Conceito Obrigatório: Sobrecorrente Direcional

A Geração Distribuída em todo o mundo é uma tendência tecnológica emergente, que representa um novo conjunto de desafios para o setor de energia. Com a real possibilidade de fluxo de energia bidirecional e também a ideia da sequência convencional de Geração, Transmissão, Distribuição e Varejo, o resultado inevitável é que as redes de distribuição precisam lidar com a proteção de rede em um cenário de fluxo de energia direto e reverso.

Embora a proteção direcional não seja um conceito novo, ela fornece um grau significativo de complexidade adicional em comparação aos esquemas tradicionais de proteção baseados em magnitude. Esta minissérie de artigos de revisão técnica abordará os conceitos básicos de física para ajudar engenheiros e técnicos entender os conceitos por trás da proteção direcional e para quais aplicações ela é mais adequada.

Sobrecorrente Direcional

Sobrecorrente direcional é o nosso primeiro elemento a ser examinado. Conceitualmente, esse elemento fornece a compreensão mais simples para cálculos, resultados e testes, mas certamente é útil entender os princípios por trás de como ele opera no campo.

A sobrecorrente é normalmente aplicada para faltas que não incluem uma corrente de fuga à terra. Esta classe de faltas inclui linhas que sobrepõe entre si (uma falta fase a fase), galhos de árvores caindo entre linhas ou alguma conexão de curto-circuito entre as fases. Não sendo a melhor proteção para detectar faltas à terra.

Filosoficamente, a sobrecorrente direcional é o cálculo da diferença entre o ângulo de fase da corrente e o ângulo de fase da tensão

Para simplificar ainda mais, para os casos onde os vetores de tensão e corrente indicam um mesmo sentido, essa provavelmente está no sentido direto, caso estes vetores apontem em sentidos opostos, a falta teoricamente deve adotar um sentido reversa ao esperado.

A prática típica do setor para relés é converter as tensões e correntes medidas de fase em componentes de sequência (Correntes e Tensões Positivas, Negativas e de Sequência Zero). A direção de sobrecorrente é calculada com base na diferença entre o ângulo da Tensão de Sequência Positiva e o ângulo da Corrente de Sequência Positiva.

Vamos explorar um cenário com faltas para um melhor entendimento deste tópico. Considere a seguinte situação:

Temos fontes diferentes em cada lado de nossa rede, dependendo da configuração, a falta pode ser direta ou reversa na perspectiva do Religador de Média Tensão (um disjuntor automático com Transformadores de Corrente e Sensores de Tensão integrados e controlados por um relé Microcontrolador).

Em primeiro lugar, vamos pegar o caso mais simples, quando assumimos que o cabo é um resistor. Os vetores Qualitativos para a Corrente e Tensão de Sequência Positiva estão nas figuras 2 e 3 abaixo

A partir desse diagrama, consideraremos a falta “A” como uma falta direta. O ângulo da falta entre V1 e I1 seria aproximadamente 0 graus. Para o caso inverso, uma falta reversa, a diferença seria de aproximadamente 180 graus.

Comumente, o alcance do ângulo da falta é de até 90 graus de cada lado do para “a maioria dos casos direto / reverso”.

Se o ângulo característico do relé indicar que a falta foi direta de -90, de 0 a 90 graus, a falta seria captada como direta e reversa para qualquer outro caso.

Mas por que nos preocupamos com uma gama tão grande de ângulos para uma falta direta?

A realidade é que uma rede de distribuição de eletricidade não é puramente resistiva, e a relação de mudança de ângulo entre Tensão e Corrente depende dos componentes reativos e resistivos da rede - os valores X e R.

Conceitualmente, quando olhamos para o diagrama vetorial de faltas, os valores resistivos estão ao longo do eixo x, e os valores reativos estão ao longo do eixo y. Quanto maior a reatância (que pode ser capacitiva ou indutiva), mais os vetores se afastam da linha resistiva.

O motivo pelo qual os engenheiros definem uma faixa operacional é de capturar todos os casos para uma falta direta, enquanto rejeita todos os casos reversos (ou vice-versa). De acordo com as características dos cabos, da infraestrutura da rede, a quantidade de X e R, da distância da falta até o disjuntor, estes ângulos serão drasticamente alterados, assim como suas leituras.

A tabela acima descreve alguns valores para uma comparação de exemplo entre dois Condutores de Alumínio. Uma é uma seção transversal de 95mm² e a outra é de 240mm². O valor que mais nos interessa é a relação X / R. Esta relação nos mostra que, para um determinado comprimento de linha, você pode esperar uma certa quantidade de reatância e resistência.

Quando a relação é inferior a 1, ou seja, quanto mais comprido o cabo, maior resistente este possuí. Ou seja, quanto mais distante a falta estiver do disjuntor, mais próxima a zero será a diferença do vetor tensão-corrente.

Quando a relação está acima de 1, quanto mais longo o cabo, mais reativo ele é. Logo, com o aumento da distância da falta para disjuntor, mais distante será a diferença do vetor tensão - corrente.

Em outras palavras, dependendo do seu cabo, a diferença de vetor irá divergir ou convergir devido à razão entre X e R. A Figura 5 mostra os vetores de corrente qualitativos baseados na relação X e R.

A razão pela qual a sobrecorrente Direcional tem um “Ângulo de Característica de Relé” ou “Ângulo de Torque” é responsável pela reatância de sua rede. Você pode supor que, se o ângulo direto deriva com base na reatância, então um desvio semelhante ocorrerá no sentido oposto. Portanto, uma configuração de Sobrecorrente Direcional de, digamos, 60 graus, pressupõe uma rede razoavelmente reativa, com intervalos de operação resultantes de 150 graus, seguido por 60 graus e abaixando para -30 graus. Os casos reversos seriam o exato oposto.

“As redes de distribuição com alta incidência de energia solar de conexões de energia solar renovável muitas vezes trabalham com alimentação contrária durante o dia (o fluxo de energia ocorre das cargas para a subestação) e na alimentação convencional à noite (fluxo de energia da subestação para a carga) ”, relata Neil O'Sullivan, diretor administrativo da NOJA Power Group. “Esse fenômeno está se tornando cada vez mais comum e requer a Proteção Direcional implementada em todos os dispositivos de proteção instalados nesses alimentadores para garantir a detecção correta de faltas e a coordenação das proteções.”

Em resumo, nós exploramos alguns pontos chave:

• A sobrecorrente direcional é determinada por meio de várias técnicas, mas a mais comum é através de uma comparação entre o ângulo de tensão de sequência positiva e os ângulos de corrente de sequência positiva.
• Nos casos onde a rede seja puramente resistiva, uma suposição justa seria que o direto tem uma diferença vetorial de zero, e as faltas reversas têm uma diferença de vetor de 180 graus.
• O maior motivo para a mudança de fase entre tensão e corrente é a relação X / R em um local de falta.
• Todas as redes reais possuem alguma reatância, e a razão para um Ângulo de Torque é considerar todos os Casos de Falta de Sobrecorrente, uma vez que que a razão entre X e R varia ao longo do comprimento do alimentador protegido.
• Quanto mais resistiva for uma rede, mais próxima o Ângulo Característico do Relé (RCA) é de zero graus. Quanto mais reativa, mais próximo o RCA será de 90 graus.

O sistema de religadores OSM da NOJA Power é implementado em inúmeras situações de proteção direcional ao redor do mundo.

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