CENTRO UNIVERSITÁRIO DO LESTE DE MINAS GERAIS
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
NADJA SHERRINE SOARES GODOY DA SILVEIRA
ESTUDO DE COORDENAÇÃO E SELETIVIDADE DA PROTEÇÃO DO SISTEMA
ELÉTRICO DE UMA PLANTA DE BENEFICIAMENTO MINERAL
CORONEL FABRICIANO
2014
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Monografia sobre sistema elétrico, Teses (TCC) de Eletrônica
Sistema elétrico de proteção e seletividade de uma planta de beneficiamento mineral.
Tipologia: Teses (TCC)
2019
1 / 92
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CENTRO UNIVERSITÁRIO DO LESTE DE MINAS GERAIS
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
NADJA SHERRINE SOARES GODOY DA SILVEIRA
ESTUDO DE COORDENAÇÃO E SELETIVIDADE DA PROTEÇÃO DO SISTEMA
ELÉTRICO DE UMA PLANTA DE BENEFICIAMENTO MINERAL
CORONEL FABRICIANO
CENTRO UNIVERSITÁRIO DO LESTE DE MINAS GERAIS
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
NADJA SHERRINE SOARES GODOY DA SILVEIRA
ESTUDO DE COORDENAÇÃO E SELETIVIDADE DA PROTEÇÃO DO SISTEMA
ELÉTRICO DE UMA PLANTA DE BENEFICIAMENTO MINERAL
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica do Centro Universitário do Leste de Minas Gerais como requisito parcial para obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica Orientador: Eliézer Furtado de Oliveira CORONEL FABRICIANO 2014
AGRADECIMENTOS
A conclusão do curso só foi possível graças a Deus que da minha vida sempre cuidou, foram muitas experiências incríveis nesses cinco anos. Agradeço aos meus pais pela paciência e palavras de estímulo. A Igreja Cristã Maranata do ministério do Pastor Jesus Salvador pelas glorificações nas minhas vitórias e as interseções nas dificuldades. A diretoria da empresa Icone Engenharia e Consultoria, que me apoiou no crescimento profissional e aos mestres dedicados do Unileste que não se cansaram de ensinar. Ao Fabricio Paiva, pelo carinho e confiança. “Nesta peleja, não tereis de pelejar; parai, estai em pé e vede a salvação do SENHOR para convosco, ó Judá e Jerusalém; não temais, nem vos assusteis; amanhã, saí-lhes ao encontro, porque o SENHOR será convosco.” II Crônicas 20:
RESUMO
Esta monografia apresenta um estudo de Coordenação e Seletividade de uma parte da planta de beneficiamento de ouro em Goiás. Valendo-se dos estudos de curtos-circuitos já elaborados e aprovados, será feito cálculo dos ajustes das proteções de uma parte do sistema elétrico da planta. As funções básicas para os dispositivos de segurança e o princípio de funcionamento dos equipamentos de proteção foram abordadas ao longo do trabalho. Será mostrado o ajuste dos elementos que eliminam a falha, bem como a filosofia de proteção. Por fim, são apresentados, através de gráficos, os resultados obtidos na realização do projeto, percebendo assim que o sistema ficou seletivo e o objetivo foi alcançado. Palavras Chave: Sistema de Potência, Coordenação e Seletividade, Proteção de Sistema Elétrico.
LISTA DE FIGURAS
SUMÁRIO
- Figura 1 – Zoneamento da proteção..........................................................................................
- Figura 2 – Transformador de Corrente tipo barra, janela e toroidal.........................................
- Figura 3– Transformador de potencial......................................................................................
- Figura 4: Curva tempo x corrente.............................................................................................
- Figura 5– Disjuntor ultrarrápido e Chave fusível.....................................................................
- Figura 6- Operações do disjuntor..............................................................................................
- Figura 7– Relés.........................................................................................................................
- Figura 8– Relés inteligentes......................................................................................................
- Figura 9– IED ALSTOM..........................................................................................................
- Figura 10– Tela do PTW (Circuito Demo)...............................................................................
- Figura 11– Tela de entrada de dados do transformador............................................................
- Figura 12– Tela de entrada de dados das linhas.......................................................................
