Relés de Proteção – Do Eletromecânico ao Digital
30 de março de 2024
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Neste artigo vamos abordar os seguintes tópicos:
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Na elaboração dos projetos elétricos dos empreendimentos voltados para o setor elétrico (subestação, linhas de transmissão, usina de geração fotovoltaica ou eólica) duas categorias de empresas são fundamentais no processo de execução da obra.
Na primeira categoria estão as companhias responsáveis pela produção da documentação técnica que contêm as especificações dos equipamentos, diretrizes de instalação e normas de segurança para os operadores do sistema. O refinamento e o gerenciamento de toda a cadeia de execução da obra ficam a cargo das empresas pertencentes a segunda categoria, responsável pela engenharia do proprietário.
A engenharia do proprietário é um modelo de contratação de serviços em que a gestão de todas as etapas da obra é transferida para uma empresa especializada no assunto, que fica responsável por toda a administração do empreendimento, análise da documentação do projeto e o gerenciamento de risco. Este é o conceito da engenharia do proprietário.
Para entender melhor as atribuições da engenharia do proprietário, vamos a um exemplo. Imagine que uma companhia, chamada hipoteticamente de Alpha, é contratada para fazer a engenharia do proprietário de um projeto de uma usina fotovoltaica. O escoamento da geração para o Sistema Interligado Nacional (SIN) será realizado por uma linha de transmissão em alta tensão. O dono do empreendimento contrata uma empresa especializada para realizar os projetos da subestação. As seguintes documentações de projeto serão emitidas pela projetista:
• Projetos civis, eletromecânicos e elétricos da Subestação;
• Estudos Elétricos;
Saiba quais são os documentos que fazem parte de um projeto elétrico de subestação.
A Alpha é responsável pela análise de toda a documentação exercendo a função da engenharia do proprietário. Para cumprir esta tarefa, ela deve possuir um corpo técnico capaz de realizar essas tarefas de forma eficaz. A contratação de uma engenharia do proprietário possibilita um ganho econômico e elimina as incertezas e erros que, em última análise, poderiam ser encontrados apenas na fase da execução da obra.
O objetivo da realização dos estudos elétricos é auxiliar na especificação dos equipamentos que serão instalados no empreendimento de um sistema elétrico de potência. Os resultados das simulações fornecem aos engenheiros um norte de quais seriam as solicitações ao sistema caso os fenômenos de simulação ocorressem na vida real.
No livro Equipamentos Elétricos – Especificação e Aplicação em Subestações de Corrente Alternada, [4], os autores descrevem didaticamente as grandezas a serem especificadas, por equipamentos, após a realização dos estudos elétricos (ver Figuras 1 e 2).
Figura 1 – Principais estudos e suas especificações de equipamentos – Estabilidade e Fluxo de Potência [4]
Figura 2 – Principais estudos e suas especificações de equipamentos – Energização, Coordenação de isolamento, TRT e Coordenação de Isolamento. [4]
Os estudos elétricos são classificados de acordo com o fenômeno e a frequência do sistema. Na frequência fundamental os principais estudos exigidos pelo ONS são fluxo de potência e curto-circuito. No Brasil, o Operador Nacional do Sistema Elétrico disponibiliza uma base de dados aos engenheiros de estudos que contêm os parâmetros dos equipamentos do Sistema Interligado Nacional.
Os softwares, Análise de Faltas Simultâneas (ANAFAS) e Análise de Redes Elétricas (ANAREDE) são usados nestes estudos, que devem ser modelados conforme esta base de dados. Na engenharia do proprietário um conhecimento mínimo destas ferramentas é exigido do engenheiro que avalia os estudos na frequência fundamental.
Fenômenos de transitórios eletromagnéticos em sistemas elétricos de potência são complexos e exigem experiência do engenheiro de estudos nas etapas de simulação. Alguns estudos de transitórios eletromagnéticos são: energização de linhas de transmissão, tensão de reestabelecimento transitório, religamento monopolar e tripolar.
Saiba o que é um estudo de curto-circuito e como é realizado.
Saiba o que é um estudo de fluxo de potência e como é realizado.
A partir das análises de projeto básico realizadas pelo ONS entre os anos de 2003 e 2013, constatou-se que apenas 44/% dos estudos de transitórios eletromagnéticos na etapa de projeto básico foram aprovados na primeira versão. A Figura 3 mostra os percentuais de estudos que foram aprovados imediatamente após a primeira emissão (0A):
Figura 3 – Porcentagem de estudos elétricos aprovados na primeira emissão 2003-2013 [6]
No Submódulo 2.3 – Premissas, Critérios e Metodologia para Estudos Elétricos, [5], normativa desenvolvida pelo ONS, contêm diretrizes para estudos de transitórios eletromagnéticos sob condições de manobra. Por exemplo, para que a modelagem do sistema esteja correta, o Operador recomenda adotar o critério das barras de fronteira na representação do sistema:
“Para a definição das barras de fronteira, devem-se escolher pontos da rede nos quais o circuito equivalente, representado pelas impedâncias de curto-circuito próprias e de transferência, tenha uma influência mínima sobre o comportamento transitório do restante do sistema, representado em detalhes no estudo. Entre a(s) barra(s) focalizada(s) no estudo e as barras de fronteira devem existir, pelo menos, outras barras [6].”
