Os eletromecânicos podem ser subdivididos em relés fluidodinâmicos, eletromagnéticos, eletrodinâmicos, de indução e térmicos. A seguir, vejamos cada um deles.

a) Relés fluidodinâmicos: este tipo de relé não é muito utilizado nas operações das concessionárias devido a sua limitação de potência e a sua incapacidade de ficar exposto ao tempo. Desse modo, ele é usado em pequenas e médias instalações industriais de até 1000 kVA. Em seu funcionamento, utiliza-se o óleo de vaselina na ação de temporização, a qual, devido à quantidade de óleo no equipamento, determina o tempo de atuação do dispositivo. Eles apresentam dificuldades em coordenar com a proteção dos elos fusíveis (MAMEDE FILHO, 2013). Na Figura 4.1, temos a representação de um relé fluidodinâmico.

b) Relés eletromagnéticos: sua construção é baseada na ação de um circuito magnético que envolve um núcleo magnético. Esse núcleo está envolvido por bobinas ligadas aos terminais do circuito auxiliar de alimentação do relé. Tal núcleo apresenta um entreferro com uma peça móvel ligada a uma reatância, estando esta conectada ao fio terra. A peça em questão também está conectada a um contato móvel, o qual ativa os terminais do circuito de acionamento. Os relés eletromagnéticos foram substituídos pelos fluidodinâmicos. Na Figura 4.2, temos o esquema interno de um relé eletromagnético.

c) Relés eletrodinâmicos: este tipo de relé não é muito utilizado devido à complexidade de seu funcionamento, apesar de ele possuir uma alta sensibilidade se comparado aos demais. Sua construção conta com uma bobina fixa e uma móvel. Seu campo elétrico é gerado por meio de uma corrente que passa pelos terminais da bobina fixa, podendo tal corrente ser contínua ou, até mesmo, alternada retificada. Já a bobina móvel atua quando o princípio de polos iguais se repele, acionando o circuito de comando normalmente aberto (NA) e normalmente fechado (NF) (MAMEDE FILHO, 2013).

d) Relés de indução: também chamado de relé secundário, é muito utilizado em subestações industriais e de consumidores. Sua construção conta com dois núcleos magnéticos, um superior e um inferior. O magneto superior apresenta três pontas, e o inferior duas pontas, formando quatro entreferros, os quais geram o torque necessário para a movimentação do disco que fica entre esses espaços. O núcleo superior é conectado aos terminais do circuito de alimentação, gerando uma corrente por indução nas bobinas do núcleo inferior. O disco se movimenta pelo princípio das correntes parasitas, sendo seu movimento acionado por um contato móvel conectado ao circuito de comando e acionamento da proteção geral (MAMEDE FILHO, 2013).

e) Relés térmicos: são direcionados para a proteção de equipamentos específicos que sofram com a sobrecarga, visto que, neles, as correntes elevadas podem danificar os enrolamentos, sendo este defeito capaz de trazer transtornos no momento da manutenção. A sobrecarga térmica dos equipamentos ativa o relé que está conectado nesta mesma fase.

f) Relés eletrônicos: substituem os eletromecânicos quando as aplicações são indiretas e necessitam de instrumentos de medição para atuarem no circuito elétrico. Este tipo é muito utilizado em subestações de consumidores, como em concessionárias de energia. Ele apresenta, como vantagem, a facilidade de mudança nas características de atuação por meio das curvas de atuação do aparelho.

g) Relés digitais: contam com microprocessadores e possuem uma interface inteligente de atuação, fazendo uso de conversores analógicos digitais, para fazerem a captação das grandezas elétricas coletadas pelos transformadores de corrente e potencial. Eles também permitem a programação dos seus status de atuação, possuindo aplicações universais a depender da curva programada. Além disso, podem ser programados por interfaces no dispositivo ou por softwares nos computadores.

Princípios de funcionamento

O princípio de funcionamento dos relés é baseado na identificação das falhas e dos defeitos que podem ocorrer na rede elétrica, onde, através das unidades de processamento de grandezas elétricas, o equipamento pode atuar frente a uma anomalia, seja ela transitória ou permanente. O relé de proteção apresenta diversos componentes, tais como: unidades de entrada, de conversão de sinal e de medida, fonte de tensão auxiliar e unidades de saída e de acionamento. O infográfico abaixo trata de um esquema de funcionamento de um relé de proteção.