- Figura 13– Diagrama Funcional Simplificado - Fonte: Catalogo SEL.....................................
- Figura 14– Aplicações dos Relés SEL-551/SEL-551C – Fonte: Catalogo SEL......................
- Figura 15– Diagrama Unifilar da parte analisada.....................................................................
- Figura 16– Esquemático das localizações das Proteções..........................................................
- Figura 17: Curva tempo x corrente da proteção do relé 200-R-51.1........................................
- Figura 18: Curva tempo x corrente da proteção do disjuntor 200-DG-QGBT-01....................
- Figura 19: Curva tempo x corrente da proteção do disjuntor 200-DG-CCM-01......................
- Figura 20: Curva tempo x corrente da proteção do disjuntor 200-DG-CCM-02......................
- 200-CCM-01............................................................................................................................. Figura 21: Coordenograma das proteções relé 200-R-51.1 e disjuntores 200-DG-QDBT-01 e
- 200-CCM-02............................................................................................................................. Figura 22: Coordenograma das proteções relé 200-R-51.1 e disjuntores 200-DG-QDBT-01 e
- Figura 23: Diagrama Unifilar Geral Simplificado....................................................................
- Tabela 1 – Proteções de geradores............................................................................................ LISTA DE TABELAS
- Tabela 2 – Proteções de transformadores.................................................................................
- Tabela 3 – Proteções de motores..............................................................................................
- Tabela 4 – Proteções de barramentos........................................................................................
- Tabela 5 – Resumo da Potência Demandada na Mineração Maracá........................................
- Tabela 6 – Correntes de curto-circuito trifásicas subtransitórias e de regime permanente......
- Tabela 7 – Impedâncias da linha de transmissão......................................................................
- Tabela 8 – Dados do Transformador........................................................................................
- Tabela 9 – Ajuste para o dispositivo da proteção P1 a montante do transformador.................
- Tabela 10 – Ajuste para o dispositivo da proteção P2 a jusante do transformador..................
- Tabela 11 – Ajuste para o dispositivo da proteção P3 para as cargas dos CCM’s...................
- Tabela 12 – Ajuste para o dispositivo da proteção P4 para as cargas dos CCM’s...................
- INTRODUÇÃO...............................................................................................................
- 1.1. MOTIVAÇÃO..............................................................................................................
- 1.2. OBJETIVOS.................................................................................................................
- ESTUDOS DE CURTO CIRCUITO.............................................................................
- ZONA DE PROTEÇÃO.................................................................................................
- DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO.................................................................................
- 4.1. TRANSFORMADOR DE CORRENTE....................................................................
- 4.2. TRANSFORMADOR DE POTENCIAL...................................................................
- 4.3. FUSÍVEL......................................................................................................................
- 4.4. DISJUNTOR................................................................................................................
- 4.5. RELÉ.............................................................................................................................
- 4.6. RELÉ INTELIGENTE................................................................................................
- 4.7. IED – INTELIGENT ELETRONIC DEVICE..........................................................
- PROTEÇÃO DE EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS....................................................
- 5.1. GERADOR...................................................................................................................
- 5.2. TRANSFORMADOR..................................................................................................
- 5.3. MOTOR DE INDUÇÃO.............................................................................................
- 5.4. BARRAMENTOS E CABOS......................................................................................
- SELETIVIDADE.............................................................................................................
- 6.1. SELETIVIDADE AMPERIMÉTRICA.....................................................................
- 6.2. SELETIVIDADE CRONOLÓGICA.........................................................................
- 6.3. SELETIVIDADE LÓGICA........................................................................................
- COORDENAÇÃO DA PROTEÇÃO.............................................................................
- 7.1. COORDENAÇÃO TIPO 1..........................................................................................
- 7.2. COORDENAÇÃO TIPO 2..........................................................................................
- 7.3. COORDENAÇÃO TOTAL........................................................................................
- TEMPO DE CORDENAÇÃO........................................................................................
- PROGRAMA PTW.........................................................................................................
- PROTEÇÃO DE SOBRECORRENTE.....................................................................
- 10.1. RELÉ DE SOBRECORRENTE TEMPORIZADO (FUNÇÃO 51).......................
