Relés de Proteção – Do Eletromecânico ao Digital
30 de março de 2024
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Neste artigo será abordado:
Na dinâmica complexa do setor elétrico, a proteção de sistemas elétricos sempre teve um papel relevante. Ao longo do tempo, a tecnologia de proteção evoluiu significativamente, e um elemento que se destaca nesse processo é o relé de proteção. Este artigo tem como objetivo explorar a evolução desses dispositivos fundamentais, destacando vantagens e desvantagens de cada uma das tecnologias dos relés eletromecânicos, estáticos e digitais.
Primeiro vieram os relés eletromecânicos, na virada do século 19 para o século 20. Depois, na década de 60, surgiram os primeiros relés estáticos e na década de 80 os primeiros relés digitais.
O relé estático, também conhecido como relé eletrônico, foi inventado após a invenção do transistor em 1947. O relé estático substituiu as bobinas e os imãs do relé eletromecânico por componentes analógicos, como transistores, diodos, resistores, capacitores, indutores, etc.
Já em relação ao relé digital, um dos primeiros artigos a discutir o uso de computadores para proteção de sistemas elétricos foi publicado em 1969 por George D. Rockefeller. Este artigo, intitulado “Fault Protection with Digital Computer”, descreveu em detalhes o uso de um computador para detectar e isolar falhas em sistemas elétricos. O artigo de Rockefeller teve um impacto importante no contexto dos relés digitais. Ele ajudou a demonstrar a viabilidade do uso de computadores para proteção de sistemas elétricos e inspirou outros engenheiros a desenvolver relés digitais mais avançados. O nome do livro que fala sobre esse artigo é Computer Relaying for Power Systems, dos autores: Arun G. Phadke e James S. Thorp.
Os primeiros relés projetados eram dispositivos eletromecânicos. Este tipo de relé era projetado e construído utilizando forças que eram produzidas pela interação eletromagnética entre correntes e fluxos, tal como ocorre em um motor.
O primeiro relé utilizado foi o de atração eletromagnética, nos primórdios da proteção de sistema elétrico. De forma bem simplificada, correntes e tensões, eram “convertidas” em forças elétricas e magnéticas. Essas forças, então, promovem o movimento de uma haste, que fecha um contato e que vai acionar o circuito de abertura de um disjuntor.
evolução do relé de atração eletromagnética é o relé de indução eletromagnética. Os relés de indução têm o princípio de funcionamento similar ao motor de indução. O elemento que se move (rotor) é geralmente um disco (ou cilindro). A parte estacionária é um circuito indutor, onde há campo magnético sendo produzido. A ação promovida por estes campos move o disco. O giro do disco provoca o fechamento do contato que aciona a bobina de abertura do disjuntor. Com este relé, também teve origem as curvas normalizadas, tais como, normalmente inversa, muito inversa etc.
Devido à presença, ainda hoje, do relé eletromecânico no setor elétrico, vale a pena realizar uma análise de suas vantagens e desvantagens dentro do contexto geral.
Vida útil
O relé eletromecânico se destaca por sua elevada durabilidade e robustez, atributos que lhe conferem uma vida útil extremamente longa. Prova disso é a sua presença ainda hoje, mesmo em instalações que datam das décadas de 80 e 90. Com a manutenção adequada, o relé eletromecânico pode ter uma vida útil superior a 40 anos.
Confiabilidade
Ainda em pleno funcionamento em várias instalações e proporcionando proteção eficaz, o relé eletromecânico se provou ser extremamente confiável. O conceito de confiabilidade está ligada à capacidade do relé de proteção de atuar quando necessário e permanecer sem atuação quando não há condições anormais no sistema.
Resistência à temperatura
Este tipo de relé demonstra desempenho mesmo em altas temperaturas, sem qualquer prejuízo ao seu funcionamento.
No entanto, a análise completa do relé eletromecânico deve considerar também suas desvantagens.
Custo
Atualmente, o custo associado ao relé eletromecânico é elevado em dois aspectos. Primeiramente, se for necessária a substituição de uma peça, ela terá que ser fabricada sob encomenda, implicando em custos de fabricação. Em segundo lugar, a manutenção exige mão de obra especializada que, por estar mais rara, também apresenta custo significativo.