A unidade de entrada é representada pelos transdutores, ou seja, os transformadores de corrente e potencial que enviam sinais de corrente e tensão para serem processados pelo relé. Além da captação dos sinais, os equipamentos garantem o isolamento galvânico do relé com o sistema.

A unidade de conversão de sinal é representada pelos moduladores de sinais nos quais estão localizados os conversores analógicos-digitais. Temos a presença de amplificadores e circuitos integrados para realizar essa modulação de sinal. Isso garante que o microcontrolador receba a informação no formato digital.

A unidade de medida recebe os sinais convertidos na etapa da unidade de conversão. Na unidade de medida, os sinais recebidos são comparados com os sinais nominais referentes à corrente e à tensão coletados pelos transformadores. Caso haja uma diferença, muito, alta em valores, a unidade de medida envia um sinal à unidade de saída dizendo que há uma anomalia transitória ou permanente no sistema.

A fonte de tensão auxiliar alimenta os componentes internos do relé, tais como os circuitos integrados, os contadores internos e o microcontrolador. Sua alimentação é do tipo corrente contínua ou corrente alternada. Caso seja uma corrente alternada, deve-se preferir a alimentação por um nobreak para haver menos distorção na forma de onda.

A unidade de saída corresponde a uma bobina que, por meio do sinal de resposta recebido da unidade de medida, pode acionar um contato auxiliar ou uma bobina, enviando um sinal de atuação para a próxima unidade externa ao relé.

A unidade de acionamento pode ser representada pelo equipamento de manobra e seccionamento do circuito, geralmente, um disjuntor de alta tensão, com o relé sendo um equipamento secundário.

Na proteção contra sobrecorrente, uma aplicação específica não exige transformadores de potencial, visto que as únicas grandezas a serem analisadas são as correntes de cada fase e a sua corrente diferencial no neutro. Isso pode tornar mais barato o custo de projeção das subestações por meio da economia de equipamentos.

Especificação técnica

Muitas vezes, as especificações técnicas dadas pelas normas nos dizem as diretrizes que devemos seguir quando efetuamos o projeto de uma subestação, da mesma maneira que as configurações dos relés de proteção devem sempre seguir o padrão de estudo das proteções das concessionárias. A seguir, serão discutidas as principais proteções presentes nas subestações das concessionárias e em algumas subestações de consumidor.

a) Relés de sobrecorrente (50/51)

O relé de proteção de sobrecorrente atua quando a corrente ultrapassa um certo nível que foi pré-ajustado nas configurações do dispositivo. Esta é uma proteção básica presente em todas as subestações, tanto nas dos consumidores como nas das concessionárias, sendo mais utilizada nas de alta tensão, tais como: linhas de transmissão, motores e geradores de grande potência. De acordo com Mamede Filho (2013), no sistema elétrico, os principais relés empregados são os de sobrecorrente não direcionais, os diferenciais, os direcionais e os de distância.

b) Relé diferencial de corrente (87)

O relé de proteção diferencial é baseado na comparação das correntes que são medidas em cada fase. Caso o módulo de uma das fases se altere, isso resultará em uma diferença deste. Neste contexto, o relé conseguirá detectar tal alteração e ativará o circuito de acionamento do disjuntor de média tensão, sendo isso fundamental para a proteção dos transformadores de potência, motores, geradores e barramentos. Outra forma de atuação do relé diferencial é quando ocorrem erros nos transformadores de corrente, sendo alguns instalados no lado primário, e outros no secundário (MAMEDE FILHO, 2013).

c) Relé direcional (67)

Este relé de proteção é utilizado quando a rede elétrica é alimentada pelos dois extremos da linha, ou seja, há um fluxo de potência nas duas direções, ou, até mesmo, quando a rede elétrica apresenta uma configuração em anel. Sua atuação é acionada caso haja um fluxo de potência e de corrente contrário àquele que o sistema deveria apresentar. Se detectada esta falha, um sinal de abertura é enviado ao disjuntor. Este tipo de proteção é exigido em subestações de autoprodutores de energia, como nas usinas fotovoltaicas, as quais produzem a própria energia e a injetam na rede. A concessionária exige tal proteção para que, caso ocorra uma falha na usina, o erro possa ser identificado e registrado no relé. Segundo Mamede Filho (2013), os relés direcionais podem ser de sobrecorrente de fase, de terra e de potência.

d) Relé de distância (21)

