ABB | Uma protecção avançada em instalações industriais

Na base desta análise estuda-se a coordenação entre os diferentes dispositivos destinados à protecção de zonas e componentes específicos para:

• Garantir a segurança em todos os casos;
• Identificar a zona implicada no problema e excluí-la rapidamente, sem intervenções indiscriminadas que iriam reduzir a disponibilidade de energia em zonas sem problemas;
• Reduzir o efeito da falha noutras zonas básicas da instalação (redução do valor da tensão, instabilidade no funcionamento dos motores);
• Reduzir a tensão nos componentes e os danos na área afectada;
• Garantir a continuidade do serviço com uma tensão de alimentação de boa qualidade;
• Garantir um apoio adequado no caso de ocorrer uma falha de funcionamento na protecção de abertura;
• Proporcionar ao pessoal e ao sistema de gestão a informação necessária para reiniciar o serviço no menor tempo possível e com o menor contratempo para o resto da rede;
• Realizar uma boa combinação de fiabilidade, simplicidade e poupança.

Ou seja, um bom sistema de protecção deve ser capaz de:

• Compreender o que aconteceu e como aconteceu, distinguir entre situações com anomalias mas toleráveis e situações de defeito dentro da zona de influência, e evitar disparos indesejados que conduzem ao desligamento de uma parte, em bom estado, da instalação;
• Trabalhar o mais depressa possível para limitar os danos (destruição, envelhecimento acelerado, …) preservando a continuidade e a estabilidade do fornecimento eléctrico.

As soluções resultam de um compromisso entre estes dois requisitos: identificação precisa da falha e rápida intervenção, e definem-se em conformidade com o requisito que tem prioridade.

Por exemplo, no caso de ser mais importante evitar disparos não desejados, opta-se por um sistema de protecção indirecto com base em bloqueios e transmissão de dados entre diferentes dispositivos que avalia os valores eléctricos localmente, ao passo que a velocidade e a limitação do efeito destrutivo do curto-circuito requer sistemas com acção directa que utilizam bobinas de protecção directamente colocadas nos dispositivos.

Em sistemas de baixa tensão para a distribuição primária e secundária, opta-se geralmente pela segunda solução.

Harmonizar a intervenção nas protecções no caso de sobrecorrentes (sobrecargas e curto-circuitos) abarca 90% dos requisitos de coordenação das protecções em redes não interligadas de baixa tensão.

Antes de continuar convém recordar que:

• A “selectividade dos disparos por sobrecorrente” é uma “coordenação entre as características de funcionamento de dois ou mais dispositivos de protecção contra sobrecorrente, de modo que quando a falha se produz dentro de certos limites estabelecidos, o dispositivo que deve funcionar dentro dos ditos limites intervém enquanto os outros não o fazem” (norma IEC 60947-1, Art. 2.5.23);
• A “selectividade total” é uma “selectividade na qual, na presença de dois dispositivos de protecção contra sobrecorrente em série, o dispositivo de protecção do lado da carga leva a cabo a protecção sem a intervenção de outro dispositivo” (norma IEC 60947-2, Art.. 2.17.2);
• A “selectividade parcial” é uma “selectividade na qual, na presença de dois dispositivos de protecção contra a sobrecorrente em série, o dispositivo de protecção do lado da carga leva a cabo a protecção até um determinado nível de sobrecorrente sem intervenção de outro dispositivo” (norma IEC 60947-2, Art.. 2.17.3); este nível de sobrecorrente denomina-se “intensidade limite de selectividade Is” (norma IEC 60947-2, Art.. 2.17.4);
• A “protecção de acompanhamento” é a “coordenação de dois dispositivos de protecção em série para a protecção contra a sobrecorrente. O dispositivo de protecção localizado ao lado da alimentação irá encarregar-se, no geral (mas não necessariamente), da protecção contra a sobrecorrente com ou sem ajuda de outro dispositivo e esforços excessivos neste último” (norma IEC 60947-1, Art.. 2.5.24). O valor de corrente acima do qual se garante a protecção é denominado “Intensidade de Intersecção IB” (norma IEC 60947-1, Art.. 2.5.25 e a norma IEC 60947-1, Art.. 2.17.6).

2. Introdução

Limitando a análise ao comportamento dos dispositivos de protecção com intervenção baseada em relés de sobrecorrente, a estratégia utilizada para coordenar as protecções depende, em grande parte, dos valores de corrente nominal e de curto-circuito na instalação em questão.

A selectividade de zona é um dos métodos mais avançados para coordenar as protecções: esta filosofia de protecção permite reduzir os tempos de disparo da protecção mais próxima do defeito relativamente aos tempos previstos pela selectividade cronométrica, cujo aperfeiçoamento resultou na selectividade de zona.

