Erros comuns ao atualizar os sistemas de proteção

Introdução

As atualizações do esquema de proteção em subestações de média tensão estão entre as atividades de comissionamento mais exigentes tecnicamente na engenharia de sistemas de energia - e entre as mais freqüentemente executadas incorretamente. O relé é substituído, as configurações são recalculadas, o teste de comissionamento é aprovado e a subestação volta ao serviço. Três meses depois, ocorre uma falha e a proteção deixa de funcionar corretamente. A investigação revela que o relé foi perfeitamente especificado e ajustado corretamente - mas os transformadores de corrente que o alimentam nunca foram reavaliados quanto à compatibilidade com o novo esquema de proteção, e os erros de medição que causaram a falha da proteção estavam presentes desde o primeiro dia de funcionamento do esquema atualizado.

A resposta direta é a seguinte: os erros mais comuns e mais conseqüentes nas atualizações do esquema de proteção não são erros de configuração do relé - são erros de medição do TC que ocorrem porque os engenheiros tratam a instalação do TC existente como uma entrada fixa e verificada para o novo esquema de proteção, em vez de um componente que deve ser reavaliado, re-testado e re-confirmado em relação aos requisitos de medição do novo relé, caraterísticas de carga e demandas de desempenho transitório, que são quase sempre diferentes daqueles do relé que está sendo substituído.

Para engenheiros de proteção de subestações, gestores de projectos de atualização de média tensão e equipas de comissionamento de segurança crítica responsáveis por actualizações de esquemas de proteção, este guia identifica todos os erros significativos de medição de TC que ocorrem durante as actualizações de esquemas de proteção - e fornece a metodologia de engenharia para evitar cada um deles.

Índice

• Porque é que as TC existentes se tornam incompatíveis quando os sistemas de proteção são actualizados?
• Quais são os erros de medição de TC mais perigosos durante as actualizações do esquema de proteção?
• Como reavaliar corretamente as especificações de TC para actualizações do esquema de proteção de média tensão?
• Como executar uma verificação segura da medição de TC durante projectos de atualização de esquemas de proteção em tensão?
• Perguntas frequentes sobre erros de medição de TC em actualizações de esquemas de proteção

Porque é que as TC existentes se tornam incompatíveis quando os sistemas de proteção são actualizados?

A suposição de que os TCs existentes permanecem totalmente compatíveis com um novo relé de proteção é o erro fundamental da maioria dos projetos de atualização do esquema de proteção. Parece razoável - a relação do TC não mudou, a corrente primária não mudou e o TC passou no seu último teste de manutenção. O que mudou foi o relé - e o relé define o ambiente de medição no qual o TC deve operar.

Cada relé de proteção apresenta uma carga específica para o circuito secundário do TC. Cada relé de proteção tem requisitos específicos de desempenho transitório que determinam o fator limitador de precisão (ALF) do TC necessário para um funcionamento correto durante as condições de defeito. Cada relé de proteção tem um algoritmo de medição específico - RMS, fasor de frequência fundamental ou deteção de pico - que interage de forma diferente com a distorção da forma de onda secundária do TC. Quando o relé muda, todos estes três parâmetros mudam simultaneamente - e o TC existente pode não satisfazer nenhum deles.

Principais parâmetros técnicos que se alteram quando um relé de proteção é substituído:

• Carga secundária (VA)¹: Os modernos relés de proteção numérica apresentam cargas de 0,025-0,1 VA a 1 A secundário - dez a quarenta vezes inferior à carga de 1-5 VA dos relés electromecânicos que substituem; esta redução drástica da carga altera o ponto de funcionamento do TC na sua curva de excitação e pode causar um comportamento inesperado do TC durante as condições de falha
• Fator Limite de Precisão (ALF)² requisito: A especificação de desempenho transitório do novo relé define o ALF mínimo do TC necessário para a operação correta durante a corrente de falta máxima; se o ALF do TC existente na carga do novo relé for menor do que o necessário, o TC irá saturar antes que o relé possa tomar uma decisão de proteção correta
• ALF efetivo com novos encargos: ALF_effective = ALF_rated × (Rct + Rburden_rated) / (Rct + Rburden_actual); reduzir a carga do relé de 5 VA para 0,1 VA aumenta drasticamente o ALF efetivo - o que parece benéfico, mas pode fazer com que o TC funcione numa região inesperada da sua caraterística de excitação
• Compatibilidade do algoritmo de medição: Os relés electromecânicos respondem ao RMS da forma de onda da corrente secundária, incluindo todos os harmónicos e o desvio DC; os relés numéricos extraem o fasor da frequência fundamental utilizando a filtragem de Fourier - a forma de onda secundária do TC durante as condições de defeito deve ser compatível com o algoritmo de filtragem específico do relé
• Normas aplicáveis: IEC 61869-2³ (precisão do TC e ALF), IEC 60255-151 (requisitos do relé de proteção contra sobreintensidades), proteção diferencial do transformador⁴ requisitos (IEC 60255-187-1)