O relé de distância é uma proteção contra a sobrecorrente no sistema elétrico, com funções de proteção semelhantes às proteções 50/51, que são utilizadas na proteção de redes elétricas curtas, devido ao tempo de atuação da proteção. Assim, para trechos longos, o tempo de atuação da proteção é demorado quando empregado nas linhas de transmissão, as quais estão a quilômetros de distância das subestações. Assim, faz-se necessário o uso deste tipo de relé, já que sua atuação é diretamente proporcional à distância entre a falha na rede elétrica e a subestação de instalação do relé (MAMEDE FILHO, 2013). De acordo com Mamede Filho (2013), os relés de distância podem ser de impedância, de admitância, ou Mho, e de reatância.

e) Relé de sobretensão e subtensão temporizado e instantâneo (59/27)

Estes relés apresentam a capacidade de proteger a rede e os equipamentos de níveis elevados, ou muito baixos, de tensão, os quais estão fora da programação e das normativas de qualidade da energia elétrica. O número ANSI 59 é identificado como relé de sobretensão, já o ANSI 27 é apontado como relé de subtensão. A classificação de temporizado e instantâneo se refere à velocidade de atuação da proteção, visto que a variação da tensão determina se o relé será programado como temporizado e instantâneo.

f) Relé de religamento (79)

Este relé é utilizado somente em redes elétricas de distribuição e transmissão, sendo mais comum nas de distribuição. Como o próprio nome sugere, este tipo de dispositivo possui a função de religamento, visto que ele, logo após o circuito ter sido aberto por algum outro relé de sobrecorrente que tenha atuado, envia um sinal para que o disjuntor se feche novamente. Este relé é exclusivo para uso das concessionárias de energia, visto que deve ser realizado um estudo complexo na coordenação e seletividade das proteções a fim de que haja a correta energização da rede elétrica. As falhas que, geralmente, ocorrem se trata de defeitos transitórios na rede, tal como quando não é realizada a poda dos galhos das árvores, os quais acabam tocando a rede elétrica e causando uma falta momentânea de energia.

Normas recomendadas

Existem normas nacionais, as quais foram elaboradas pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT) e estão direcionadas aos relés de proteção e a outras complementares a respeito deste mesmo assunto. As normas da IEC também são consultadas quando se trata deste mesmo tipo de relé. Os fabricantes também apresentam um certificado com os ensaios já realizados nos equipamentos, e, a depender da potência da subestação, os relés podem ser ensaiados na frente do cliente em fábrica. As principais normas relacionadas aos relés são dadas a seguir.

• NBR 5456 - Eletricidade geral - Terminologia;
• NBR 5464 - Eletrotécnica e eletrônica - Interferências eletromagnéticas;
• NBR IEC 60050-446 - Vocabulário Eletrotécnico Internacional - Parte 446: Relés Elétricos.

As concessionárias de energia criam suas especificações técnicas baseadas nessas normas, as quais têm como base a padronização do uso dos relés de proteção e controle, a fim de que estas sejam seguidas nas subestações que estão na área de concessão das distribuidoras. Tais normas descrevem como os relés de proteção devem ser fabricados, montados e ensaiados. No projeto de uma subestação, os estudos da proteção e dos curtos-circuitos devem seguir as condições impostas pela concessionária local, devendo também ser realizado um estudo de coordenação e seletividade das proteções da concessionária e da subestação do consumidor.

Todo componente que envolva o sistema elétrico de potência apresenta a sua função e o seu modo de operação com os demais instrumentos do sistema especificados. Cada evento que ocorre na rede elétrica deve ser estudado a fim que seja acionada a proteção correta para tal efeito. Assim, como o sistema elétrico necessita de confiança no uso das tecnologias de proteção, o correto dimensionamento das proteções e a coordenação e seletividade entre elas são essenciais para que o sistema não pare.

Os isoladores são estruturas que estão em contato direto com a parte energizada da rede elétrica. Desta forma, eles devem possuir características construtivas que permitam a isolação da tensão dos seus terminais para o restante da estrutura. Para isso, os isoladores devem ter sua estrutura aterrada juntamente com o restante do circuito a fim de garantir, caso seja necessário, o escoamento de uma possível corrente de fuga. O material com que são fabricados garantem a sua aplicação correta, isso porque alguns deles são mais isolantes do que outros, os quais são mais indicados para os níveis de tensão mais altos. A seguir, veremos as características construtivas, os princípios de funcionamento, as especificações técnicas e as normas a serem seguidas dos isoladores.

Características construtivas

A construção dos isoladores está baseada em três tipos de materiais: a cerâmica, o vidro e a fibra, sendo esta última um polímero. Desta forma, a composição química de cada isolador está relacionada a sua capacidade de isolação.