Saiba neste artigo quais são os 9 módulos do procedimento de rede do ONS.
As barras focalizadas no estudo são as barras que compreendem o empreendimento. Por exemplo, se deseja efetuar o estudo de energização de uma linha de transmissão, as barras de focalizadas seriam as barras das subestações de ambas as extremidades da linha.
O critério descrito acima é apenas um dos inúmeros requisitos exigidos pelo ONS. Na análise da conformidade dos estudos elétricos de transitórios eletromagnéticos as recomendações exigidas pelo Submódulo 2.3 devem ser avaliadas pelo engenheiro que aprova ou reprova documento do estudo.
A função do engenheiro na etapa de engenharia do proprietário é realizar a avaliação e o refinamento de toda a especificação técnica envolvida no projeto. Os estudos elétricos são emitidos ao cliente em versões, 0A, 0B, 0C etc. Inicialmente o projetista emite a versão 0A. A engenharia do proprietário recebe esta versão do documento e avalia sua conformidade com normativas.
Para empreendimentos do setor elétrico, essas seriam os Procedimentos de Rede e normas nacionais e internacionais (ABNT, IEEE, IEC). Através de comentários, o documento recebe o “status” de aprovado ou reprovado.
A reprovação pode ocorrer devido a incoerências de modelagem nas simulações computacionais, representação incorreta dos equipamentos no estudo e inconformidades com as normativas vigentes. Após ser reprovado o documento retorna ao projetista que deve atender aos comentários e emitir uma nova versão, neste caso 0B. O processo se repete até o documento estar totalmente “lapidado” e sendo então aprovado e recebendo o status de “Liberado para Execução”.
Na operação dos sistemas elétricos de potência surgem falhas nos seus componentes que resultam em interrupções no fornecimento de energia aos consumidores conectados a esses sistemas. Os curtos-circuitos, as sobrecargas e as sub sobretensões são exemplos de fenômenos que prejudicar a qualidade no fornecimento de energia.
A principal função de um sistema de proteção é evitar que estas anomalias danificam os equipamentos. Em segundo lugar, o sistema de proteção tem a função de fornecer as informações necessárias aos responsáveis por sua operação, de modo a facilitar a identificação dos defeitos e a sua consequente recuperação.
Os relés de proteção são dispositivos desenvolvidos para atuar na ocorrência de anomalias no sistema elétrico. Existem relés eletromecânicos, eletrônicos e digitais. Os relés eletromecânicos não são mais fabricados e sua tecnologia está obsoleta. Relés eletrônicos integrados responsáveis por desempenhar as funções de proteção tiveram o mesmo destino que os relés eletromecânicos. Os relés digitais, também conhecidos como Intelligent Electronic Device (IED), realizam as funções de proteção, supervisão e controle através do processamento de dados.
Fazendo uma analogia, em sistemas industriais os engenheiros estão acostumados a trabalharem com os controladores lógicos programáveis, (CLP). O IED é o CLP do sistema elétrico de potência, ou seja, antes de sua entrada em operação, o IED precisa ser parametrizado. O estudo Proteção e Seletividade define os parâmetros a serem ajustados nestes dispositivos considerando critérios estabelecidos relacionados a filosofia de proteção.
Um IED da fabricante Siemens é mostrado na Figura 4, juntamente com um exemplo de tabela de ajuste da parametrização da função 50/51. Para cada função de proteção (50/51, 21, 25, 67, etc) haverá uma tabela de ajustes no IED, com os parâmetros previamente definidos no estudo de proteção e seletividade.
Figura 4 – IED SIPROTEC 7SL87 Siemens, com exemplo de tabela de parametrização
A documentação dos estudos de proteção e seletividade é o material de trabalho na etapa de análise na engenharia do proprietário. Devido a variabilidade de fabricantes de IED’s o profissional que avalia os estudos elétricos deve ter conhecimento a respeito das diferenças de ajustes dos parâmetros das funções de proteção. Os seguintes estudos de proteção e seletividade são frequentemente analisados na etapa da engenharia do proprietário:
• Proteção de Linhas de Transmissão
• Proteção de Barramentos
• Proteção de Transformadores de Potência
• Proteção de Alimentadores
A filosofia de proteção adotada pelo engenheiro de estudos deve ser avaliada na engenharia do proprietário. Os coordenogramas, quando pertinentes, devem ser inseridos nos estudos de proteção e seletividade. Os dados dos equipamentos utilizados no ajuste das funções devem estar atualizados, sendo primordial analisar as referências bibliográficas referenciadas no estudo.