O cálculo do ALF efetivo revela uma consequência crítica e contra-intuitiva da substituição de relés electromecânicos de elevada carga por relés numéricos de baixa carga:

$ALF_{eficaz} = ALF_{avaliado} \times \frac{R_{CT} + R_{burden,rated}}{R_{CT} + R_{burden,atual}}$

Para um TC de 5P20 com Rct = 2 Ω e carga nominal = 15 VA (15 Ω a 1 A):

• Com relé eletromecânico original de 5 VA (5 Ω): ALF_eficaz = 20 × (2+15)/(2+5) = 48.6
• Com o novo relé numérico de 0,1 VA (0,1 Ω): ALF_eficaz = 20 × (2+15)/(2+0.1) = 161.9

O TC que estava operando em ALF 48.6 com o relé antigo está agora operando em ALF 161.9 com o novo relé - muito acima do ponto de joelho de sua curva de excitação durante condições de falta, em uma região onde o comportamento transitório do TC é imprevisível e onde a forma de onda secundária pode conter distorção significativa que o filtro de Fourier do relé numérico não pode processar corretamente.

Quais são os erros de medição de TC mais perigosos durante as actualizações do esquema de proteção?

Os erros de medição de TC de atualização do esquema de proteção dividem-se em duas categorias: erros de especificação cometidos durante a fase de conceção, que criam incompatibilidade antes do início da instalação, e erros de comissionamento cometidos durante a execução da atualização, que introduzem erros num sistema que, de outra forma, estaria corretamente especificado.

Erro de especificação 1: Aceitar a TC existente sem reavaliar a ALF com novos encargos

O erro de especificação mais comum e mais perigoso. O engenheiro de proteção especifica o novo relé, calcula as configurações do novo relé e observa que a relação do TC existente permanece inalterada - então aceita o TC existente sem recalcular seu ALF efetivo na carga do novo relé.

A consequência: o TC opera num ponto dramaticamente diferente da sua caraterística de excitação com o novo relé do que com o relé antigo. No caso do relé numérico de baixa carga descrito acima, o TC pode operar tão acima do seu ponto de joelho durante as condições de falha que a forma de onda da corrente secundária é severamente distorcida - contendo grandes componentes de desvio DC e conteúdo harmónico que o filtro de Fourier do relé numérico não pode extrair o fasor fundamental corretamente. O relé não funciona, funciona com temporização incorrecta, ou funciona com a componente distorcida da forma de onda em vez da corrente de defeito de frequência fundamental.

Erro de especificação 2: Incompatibilidade de núcleos de TC entre funções de proteção

Os TCs de média tensão contêm normalmente vários núcleos - núcleos separados para funções de proteção e medição e, por vezes, núcleos separados para diferentes funções de proteção. Durante uma atualização do esquema de proteção, é comum reatribuir núcleos de TC - utilizando um núcleo anteriormente dedicado à proteção contra sobreintensidades para a nova função de proteção diferencial, por exemplo.

O erro de reatribuição de núcleos: a proteção diferencial requer núcleos de TCs com erros de relação e deslocamentos de fase idênticos em ambos os lados do equipamento protegido. A utilização de um núcleo previamente optimizado para a proteção contra sobreintensidades - com um ALF mais elevado e uma caraterística de excitação diferente - num dos lados de um esquema diferencial, enquanto se utiliza um núcleo de medição padrão no outro lado, cria uma corrente diferencial permanente em condições de carga normais que o relé tem de conter ou interpretar erradamente como uma falha interna.

Erro de especificação 3: Ignorar o histórico de remanência de TC durante a atualização

Um TC que tenha estado em serviço durante vários anos numa subestação com um historial de eventos de defeito acumulou fluxo remanescente no seu núcleo. O fluxo remanescente desloca o ponto de funcionamento do TC na sua curva B-H - aumentando a corrente de magnetização, aumentando o erro de relação e reduzindo o ALF efetivo abaixo do valor nominal.

Durante uma atualização do esquema de proteção, a condição do fluxo remanente do TC existente nunca é avaliada - porque o procedimento padrão de comissionamento para uma substituição de relé não inclui a desmagnetização do TC e a verificação da precisão da relação. O novo relé é comissionado contra um TC que pode estar operando a 60-70% de seu ALF nominal devido à remanência acumulada - uma condição que fará com que o TC sature mais cedo do que o algoritmo de proteção do novo relé espera.