De acordo com Mamede Filho (2005), na cerâmica, os materiais que mais se destacam são o quartzo, o feldspato, o caulim e a argila, com outros elementos sendo misturados à composição a fim de garantir uma melhor qualidade dielétrica e mecânica do isolador. Assim, é possível obter um isolador mais resistente às altas temperaturas, com uma maior resistência mecânica e uma menor rigidez dielétrica, ou, até mesmo, um isolador resistente aos choques térmicos, mas com uma rigidez dielétrica muito menor. Fatores como a umidade do ar, a temperatura e a espessura podem influenciar na qualidade da cerâmica do isolador.

Segundo Mamede Filho (2005), o vidro apresenta um grande emprego no mercado elétrico, podendo ser feito de vários materiais, tais como óxido de silício, de boro e de sódio. Quando destinado à função elétrica, o vidro apresenta boas condições mecânicas, elétricas e térmicas. Ele tem suas características alteradas quando outras matérias-primas são adicionadas ao conjunto. No entanto, é o tratamento térmico recebido que dita como serão as suas características mecânicas, podendo ser utilizado um vidro recozido ou um temperado, visto que cada um deles possui características e aplicações específicas. A seguir, a Figura 4.5 ilustra dois exemplos de isoladores muito utilizados em linhas de distribuição.

No caso dos isoladores de fibra, sua construção e aplicação são pensadas para o uso interno, devido a sua fragilidade em receber raios UV, os quais degradam as suas camadas de isolação, que são danificadas pelo ressecamento. Desse modo, a rigidez dielétrica do material acaba diminuindo. As fibras utilizadas são o epóxi e a fibra de vidro, as quais garantem uma excelente propriedade mecânica e uma elevada rigidez dielétrica.

Os isoladores de pino, mostrados na Figura 4.7, são muito utilizados em redes de distribuição primária, tanto nas zonas rurais como nas urbanas de média tensão. O isolador de pino monocorpo possui uma peça única, a qual apresenta uma tensão máxima baixa se comparada com a de um multicorpo que suporta uma tensão máxima de até 72 kV.

Os isoladores de disco, chamados também de isoladores de suspensão, são bastante utilizados na rede elétrica, seja na zona rural ou urbana, podendo ser fixados através de ancoragem e amarração em redes primárias. Nas linhas de transmissão, eles são mais utilizados como suspensão devido ao comprimento elevado dos cabos que fazem parte desse arranjo.

Princípios de funcionamento

O funcionamento do isolador é baseado nas propriedades dos materiais que o compõem. Desta forma, durante a sua construção, leva-se em consideração o ambiente ao qual estes serão submetidos. Por exemplo, em locais nos quais há bastante corrosão do material devido aos poluentes presentes na atmosfera, é necessário que o material dificulte a fuga da corrente do isolador em direção à base na qual estará fixado.

De acordo com Mamede Filho (2005), é quando vamos realizar o dimensionamento do número de isoladores que determinamos, em função da tensão nominal dos sistemas nos quais o isolador será submetido, além da carga mecânica exigida pelos cabos, os quais podem ficar suspensos, a resistência mecânica necessária para suportar a suspensão.

Na Figura 4.8, temos a representação de seu funcionamento como um dielétrico de disposição dos discos, no qual, quando os discos de isolação estão em série, pode-se ver a capacitância de tais séries, sendo gerada uma capacitância paralela entre cada disco. Esse número de capacitâncias aumenta de acordo com a quantidade de isoladores.

Especificação técnica

As principais especificações técnicas dos isoladores estão descritas brevemente a seguir. Elas dizem respeito à capacidade de resistir à tensão em diversas situações de estresse e sob funcionamento contínuo, sendo tais informações utilizadas no projeto e dimensionamento dos isoladores das linhas de transmissão, de distribuição e subestações.

a) Distância de escoamento: é a distância mínima necessária para que não seja criado um campo elétrico entre o ponto de fixação dos cabos, ou terminais, e o ponto de fixação da estrutura do isolador. Deve-se garantir que a tensão dos terminais não influencie na base do equipamento (MAMEDE FILHO, 2005).

b) Tensão de descarga a seco: corresponde ao limite de tensão que o isolador deve suportar em condições de testes seco, conforme estabelecido pela norma NBR 5389, a qual trata das técnicas de ensaios elétricos de alta tensão (MAMEDE FILHO, 2005). Este elemento apresenta a tensão máxima que o isolador poderá aguentar antes de perder suas propriedades isolantes.