Complexidade do painel e uso excessivo de cablagem
Os painéis dos relés eletromecânicos são repletos de cabos, responsáveis por realizar toda a lógica de funcionamento, desde a mais simples até a mais complexa. Esse excesso de cabos resulta em um painel complexo para manutenção. Além disso, com o envelhecimento da cablagem, aumentam os riscos de atuações indevidas, devido à problemas como mal contato, por exemplo. Embora o relé seja confiável, a cablagem pode comprometer a confiabilidade do sistema. Neste aspecto devemos lembrar da importância da manutenção.
Restrição de Aplicação
Outra desvantagem importante é a aplicação restrita do relé eletromecânico. Por exemplo, um relé de diferencial possui um hardware exclusivo para essa função, não podendo ser reaproveitado para sobrecorrente. Além disso, na maioria das vezes, é necessário um relé por fase. Hoje em dia, relés modernos oferecem várias outras funcionalidades, como medição, registro de eventos, oscilografia, além do uso de fibra óptica para comunicação entre relés e sistemas de supervisão, funcionalidades essas impossíveis de serem incorporadas ao relé eletromecânico.
Em um cenário de retrofit de proteção, geralmente, a opção será por substituir o relé eletromecânico por um digital, considerando as desvantagens supracitadas. Apesar de suas vantagens, a evolução tecnológica tem conduzido à uma redução gradual na utilização do relé eletromecânico.
Os relés estáticos surgiram com a utilização de eletrônica analógica, incluindo transistores e diodos, e evoluíram para semicondutores e circuitos integrados, consolidando a presença da eletrônica na década de 70. O nome “estático” vem justamente dessa característica – a ausência de partes móveis.
Inicialmente, eram uma mistura de eletromecânico com eletrônico, mas com o passar do tempo e as melhorias tecnológicas, eles realmente se tornaram eletrônicos. Contudo, essa evolução não foi sem desafios.
O ambiente de uma subestação pode ser bastante hostil para circuitos eletrônicos, podendo induzir correntes e causar interferências eletromagnéticas. Isso trouxe vários problemas para a eletrônica do relé, causando várias atuações indevidas e gerando desconfiança inicial na utilização desse tipo de relé. No entanto, a tecnologia não dá passos para trás e as falhas dos relés estáticos acabaram acelerando as pesquisas para aprimorar os relés digitais.
Vamos comentar agora das vantagens dos relés estáticos:
Menor custo
Em comparação com os relés eletromecânicos de funções similares, eles são mais econômicos.
Maior velocidade
Por causa da tecnologia empregada, um circuito eletrônico será sempre mais rápido do que um circuito analógico ou eletromecânico.
Baixo consumo e menor carga
A carga imposta ao circuito do secundário do transformador de corrente, importante para evitar saturação, é agora significativamente mais baixa, melhorando a aplicação.
Confiabilidade
Apesar dos problemas iniciais, a médio prazo, a tecnologia estática provou seu valor. Hoje, não é comum encontrar relés estáticos em subestações, mas eles com certeza existem.
Em relação às desvantagens, podemos citar:
Sensibilidade a interferências elétricas/chaveamentos
Como mencionado antes, o ambiente de subestação é bastante hostil aos circuitos eletrônicos. Essa sensibilidade causou muitos distúrbios elétricos que acabaram prejudicando os componentes e circuitos eletrônicos, motivando estudos na área de interferência eletromagnética em subestações e a criação de normas e orientações para lidar com essas questões.
Vida útil
A vida útil dos relés estáticos é de cerca de 20 anos, limitada pela durabilidade dos componentes eletrônicos. Porém, por outro lado, a manutenção desses dispositivos é teoricamente mais simples do que a dos eletromecânicos, já que os componentes eletrônicos são facilmente encontrados.
Devido à rápida evolução da tecnologia digital, os relés estáticos tiveram uma vida curta. Ainda há instalações com estes relés, mas com o surgimento dos relés digitais, esta tecnologia foi substituída.
Com o avanço do tempo, a década de 80 presenciou a chegada de uma nova era para os relés – a era dos relés digitais. Agora, mais de quatro décadas depois, esses dispositivos continuam presentes e em constante evolução.