Erro de especificação 4: Cálculo incorreto da carga secundária para a passagem de novos cabos

As actualizações do esquema de proteção envolvem frequentemente a relocalização do relé de proteção - de um painel local adjacente ao quadro de distribuição para um painel de proteção centralizado numa sala de controlo remota, ou de um relé montado em painel para um relé numérico montado em bastidor com diferentes localizações de terminais. Cada relocação altera o comprimento do cabo secundário e, portanto, a resistência do circuito secundário - o que altera a carga secundária total e, portanto, o ALF efetivo.

Comparação: Erros de medição de TC por gravidade da consequência

Tipo de erro	Método de deteção	Consequência se não for detectado	Gravidade
ALF não recalculado com novos encargos	Análise da curva de excitação	Saturação do TC durante o defeito - falha da proteção	Crítico
Reafectação de núcleo para diferencial	Injeção primária5 teste de equilíbrio	Corrente diferencial permanente - funcionamento incorreto	Crítico
Remanescência não avaliada	Teste de rácio + desmagnetização	ALF efetivo reduzido - operação atrasada	Elevado
Encargos não recalculados para o novo cabo	Medição da carga secundária	Redução do ALF - saturação a uma corrente de defeito inferior	Elevado
Polaridade não verificada novamente após a atualização	Teste de polaridade da injeção primária	Falha do relé direcional - decisão de disparo incorrecta	Crítico
Relação CT não confirmada após mudança de derivação	Medição do rácio	Erro de ajuste de sobre/subcorrente - pickup incorreto	Elevado

Caso de Cliente - Melhoria da Subestação de Média Tensão de 33 kV, Fábrica de Cimento, Norte de África:
Um engenheiro de proteção de uma fábrica de cimento contactou a Bepto Electric depois de uma falha no barramento ter causado danos catastróficos num quadro de distribuição de 33 kV - danos que deveriam ter sido limitados pelo relé de proteção do barramento que tinha sido instalado como parte de uma atualização do esquema de proteção seis meses antes. A investigação após o defeito revelou que o relé de proteção do barramento não funcionou durante o defeito. O projeto de atualização tinha substituído os relés de sobreintensidade electromecânicos originais por um relé de proteção de barramento numérico moderno - mas não tinha recalculado o ALF efetivo dos TCs existentes com a carga de 0,08 VA do novo relé. Os TCs existentes, classificados como 5P20 com Rct de 3 Ω, tinham um ALF efetivo de 187 com a carga do novo relé - muito acima do ponto de joelho. Durante o defeito no barramento, a forma de onda secundária do TC foi severamente distorcida com grandes componentes de desvio DC que o filtro de Fourier do relé numérico não conseguiu processar dentro de sua janela de tempo de operação. O relé não conseguiu extrair um fasor de frequência fundamental válido antes que o seu temporizador interno de vigilância reiniciasse o ciclo de medição. A substituição do TC por unidades especificadas para aplicações de relé numérico de baixa carga - com um ALF controlado de 30 na carga secundária real - resolveu a falha de proteção. O engenheiro de proteção declarou: “Actualizámos o relé para a tecnologia mais moderna disponível e acabámos por ter um desempenho de proteção pior do que o dos relés electromecânicos que substituímos. O problema era o TC, e nunca olhámos para ele porque o rácio não tinha mudado.”

Como reavaliar corretamente as especificações de TC para actualizações do esquema de proteção de média tensão?

A reavaliação correta do TC para actualizações do esquema de proteção requer uma metodologia estruturada em quatro etapas que trate o TC existente como um componente não verificado até que se prove a sua compatibilidade com o novo esquema de proteção.

Passo 1: Definir novos requisitos de medição de relés

Antes de avaliar o TC existente, caracterize completamente os requisitos da interface do TC do novo relé:

• Carga secundária à corrente nominal: Obter a partir da especificação técnica do fabricante do relé - não a carga nominal do relé, mas a impedância de entrada real na corrente secundária nominal do TC; os relés numéricos modernos apresentam 0,025-0,1 VA a 1 A, não os 1-5 VA indicados como carga nominal
• Aula de precisão de CT necessária: Confirme se o novo relé requer TCs da Classe P (5P ou 10P) ou da Classe PX (definidos pela tensão no ponto de joelho e pela corrente de magnetização) - muitos relés modernos de proteção diferencial e de distância especificam requisitos da Classe PX que os TCs da Classe P existentes podem não satisfazer
• Fator de dimensionamento transiente (Ktd): Para relés com requisitos de desempenho transitório especificados, obtenha o Ktd necessário a partir da especificação do relé - isto define a capacidade transitória mínima do TC necessária para o funcionamento correto do relé durante os primeiros ciclos da corrente de defeito
• Algoritmo de medição: Confirme se o relé utiliza medição RMS, extração de fasor de frequência fundamental ou deteção de picos - cada algoritmo tem uma sensibilidade diferente à distorção da forma de onda secundária do TC durante as condições de falha