c) Tensão de descarga sob chuva: semelhante à característica da tensão de descarga a seco, corresponde ao limite de tensão que o isolador deve suportar em condições de teste em um ambiente com umidade, conforme estabelecido pela norma NBR 5389. Neste quesito, o isolador deve se manter funcional em ambientes úmidos, principalmente aqueles que serão utilizados ao ar livre (MAMEDE FILHO, 2005).

d) Tensão suportável, 1 min. a seco, à frequência industrial: este é o valor de tensão ao qual o isolador deve ser submetido durante o teste, aplicando-se uma tensão à frequência industrial, a qual pode ser de 50Hz ou 60Hz, a depender de onde será feita a instalação do isolador (MAMEDE FILHO, 2005).

e) Tensão crítica de descarga sob impulso de 1,2x50s: é aplicada em laboratório para verificar a tensão superior em 1,2 a tensão nominal por um breve período de tempo. Esta tensão simulada é realizada a fim de averiguar as condições de suportabilidade caso haja um aumento de tensão por um breve momento (MAMEDE FILHO, 2005).

f) Tensão de radiointerferência: neste teste, uma tensão é aplicada, 110% do valor da nominal, por um período de 5 min., sendo esta reduzida em 30%. Para essa especificação, os pontos de teste são a conexão entre fase e terra. A radiofrequência produzida para os testes está em torno de 1 MHz até 10 MHz de frequência de rádio.

Essas características de tensão são descritas pelo fabricante no datasheet do isolador. Elas garantem a sua funcionalidade em condições nominais, bem como apresentam as suas principais especificações.

Normas recomendadas

Há diversas normas a serem seguidas em relação aos isoladores, as quais vão depender do tipo de material utilizado em sua fabricação. Desse modo, cada tipo de material, cerâmico, polimérico e de vidro, apresenta uma norma diferente para a realização dos testes de especificação técnica, algumas delas já foram citadas anteriormente, outras podem ser visualizadas a seguir.

As concessionárias de energia exigem que, quando forem construídas as subestações, os isoladores devem respeitar as especificações técnicas contidas nas normas, bem como estas podem exigir características adicionais para determinado trecho da rede elétrica. É sempre aconselhável que se consulte as normas técnicas adotadas por cada concessionária.

Existem ensaios que devem ser realizados nos isoladores durante a entrega da usina e a sua manutenção, isso garante o pleno funcionamento da segurança na subestação, sendo chamados de ensaios de rotina, os quais verificam a qualidade e uniformidade dos isoladores. Os testes são a inspeção visual, a tensão aplicada em alta frequência, a tensão aplicada em frequência industrial, a tração mecânica e o choque térmico para alguns isoladores.

Realizados os ensaios de rotina, temos os ensaios de recebimento, os quais se assemelham, em muitos aspectos, aos de rotina, este é direcionado ao cliente e ao fabricante para a análise das condições gerais dos isoladores. Neste tipo de ensaio, além dos testes cobrados nos de rotina, temos os testes de impacto, de ruptura eletromecânica, de perfuração e de manutenção de carga.

Caso não passe em um dos ensaios, o isolador pode ser rejeitado para o fabricante, desde que esses procedimentos tenham sido cumpridos de acordo com a norma. O fabricante pode realizar os ensaios por até duas vezes, mas, se, na segunda inspeção, o equipamento falhar, o lote de isoladores será totalmente rejeitado.

Conforme os ensaios são realizados em laboratório, o isolamento desses dispositivos pode ser classificado em: não-regenerativo, não possuindo a capacidade de se regenerar após ocorrida alguma falha na rede elétrica; e autorregenerativo, o qual possui a capacidade de se recuperar após uma falha elétrica. E, em relação à mecânica, temos os isoladores de apoio, os quais são vistos nos postes de distribuição; e os de suspensão, que estão presentes nas linhas de transmissão.

A seguir, vejamos sobre os isoladores das subestações e suas especificações técnicas.

Todas as especificações tratadas anteriormente são importantes para o dimensionamento das cabines primárias, principalmente as blindadas, as quais exigem precisão para a instalação dos dispositivos, sendo que, muitas vezes, os isoladores fazem parte do próprio equipamento. Um bom exemplo disso são os disjuntores que possuem isoladores nos terminais de conexão com a alta tensão, além disso, também há outros equipamentos, como as seccionadoras, os reguladores e os religadores.