Na selectividade cronométrica, a coordenação das protecções é realizada associando o valor medido da corrente com a duração do fenómeno: um determinado valor de corrente faz com que as protecções actuem depois de um intervalo de tempo que permita às protecções “mais próximas” do defeito disparar primeiro, excluindo a zona onde se produz o defeito.

Por isso, a estratégia consiste em aumentar as regulações de corrente e os atrasos das protecções contra curto-circuitos progressivamente, à medida que as fontes de alimentação se aproximam (nível de ajuste da protecção directamente relacionado com o seu nível hierárquico). A diferença entre os atrasos definidos nas protecções em série deve ter em conta a soma:

• Dos tempos de determinação e eliminação do defeito;
• Do tempo de sobre impulso do dispositivo no lado de alimentação (o intervalo durante o qual a protecção a montante pode disparar até que o fenómeno esteja finalizado). Este estudo realiza-se comparando as curvas de disparo de tempo-corrente dos dispositivos de protecção.

No geral, este tipo de coordenação:

• É fácil de estudar e de construir e não é caro tendo em conta o sistema de protecção que se obtém;
• Permite obter valores limites de selectividade ainda maiores, bem como uma corrente de curta duração suportada pelo dispositivo do lado de alimentação;
• Permite um apoio das protecções e pode oferecer uma boa informação ao sistema de controlo.

Mas:

• Os tempos de disparo e os níveis de energia das protecções, especialmente daquelas que estejam próximas das fontes são elevadas, com problemas óbvios de segurança e de danos nos componentes (geralmente sobredimensionados), inclusivamente em zonas não implicadas no defeito;
• Apenas permite a utilização de disjuntores limitadores de corrente no último escalão; os outros disjuntores devem conseguir suportar os esforços térmicos e electrodinâmicos relacionados com a passagem de corrente de defeito num determinado intervalo de tempo.

Devem ser utilizados disjuntores selectivos (disjuntor de categoria B em conformidade com a norma IEC 60947-2) para os diferentes níveis, no geral disjuntores automáticos de bastidor aberto, para garantir uma corrente de curta duração admissível suficientemente elevada:

• A duração das perturbações nas tensões de alimentação, provocadas por uma corrente de curta duração nas zonas não implicadas no defeito, pode provocar problemas com dispositivos electrónicos e electromecânicos (tensão abaixo do valor de actuação da bobina de mínima).

3. Selectividade de zona

Este tipo de coordenação é um aperfeiçoamento da selectividade cronométrica e pode ser directa ou indirecta. Obtém-se através do diálogo entre os dispositivos de medição de corrente os quais, quando se ultrapassa o limiar regulado, permitem identificar correctamente a zona de defeito e cortar o fornecimento eléctrico da mesma.

Na prática pode obter-se de duas formas:

• Os dispositivos de medição enviam a informação relacionada com o excesso no limiar de corrente estabelecida no sistema de supervisão, e isto decide qual a protecção que deve intervir (tipo indirecto);
• Cada protecção, na presença de valores de corrente mais elevados do que o estabelecido, envia um sinal de bloqueio às protecções a montante através de uma ligação directa ou de um bus e, antes de actuar, comprova que não recebeu um sinal de bloqueio similar de nenhuma protecção situada a jusante. Isto significa que apenas intervém a protecção mais próxima do defeito (tipo directo).

O primeiro método prevê tempos de disparo numa gama de 0.5 a 1s e é utilizado, sobretudo, no caso de baixas correntes de curta duração cuja direcção de fluxo está definida de forma ambígua.

O segundo método permite tempos de disparo definitivamente mais baixos: quando comparado com uma selectividade cronométrica já não é necessário aumentar o intervalo de tempo, à medida que a fonte de fornecimento eléctrico se aproxima. O tempo de atraso programado pode reduzir-se a um tempo suficiente para confirmar a ausência de qualquer sinal de bloqueio, desde a protecção a jusante (ou seja, o tempo de que o dispositivo a jusante necessita para determinar a situação anómala e completar correctamente a transmissão do sinal).

Em comparação com a selectividade cronométrica, a selectividade da zona:

• Reduz os tempos de disparo e aumenta o nível de segurança: os tempos de disparo podem ser de 100ms ou inferiores;
• Reduz o dano causado pelo defeito, assim como as perturbações no sistema de fornecimento eléctrico;
• Reduz os esforços térmicos e dinâmicos nos disjuntores;
• Permite um número elevado de níveis de selectividade.