Etapa 2: Recalcular o ALF efetivo com os novos encargos secundários

Aplicar a fórmula ALF efectiva para cada TC existente no esquema de proteção melhorado:

$ALF_{eficaz} = ALF_{avaliado} \times \frac{R_{CT} + R_{burden,rated}}{R_{CT} + R_{burden,atual}}$

Onde:

• $R_{burden,atual}$ = impedância de entrada do relé + resistência do cabo secundário (ambos os condutores) + qualquer outra impedância em série no circuito secundário
• Comparar ALF_effective com o ALF requerido pelo novo relé - se ALF_effective exceder o valor requerido em mais de 3×, o TC pode funcionar numa região imprevisível durante as condições de defeito; se ALF_effective for inferior ao valor requerido, o TC irá saturar antes de o relé poder tomar uma decisão de proteção correta

Passo 3: Verificar a atribuição do núcleo de TC para cada função de proteção

• Mapear os núcleos de TC existentes para novas funções de proteção: Documentar que núcleo físico de TC está ligado a cada entrada de relé de proteção no esquema atualizado
• Verificar se a classe de precisão do núcleo corresponde à função de proteção: Núcleos de proteção (5P, 10P, classe PX) para relés de proteção; núcleos de medição (classe 0,5, classe 1) para contadores de receitas - nunca utilizar um núcleo de medição para uma função de proteção num esquema melhorado
• Verificar a correspondência do núcleo do TC diferencial: Para proteção diferencial de transformadores ou barramentos, confirme que os núcleos dos TCs de ambos os lados do equipamento protegido têm erros de relação e deslocamentos de fase correspondentes - obtenha certificados de teste de fábrica para ambos os TCs e compare

Etapa 4: Avaliar a condição do CT e o estado de remanência

• Rever o historial de eventos de falha: Obter registos de eventos do relé de proteção dos últimos 3-5 anos; identificar todos os eventos de defeito em que a corrente primária do TC excedeu 50% da corrente nominal de curta duração - cada um destes eventos é um potencial evento de acumulação de remanência
• Efetuar o teste da curva de excitação: Comparar a curva de excitação medida com o certificado de teste de fábrica; um ponto de joelho deslocado ou um aumento da corrente de magnetização no ponto de joelho confirma a acumulação de fluxo remanescente
• Efetuar a desmagnetização se a remanência for confirmada: Desmagnetizar antes da verificação da precisão do rácio - os resultados do teste do rácio num TC afetado por remanência não são representativos do verdadeiro desempenho da classe de precisão do TC
• Efetuar a verificação da precisão do rácio após a desmagnetização: Confirmar se o erro de relação e a deslocação de fase estão dentro dos limites da classe de precisão antes de aceitar o TC para o esquema de proteção melhorado

Cenários de aplicação

• Atualização do relé de sobreintensidade eletromecânico para numérico: Recalcular o ALF efetivo com a nova carga do relé; verificar se o ALF_effective está dentro de 2-5× o ALF necessário; avaliar o historial de remanência; é obrigatória a reverificação da polaridade da injeção primária
• Adição de proteção diferencial de transformador a uma instalação de TC existente: Verificar a compatibilidade do núcleo do TC com a classe PX; efetuar o teste de injeção primária do equilíbrio do circuito diferencial; confirmar os erros de relação de correspondência nos pares de TC de AT e BT
• Melhoria da proteção à distância no alimentador de transmissão: Verificar a tensão do ponto de joelho da Classe PX em relação à especificação do relé; recalcular a carga secundária, incluindo o novo encaminhamento de cabos para o painel de relés remoto; confirmar a conformidade com o Ktd
• Acréscimo de proteção do barramento: Verificar se todos os núcleos de TC de barramento têm caraterísticas compatíveis; calcular o fator de estabilidade para condições de falha contínua; verificação obrigatória da estabilidade da injeção primária antes da energização

Como executar uma verificação segura da medição de TC durante projectos de atualização de esquemas de proteção em tensão?