- 10.2. RELÉ DE SOBRECORRENTE INSTANTÂNEO (FUNÇÃO 50).........................
- 10.3. CORRENTE DE INRUSH..........................................................................................
- 10.4. SOBRE O RELÉ SEL 551C – INSTALADO NA PROTEÇÃO.............................
- ESTUDO DE CASO....................................................................................................
- 11.1. DESCRIÇÃO DA PLANTA.......................................................................................
- 11.2. RESUMO DA DEMANDA MÁXIMA POR ÁREA.................................................
- 11.3. PREMISSAS.................................................................................................................
- 11.4. DADOS DAS LINHAS E EQUIPAMENTO.............................................................
- 11.5. CÁLCULOS DOS AJUSTES DAS PROTEÇÕES 50/51 DE FASE.......................
- 11.6. PROTEÇÃO DO PRIMÁRIO DO TRANSFORMADOR......................................
- 11.7. PROTEÇÃO DO DISJUNTOR GERAL 200-QDBT-01..........................................
- 11.8. PROTEÇÃO DO DISJUNTOR GERAL 200-CCM-01...........................................
- 11.9. PROTEÇÃO DO DISJUNTOR GERAL 200-CCM-02...........................................
- AJUSTES......................................................................................................................
- COORDENOGRAMAS..............................................................................................
- 13.1. CORDENOGRAMA 1 – PROTEÇÃO P1, P2 E P3.................................................
- 13.2. CORDENOGRAMA 2 – PROTEÇÃO 1, 2 E 4........................................................
- CONCLUSÕES............................................................................................................
- REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS.......................................................................
- ANEXOS.......................................................................................................................
- MINERAÇÃO SURUCA- YAMANA GOLD..................................................................... ANEXO A – DIAGRAMA UNIFILAR GERAL SIMPLIFICADO DA PLANTA DA
- ANEXO B: PLANILHA DE CÁLCULO DE CABOS - ÁREA 200 – BRITAGEM..........
- ANEXO C - RESULTADO DOS CÁLCULOS DE CURTO-CIRCUITO DE 1° CICLO..
- PERMANENTE.................................................................................................................... ANEXO D - RESULTADO DOS CÁLCULOS DE CURTO-CIRCUITO EM REGIME
defeito. Zonas de proteção sobrepostas e proteção de retaguarda são requisitos indispensáveis num esquema de proteção confiável. Este trabalho visa o estudo de coordenação e seletividade definindo os ajustes dos dispositivos de proteção mantendo a segurança dos equipamentos, operadores e a continuidade do serviço. 1.1. MOTIVAÇÃO Entender o funcionamento de um sistema de proteção, coordenação e seletividade através de um estudo nas literaturas básicas do Sistema Elétrico de Potência, conhecer normas nacionais, internacionais e utilizar software para simulação de um estudo de caso, a fim de mitigar a complexidade desse assunto. 1.2. OBJETIVOS Determinar os ajustes das proteções de forma que na ocorrência do curto atue em tempo mínimo somente o dispositivo próximo à falta, eliminando-se o curto-circuito rapidamente por meio do desligamento do menor número de equipamentos possível, isolando a parte afetada.