Por outro lado é mais oneroso no que diz respeito aos custos e à complexidade na instalação. As elevadas prestações requeridas necessitam de um aumento de tamanho (apesar de menos do que o previsto no caso da selectividade cronométrica pura), componentes especiais, cablagens adicionais, fontes de energia eléctrica auxiliares, …

Consequentemente, esta solução utiliza-se principalmente em sistemas com elevados valores de corrente nominal e de curto-circuito, com requisitos muito exigentes tanto para a segurança como para a continuidade do serviço: frequentemente encontramos exemplos de selectividade de zona em quadros de comando de distribuição primária, ao lado da carga de transformadores e geradores.

3.1. Selecção de zona com uma série de disjuntores automáticos Emax

O constante aumento da complexidade tecnológica e funcional das instalações eléctricas requer todo o tipo de componentes, especialmente aqueles que, como os disjuntores de protecção, têm uma importância vital para a segurança. Por isso mesmo requer elevados níveis de fiabilidade e continuidade de serviço com necessidades mínimas de manutenção.

Os disjuntores automáticos da série Emax cumprem estes requisitos já que têm sido estudados para serem integrados e coordenados perfeitamente com as diferentes linhas de produtos de baixa tensão da ABB. Disponíveis em cinco tamanhos, caracterizam-se por correntes permanentes de 800A a 6300A, com capacidades de corte de 42kA a 150kA (380/415 Vca). Os disjuntores Emax podem ser equipados com relés electrónicos denominados PR121, PR122 e PR123.

A completa gama de relés permite coordenar as funções de protecção segundo o valor da corrente, tempo e energia das cadeias de selectividade e, com os relés de sobrecorrente PR122 e PR123, também segundo a selectividade de zona.

3.2. Relés electrónicos PR122/PR123

A ampla gama de ajustes confere à protecção um carácter geral, ou seja, adequado para qualquer tipo de instalação.

Normalmente, os relés não necessitam de uma alimentação auxiliar visto que a energia procede dos transformadores de corrente (CT): para activar as funções de protecção e de amperímetro, basta que pelo menos uma fase tenha uma corrente superior a 100A. Para a visualização, pelo menos uma fase deve ter uma intensidade de carga superior a 160A.

Inclui-se a possibilidade de alimentação auxiliar através de uma unidade de bateria portátil PR130/B (sempre alimentada). Esta unidade permite ajustar as protecções com o interruptor no modo auto-alimentado.

Os relés PR122/PR123 são fornecidos com diferentes funções de protecção como por exemplo:

• Sobrecarga (L);
• Curto-circuito selectivo (S);
• Curto-circuito instantâneo (I);
• Defeita à terra (G).

Para todas estas funções existe uma ampla gama de ajustes disponíveis para os tempos e limiares de disparo.

As funções S e G podem ser atrasadas com um tempo independentemente da corrente (t=k) ou dependente da corrente (energia específica passante constante l2t=k).

A protecção relativamente ao defeito à terra também se pode realizar ligando os relés a um transformador toroidal externo, situado no condutor que liga o ponto estrela do transformador à terra.

Características funcionais dos relés PR122 e PR123 para a selectividade da zona

A selectividade da zona pode aplicar-se à função S e à função G. Para isso é necessário dispôr de uma alimentação auxiliar para garantir a presença de um sinal de bloqueio (ZS in e ZS out) e a sua estabilidade entre um interruptor e aquele que mais perto se encontre do lado da alimentação.

A selectividade da zona realiza-se mediante um simples cabo de ligação: cada uma das protecções que detecta a falha envia um sinal de bloqueio (ZS out) à protecção a montante e, antes de disparar, comprova que não recebeu um sinal similar a uma protecção a jusante. A saída ZS out pode ligar-se a um máximo de 20 entradas ZS in ao lado da alimentação na cadeia de selectividade.

É importante destacar que, na selectividade da zona, convém prever a selectividade cronométrica das protecções, para garantir sempre a selectividade, inclusivamente no caso de não haver alimentação auxiliar (condição que exclui a selectividade de zona).

Com a selectividade de zona, apenas a protecção encarregue de controlar a zona onde se produziu o defeito dispara sem ter em conta o atraso regulado para a S, minimizando, portanto, os efeitos do curto-circuito.

O sinal de selectividade de zona está representado por uma mensagem binária com as seguintes características eléctricas:

Sinal lógico 0: 0 [V]

Sinal lógico 1: Vaux [V]

É interessante observar que, com a selectividade de zona activada, a protecção S dispara de acordo com o tempo regulado para a selectividade de zona, “tempo de selectividade”, quando o limiar de disparo é superado e não há sinal ZS in. O ajuste do tempo de disparo é definido dentro dos seguintes valores: tempo de selectividade = 0.04 … 0.2s com passagens de 0.01s.

No entanto, no caso da selectividade de uma zona desactivada, quando o limiar de disparo é superado e o sinal ZS in está presente, começa a temporização da protecção S e, se o defeito não pára no tempo estabelecido t2, o interruptor irá disparar, garantindo assim a protecção.