O relé digital, em essência, é um equipamento gerenciado por um microprocessador. Esses dispositivos incorporam software para entrada de dados e definição de parâmetros. Inclusive, grande parte do algoritmo implementado em relés digitais é, de fato, uma simulação do funcionamento de um relé eletromecânico. Adicionalmente, os sinais de corrente do Transformador de Corrente (TC) e Transformador de Potencial (TP) são adquiridos por amostragem, e muitas das lógicas que eram executadas através de cablagem são agora realizadas por operações lógicas internamente ao relé.
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O surgimento dos relés digitais/microprocessados trouxe consigo uma série de vantagens, destacadas abaixo.
Custo
O fato de várias funcionalidades poderem ser agregadas em um único hardware já representa uma significativa redução de custos. Anteriormente, cada função de proteção necessitava de um hardware diferente, e quanto mais complexa a função (por exemplo, de distância ou diferencial), mais complexo era o hardware necessário.
Aplicação Integrada
A proteção digital pode integrar diversas funções como medição, oscilografia, registro de eventos, verificação de sincronismo, religamento, monitoramento do transformador, do disjuntor, entre outros. Isso só é possível graças à capacidade de aplicação integrada em um único hardware.
Redução de Espaço em Painéis
A aglomeração de todas as funções em um único hardware reduz significativamente o espaço ocupado pelos painéis.
Comunicação
O uso de redes, principalmente com fibra óptica, representou um avanço considerável na comunicação dos relés, substituindo a antiga comunicação via fio de cobre. Essa mudança permitiu uma maior integração entre proteção, controle e supervisão.
Auto-check
A capacidade do equipamento de auto verificar sua saúde é uma adição notável. O relé pode identificar e reportar qualquer problema de hardware ou software ao supervisório por meio de um alarme, permitindo que medidas corretivas sejam tomadas.
Confiabilidade
Apesar das dificuldades iniciais, semelhantes às enfrentadas pela tecnologia estática, os relés digitais conseguiram se firmar e provar sua confiabilidade ao longo do tempo.
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Entretanto, os relés digitais também possuem seus pontos de atenção.
Sensibilidade a interferências elétricas/chaveamentos
A sensibilidade a interferências elétricas e eletromagnéticas deve sempre ser considerada. Hoje, existem normas que abordam essa questão e muitos fabricantes desenvolvem materiais que protegem os componentes eletrônicos de elementos como poeira.
Temperaturas
A temperatura também é um fator crítico, uma vez que os componentes eletrônicos são sensíveis a elevadas temperaturas. Felizmente, muitos estudos já foram feitos e é comum o uso de componentes eletrônicos de tecnologia militar nos relés, além de extensos testes em laboratório.
Obsolescência
A obsolescência é outro ponto de atenção. Em média, os relés digitais precisam ser substituídos a cada 10 anos, o que pode ser considerado uma desvantagem em comparação com a durabilidade dos relés eletromecânicos (40 anos) e estáticos (20 a 25 anos). Essa necessidade de substituição é principalmente devido à rápida evolução da tecnologia microprocessada. O fabricante geralmente oferece uma garantia de 10 anos, durante os quais deve fornecer as peças necessárias. Após esse período, a garantia das peças não é assegurada, tornando a substituição do relé praticamente obrigatória.
A evolução dos relés de proteção no setor elétrico revela o progresso da tecnologia ao longo do tempo, desde a virada do século 19 até o presente. Desde os relés eletromecânicos, com seus sistemas baseados em forças eletromagnéticas e mecanismos robustos, passando pelos relés estáticos, que introduziram componentes analógicos como transistores, diodos e resistores, até os relés digitais atuais, gerenciados por microprocessadores e oferecendo múltiplas funcionalidades em um único hardware.
É importante salientar que o avanço tecnológico não substituiu completamente as tecnologias anteriores, mas sim as complementou. Os relés eletromecânicos ainda são utilizados em algumas instalações devido à sua robustez e confiabilidade, enquanto os relés estáticos ainda estão presentes em algumas subestações, mesmo que em menor escala. Contudo, o relé digital tem ganhado cada vez mais espaço devido à sua versatilidade e capacidade de integração.
O setor elétrico continuará a evoluir, e com ele a tecnologia de proteção. O desafio para o futuro é continuar equilibrando as necessidades de confiabilidade, eficiência, segurança e custo à medida que a tecnologia continua a evoluir.
Referência:
[1] Material didático da Capacitação em Comissionamento de Proteção e Controle. Para saber mais clique no link.
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