2. ESTUDOS DE CURTO CIRCUITO O curto-circuito ocorre devido à conexão anormal entre partes energizadas de uma instalação com diferentes níveis de tensão. Normalmente decorre de elevados níveis de corrente, que podem danificar os equipamentos e instalações. Em usinas, subestações e linhas de transmissão pode ocorrer curto-circuito envolvendo barramentos, conexões, equipamentos de manobra, transformadores, reatores, banco de capacitores, entre outros. Devido a isso é essencial que seja determinado todos os níveis de curto-circuito em diversos pontos do sistema como: nos terminais de gerador, nos barramentos, nos lados primário e secundário dos transformadores e nos motores. Os estudos elaborados por engenheiros da concessionária e ou empresas, devem fornecer os níveis de curto-circuito no ponto mais próximo da interligação e dar informações sobre as linhas, já que todas as distâncias e impedâncias até o ponto de interligação têm influência direta nos níveis de curto-circuito. A partir disso, é dado inicio ao estudo das correntes de curto-circuito, onde se considera as características do projeto de interligação, tais como
diâmetros dos cabos e tipo de cabos usados, proteções, dados de placas de equipamentos, entre outros. Um dos danos mais estudados é o de sobretensão que é provocada pelo aumento da tensão acima dos valores nominais, que se manifesta em várias partes do sistema de potência, incluindo equipamentos e linhas de transmissão, podendo ocorrer devido a uma série de fatores, sendo os mais importantes: Sobretensões dinâmicas : Ocorrem associadas à manobras operativas, como o chaveamento de um banco de capacitores, que ocasionam aumento de tensão devido ao excesso de potência reativa, tendo como consequência a elevação de tensão. Em geral as sobretensões dinâmicas estão associadas a fenômenos eletromecânicos. Sobretensões transitórias: Ocorrem devido a surtos de tensão que podem durar microssegundos e ou milissegundos. Os chaveamentos em sistemas elétricos ocasionam o aparecimento dos chamados surtos de manobra, associados ao fato de toda mudança brusca do estado de um circuito elétrico provocar transitórios. Outra fonte de surto que pode atingir subestações e linhas de transmissão é a descarga atmosférica. Em geral estão associadas a fenômenos eletromagnéticos e/ou eletrostáticos. Uma sobretensão que se mantém por certo período pode causar danificação de isolação nos equipamentos de potência, dependendo da intensidade e da duração. Para evitar estas ocorrências são desenvolvidos estudos de coordenação de isolação, que tem como objetivos determinar as características dos equipamentos de proteção. Os equipamentos tais como transformadores, disjuntores, linhas e alimentadores são projetados para suportar sobrecargas em geral e possuem um ponto máximo de operação, que quando operados acima deste ponto diz-se que os mesmos estão em sobrecarga. Contudo quando se trata de sobrecarga, estamos falando em aquecimento, por isso seus limites aceitáveis estarão sempre associados à duração da sobrecarga e a temperatura a que o equipamento ou instalação terá que suportar.
O sistema de proteção em caso de defeito ou condição anormal, a proteção nunca deve falhar ou realizar uma operação inadequada. A operação incorreta de um dispositivo pode ser atribuída a projeto incorreto do sistema de proteção, ajuste incorreto do relé, testes incorretos com os relés, instalação incorreta ou degradação em serviço. Um sistema de proteção seguro implica em apresentar uma segunda proteção, ou proteção de retaguarda no caso de falha da proteção principal. A zona de proteção principal é responsável pela proteção principal da seção delimitada por ela, de maneira que, caso ocorra uma falta em um determinado trecho, o dispositivo de proteção responsável pela zona principal será o primeiro a perceber a corrente de curto- circuito e tentar eliminar a falta. Caso a proteção principal falhe, ou seja, estes dispositivos falhem a proteção secundária ou de retaguarda deve atuar.
- DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO Um defeito como sobrecorrentes, sobretensões e perturbações em geral, sempre modificam os valores de corrente e tensão. Portanto, as grandezas vistas pelo sistema devem ser ligadas a alterações nas correntes ou tensões, seja em módulo ou ângulo. Os relés identificam o defeito do sistema através de comparações do valor medido com o valor ajustado e em casos de falha aciona o disjuntor, isolando a parte defeituosa. As informações são recebidas do sistema protegido, sob a forma de tensão, corrente, frequência ou uma combinação dessas grandezas. Não fará parte desse estudo o dimensionamento dos equipamentos, nem os tipos de erros que cada um pode produzir. 4.1. TRANSFORMADOR DE CORRENTE São dispositivos que fazem a transformação do valor de corrente nominal lida no enrolamento primário em uma corrente secundária normalmente padronizada em 5A, com proporções definidas, sem alterar a sua posição vetorial. Esses equipamentos suprem aparelhos como relés, amperímetros, bobinas de corrente, medidores de energia entre outros sendo a característica comum à baixa resistência elétrica, com objetivo de evitar contatos