Passos de verificação da medição segura de TC

1. Curto-circuitos secundários de TC antes de qualquer desconexão do relé: Antes de desligar qualquer circuito secundário do TC do relé existente, aplique ligações de curto-circuito nos terminais secundários do TC ou no bloco de terminais de teste - o circuito aberto do secundário do TC sob corrente primária cria uma alta tensão letal; o curto-circuito deve preceder qualquer desconexão do terminal do relé
2. Verificar a integridade da ligação de curto-circuito sob carga: Depois de aplicar os elos de curto-circuito, confirme se a corrente secundária está a fluir através do elo de curto-circuito utilizando um amperímetro de pinça - um elo de curto-circuito que pareça estar ligado mas que tenha um contacto solto constitui um perigo latente de circuito aberto
3. Efetuar a verificação da relação e da polaridade antes da ligação do relé: Com o novo relé instalado, mas ainda não ligado ao circuito secundário do TC, execute a verificação da relação de injeção primária e da polaridade - confirme se o TC está a fornecer a corrente secundária correta no sentido correto antes de ligar ao novo relé
4. Verificar a carga secundária com o novo relé ligado: Medir a carga total do circuito secundário com o novo relé ligado; comparar com a carga nominal do TC; confirmar que o cálculo do ALF efetivo é consistente com a carga medida
5. Efetuar o teste de proteção funcional antes de remover os elos de curto-circuito: Com o novo relé ligado e o circuito secundário do TC concluído, execute o teste funcional da injeção secundária do relé - confirme o funcionamento correto, a temporização correta e o funcionamento correto do contacto de saída antes de remover os elos de curto-circuito do circuito primário e voltar ao serviço

Erros comuns de segurança durante as actualizações do esquema de proteção

• Remoção dos elos de curto-circuito secundários do TC antes de a religação do relé estar concluída: O erro de colocação em funcionamento mais perigoso - mesmo um breve período com o secundário do TC em circuito aberto enquanto a corrente primária está a fluir cria um risco de alta tensão no terminal aberto; manter as ligações em curto-circuito até que o circuito secundário completo seja verificado como contínuo
• Realização do ensaio de injeção secundária sem verificação da continuidade do circuito secundário do TC: A injeção secundária testa o relé isoladamente - não fornece informações sobre a integridade do circuito secundário do TC; o resultado positivo da injeção secundária não autoriza a remoção das ligações de curto-circuito secundárias do TC sem a verificação da injeção primária
• Omissão da nova verificação da polaridade após a atualização do esquema de proteção: Qualquer modificação no circuito secundário do TC - novo cabo, novo bloco de terminais, nova atribuição de terminais do relé - cria a possibilidade de inversão da polaridade; a polaridade deve ser novamente verificada por injeção primária após cada modificação do esquema de proteção, não assumida a partir do registo de entrada em serviço anterior
• Energização do esquema de proteção melhorado sem um teste de falha faseado: Sempre que as condições de funcionamento da rede o permitam, um ensaio de defeito faseado - criando deliberadamente uma situação de defeito no circuito protegido em condições controladas - é o único método que verifica o sistema de proteção completo, incluindo o desempenho do TC em condições reais de corrente de defeito

Conclusão

As atualizações do esquema de proteção criam incompatibilidades de medição de TC que são invisíveis para o teste do relé, invisíveis para os procedimentos de comissionamento padrão e invisíveis para a inspeção da placa de identificação - mas totalmente visíveis para a falha do sistema de proteção em operar corretamente quando a subestação experimenta sua primeira falha real após a atualização. Os erros que causam essas falhas são consistentes, previsíveis e totalmente evitáveis: falha em recalcular o ALF efetivo na carga do novo relé, falha em reavaliar as atribuições do núcleo do TC para novas funções de proteção, falha em avaliar e corrigir a remanência do TC acumulada durante anos de serviço e falha em verificar novamente a precisão da polaridade e da relação após modificações no circuito secundário. Nas actualizações de esquemas de proteção de média tensão, o TC não é um componente passivo que pode ser herdado do esquema anterior sem reavaliação - é um dispositivo de medição ativo cuja compatibilidade com o novo relé deve ser comprovada por cálculo, por teste e por verificação de injeção primária antes de o esquema de proteção atualizado ser considerado fiável para proteger a subestação e o pessoal que nela trabalha.

Perguntas frequentes sobre erros de medição de TC em actualizações de esquemas de proteção

1. Análise pormenorizada da resistência total nos circuitos secundários de proteção. ↩

2. Parâmetros técnicos que definem o desempenho do TC em condições de falha. ↩

3. Norma internacional oficial para a precisão e o desempenho dos transformadores de corrente. ↩

4. Guia completo para a correspondência de núcleos de TC para esquemas diferenciais. ↩

5. Normas de segurança industrial para verificar a integridade do esquema de proteção. ↩