O Operador Nacional do Sistema Elétrico, (ONS), disponibiliza em seu site o Procedimento de Rede Submódulo 2.11 – Requisitos Mínimos para os Sistemas de Proteção, de Registro de Perturbações e de Teleproteção [3]. O arquivo serve de guia para a engenharia do proprietário analisar os estudos de proteção e seletividade. Os requisitos mínimos da proteção das linhas de transmissão, transformadores de potência, reatores em derivação, barramentos, bancos de capacitores e filtros são contemplados na normativa.
No nível de tensão da distribuição, algumas concessionárias de energia disponibilizam suas próprias normativas. A Companhia Energética de Minas Gerais, (CEMIG), possui a ND. 5.31 Requisitos Para Conexão de Acessantes Produtores de Energia Elétrica ao Sistema de Distribuição da Cemig D – Média Tensão. Esta norma contêm os ajustes das funções de proteção recomendados pela distribuidora. Similar ao Submódulo 2.11, a ND. 5.31 é uma excelente fonte de consulta para a engenharia do proprietário.
As versões dos documentos de estudo aprovados, (geralmente nas versões 00) são enviadas aos engenheiros de campo na fase do Teste de Aceitação de Fábrica (TAF). NO TAF são realizados testes no IEDs junto com “gigas” e mala de testes que simulam equipamentos elétricos. Os resultados do TAF contribuem para validar os estudos elétricos. Os comentários nos estudos elétricos realizados nesta etapa contribuem de forma relevante para o teste de aceitação de campo (TAC).
O sistema de potência é constituído de três diferentes segmentos: geração, transmissão e distribuição. Estes são alguns campos de estudos da engenharia elétrica. Para que a energia gerada chegue ao seu destino é necessário que exista uma subestação de energia que possa elevar e reduzir a tensão em diferentes níveis, como mostra a Figura 5.
Figura 5 – Geração, transmissão e distribuição em um sistema elétrico de potência
O projeto de uma subestação pode ser dividido nos projetos: elétrico, eletromecânico e civil. O projeto elétrico de uma subestação deve conter os diagramas: unifilar, trifilar, interligação e funcionais e o memorial descritivo do projeto elétrico. O projeto eletromecânico é multidisciplinar. Engenheiros eletricistas e civis elaboram os memoriais de cálculo das instalações elétricas, malha de aterramento, sistema de proteção contra descargas atmosféricas, e esforços horizontais e verticais nas estruturas.
Os engenheiros eletricistas responsáveis pela etapa de avaliação da documentação fornecem o parecer de aprovação ou reprovação dos diagramas unifilares, trifilares, interligação, funcionais e topográficos. Vivência em campo e um amplo conhecimento teórico do funcionamento dos equipamentos de uma subestação são requisitos necessários para que se mantenha a qualidade na análise da documentação na etapa da engenharia do proprietário. Na avaliação da conformidade dos diagramas funcionais, por exemplo, conhecer a lógica de controle e o circuito interno dos disjuntores são fundamentais.
O Submódulo 2.6 estabelece os requisitos mínimos para os equipamentos e instalações das subestações, vinculadas a rede básica. Este procedimento de rede aborda conceitos fundamentais como: configurações de arranjo das subestações, aterramento, capacidade de curto-circuito, coordenação de isolamento e emissão eletromagnética.
A engenharia do proprietário ao aprovar um documento de projeto elétrico deve verificar se a documentação segue os requisitos do Submódulo 2.6, [1], juntamente com o workstatement, que resume e define detalhes do projeto. O fluxograma da Figura 6, indica os principais tópicos e subtópicos do Submódulo 2.6 relacionados aos equipamentos de uma subestação documento.
Figura 6 – Tópicos Submódulo 2.6
Os engenheiros devem verificar a compatibilidade entre todos os documentos de um projeto de subestações. Isto significa que a representação nos diagramas unifilares de proteção e controle, deve ser compatível, e estar em conformidade com as representações dos equipamentos nos diagramas trifilares e funcionais. Compete ao engenheiro que avalia a documentação comentar e esclarecer o porque de todas as não conformidades e informar aos projetistas quais são as correções a serem realizadas.
A engenharia do proprietário é uma categoria de prestação de serviço fundamental dentro do setor elétrico brasileiro. Ela garante qualidade, confiabilidade e segurança aos colaboradores envolvidos com o empreendimento. Os engenheiros que avaliam a documentação de projeto recebem a responsabilidade de ampliar a modelagem e enxergar erros e falhas, que inevitavelmente vão ocorrer, durante o processo de elaboração dos projetos.
O profissional que atua na verificação da conformidade e não conformidade deve possuir um conhecimento amplo de toda a cadeia produtiva que envolve o projeto e estar apto ao aprendizado continuado (normativas, IEEE, IEC e ABNT são constantemente são atualizadas). Portanto é muito importante que as empresas que prestam este tipo de serviço, capacite seus engenheiros de forma a exercerem a função com alto grau de qualificação técnica.
Em uma série de artigos vamos abordar os principais aspectos relacionados a análise da documentação voltada para a engenharia do proprietário: estudos elétricos, proteção e seletividade de projetos de subestações de energia. Além disso, vamos apresentar as principais normas vigentes nacionais e internacionais que regem estes projetos.
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