diretos, protegendo os instrumentos de medida contra sobrecargas ou sobrecorrentes de valores muito elevados. Os TC’s são ligados em série com o circuito de força e assim, tende a provocar pouca queda de tensão no sistema. Por isso, o circuito primário é composto, normalmente, de poucas espiras de fio grosso, enquanto o circuito secundário é composto de várias espiras de fio fino [Claudio Mardegan, 2012]. As relações de transformação e o método de cálculo para dimensionamento são definidas pela NBR 6856 da ABNT. Figura 2 – Transformador de Corrente tipo barra, janela e toroidal. 4.2. TRANSFORMADOR DE POTENCIAL Dispositivo de proteção que permite medição e proteção através do fornecimento no secundário com menor custo e segurança de uma tensão proporcional à tensão primária, com um certo grau de precisão, dentro de uma faixa especificada para a tensão primária. É capaz de reduzir a tensão do circuito para níveis compatíveis com a máxima suportável pelos instrumentos de medição. A relação de transformação é determinada na fabricação do TP pela razão entre o número de espiras do enrolamento primário sobre o número de espiras do enrolamento secundário, assim conhecendo-se a relação e a tensão no circuito secundário, tem-se o valor da tensão no circuito primário. Pode também utilizar a tensão do secundário para alimentar, de forma segura, os circuitos de proteção e controle de subestações. Tem como função básica garantir segunça pessoal e isolamento contra altas tensões. A ligação usual em TPs é a ligação estrela aterrada-estrela aterrada.
Figura 5 – Disjuntor ultrarrápido e Chave fusível. 4.4. DISJUNTOR Dispositivo de manobra (mecânico) e de proteção capaz de estabelecer, conduzir e interromper correntes em condições normais do circuito, assim como estabelecer, conduzir por tempo especificado e interromper correntes em condições anormais especificadas do circuito, tais como as de curto-circuito. [NBR 05361] Os disjuntores são selecionados conhecendo-se as suas características de suportação de corrente x tempo. Para extinção do arco são utilizados vários métodos conforme classe de tensão. O seccionamento deve ocorrer sem que o disjuntor seja danificado para que conhecendo-se o problema e tomando as providencias, o mesmo seja rearmado colocando o sistema em operação. Existem vários tipos de disjuntor de baixa tensão. A classificação mais comumente encontrada divide esses dispositivos em duas grandes classes, a saber: disjuntores abertos e disjuntores de caixa moldada. Os disjuntores de caixa moldada, como o próprio nome indica, são compostos por uma caixa isolante como se fossem uma unidade integral que aloja internamente todos os componentes do disjuntor. Sua desvantagem reside no fato que, quando há qualquer problema interno é praticamente impossível repara-los, ou seja, tem-se que substitui-lo. Já os disjuntores abertos permitem acesso as suas partes internas, assim a manutenção interna de seus componentes é possível. [Claudio Mardegan, 2012]
Figura 6 - Operações do disjuntor. Por oferecer funções de manobra, proteção contra sobrecarga e curto-circuito são dispositivos mais caros. Quanto maior a nível de tensão e quantidades de proteção mais robusto. A seleção das curvas B, C e D ocorre conforme a característica das cargas: Classe B – Cargas resistivas com pequena corrente de partida; Classe C – Cargas mistas de média corrente de partida; Classe D – Cargas indutivas com grande corrente de partida. 4.5. RELÉ São dispositivos destinados a operar quando uma grandeza de atuação atinge um determinado valor. Os principais requisitos de uma relé são: Confiabilidade, seletividade, suportabilidade térmica, suportabilidade dinâmica, sensibilidade, velocidade, baixo consumo e baixo custo. Face a necessidade de seletividade e proteção, os relés eletrônicos podem possuir além destes, os seguintes requisitos: breaker failure, autocheak, seletividade lógica, oscilografia, adequada quantidade de entradas e saídas digitais, adequada quantidade de entradas analógicas de corrente, adequada quantidade de entradas analógicas de tensão, sincronização do relógio via SNTP ou IRIG-B e registro sequencial de eventos, todos com o objetivo de obter total controle do sistema. [Claudio Mardegan, 2012] O Relé tem como função básica analisar os sinais de tensão e corrente ou o equipamento a se protegido. É acionado por baixas correntes, protegendo o operador das possíveis altas correntes que irão circular no circuito secundário.