( PDF ) Estratégias experimentais para ensaios de faltas fase-terra com alta impedância em sistemas de distribuição de energia elétrica

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Valmir Ziolkowski

Estratégias Experimentais Para

Ensaios de Faltas Fase-Terra com

Alta Impedância em Sistemas de

Distribuição de Energia Elétrica

Dissertação apresentada à Escola de

Engenharia de São Carlos da

Universidade de São Paulo, sendo

parte dos requisitos para obtenção do

título de Mestre em Engenharia

Elétrica.

Orientador: Prof. Dr. Ivan Nunes da Silva

São Carlos

2007

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iii

“Porque dele e por meio dele, e para ele, são todas as coisas.

Glória, pois, a ele eternamente. Amém.”

Romanos 11,36

AGRADECIMENTOS

Ao Nosso Senhor Jesus Cristo pelas benções e intercessões junto a Deus Pai

durante toda a minha vida.

A minha esposa Rosana, uma mulher maravilhosa, pela cumplicidade, apoio,

compreensão e companheirismo.

Aos meus pais Valter e Lurdinha, essenciais na minha vida, pela doação, pelo

incentivo, pela presença e carinho, sem os quais eu não seria nada.

Aos meus familiares e amigos, obrigado pelo incentivo.

Ao Prof. Ivan Nunes da Silva, orientador e grande amigo, meu muito obrigado

pela paciência, dedicação e orientação.

Ao Prof. Rogério Andrade Flauzino pela colaboração, orientação e apoio.

Ao Prof. Góes, pelas trocas de informações, pelos materiais disponibilizados e

pelas idéias sempre brilhantes.

Ao Prof. José Alfredo Colovan Ulson pelos conselhos e incentivos.

Aos colegas dos laboratórios, em especial ao Spatti e ao Wesley.

A ELEKTRO pelo apoio para a realização dos ensaios.

Ao Eng. Mauro Pereira pelo incentivo.

Aos amigos e colegas da ELEKTRO, em especial Julio Bellan, Edeílton

Xavier, Akira Higa, Paulo Couto Gonçalves, Richard Algarve, Fabio Trivelato,

Armando Benvenuti, Vinícius Benichio, Ricardo Grunewald, Laudemir Caritá. e

Carlos Alberto Guilherme Camargo.

Ao Engenheiro Shiguematsu Nosaki, meu muito obrigado pelos

ensinamentos.

Aos Engenheiros Paulo de Tarso e Carlos Henrique da ELEKTRO, obrigado.

Aos colegas Eng. Eliezer dos Santos e Eng. André Gustavo C. da Conceição.

vii

RESUMO

ZIOLKOWSKI, V. (2007). Estratégias Experimentais Para Ensaios de Faltas Fase-

Terra com Alta Impedância em Sistemas de Distribuição de Energia Elétrica.

Dissertação (Mestrado) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São

Paulo, 2007.

O conhecimento das características experimentais das faltas de alta

impedância é de suma importância para o desenvolvimento de sistemas e

equipamentos voltados a detecção eficiente das mesmas em sistemas de

distribuição de energia elétrica. Este trabalho apresenta um conjunto de estratégias

experimentais que visam orientar passo a passo a realização de ensaios de faltas

fase-terra com alta impedância, contemplando-se desde os dispositivos de proteção

usados na viabilização dos experimentos até os equipamentos de oscilografias

utilizados para registrar as grandezas elétricas advindas dessas situações de faltas.

São ainda apresentados os resultados obtidos pelos ensaios realizados de queda de

condutor energizado (lado fonte) em solo seco, queda de condutor energizado (lado

fonte) em brita seca, queda de condutor energizado sobre a cruzeta e queda de

condutor energizado (lado carga) em solo seco.

Palavras chave: Sistemas de distribuição, faltas de alta impedância, proteção de

sistemas elétricos.

ABSTRACT

ZIOLKOWSKI, V. (2007). Practical Strategies for Experiments Involving High-

Impedance Faults in Electric Power Distribution Systems. Dissertation (Masters

Degree) – Escola de Engenharia de São Carlos, Universidade de São Paulo, 2007.

The knowledge of experimental characteristics of high-impedance fault is of

highest importance for developing both systems and equipments addressed to its

efficient detection in electric power distribution systems. This work presents a set of

practical strategies to guide step by step the accomplishment of experiments

involving phase-ground faults with high impedance, being also contemplated from

protection devices used in the experiments to oscillograph equipments dedicated to

results produced by fault experiments involving drop of energized cable (source side)

in dry soil, drop of energized cable (source side) in dry broken stones, drop of

energized cable on crossarm and drop of energized cable (load side) in dry soil.

Keywords: Electric power distribution systems distribution, high-impedance fault,

system protection.

SUMÁRIO

AGRADECIMENTOS................................................................................................... v

RESUMO.................................................................................................................... vii

ABSTRACT................................................................................................................. ix

LISTA DE FIGURAS................................................................................................. xiii

LISTA DE TABELAS................................................................................................ xix

1 INTRODUÇÃO......................................................................................................... 1

1.1 Motivação e Relevância do Trabalho............................................................... 1

1.2 Proposta e Justificativa da Dissertação ........................................................... 2

1.3 Organização da Dissertação............................................................................ 6

2 ASPECTOS TÉCNICOS RELACIONADOS AS FALTAS EM SISTEMAS DE

DISTRIBUIÇÃO DE ENERGIA ELÉTRICA............................................................ 9

2.1 Introdução........................................................................................................ 9

2.2 Tipos de Faltas nos Sistemas Elétricos de Potência...................................... 12

2.3 Classificação das Faltas no Sistema de Distribuição..................................... 14

2.4 Ocorrências de Faltas Permanentes e Temporárias...................................... 15

2.5 Aspectos Sobre as Operações de Religamento ............................................ 16

2.6 Aspectos Relacionados as Faltas de Alta Impedância................................... 17

a) Resistência de arco elétrico...................................................................... 18

b) Resistência de contato da falta................................................................. 19

c) Resistência de aterramento...................................................................... 19

3 ASPECTOS DOS EQUIPAMENTOS DE OSCILOGRAFIAS E DE MEDIÇÃO..... 25

3.1 Introdução...................................................................................................... 25

3.2 Aspectos Relacionados aos Equipamentos de Oscilografias ........................ 25

3.3 Estratégias de Ensaios de Resposta Freqüência de Transdutores de

Medição ........................................................................................................ 27

3.3.1 Metodologia de Ensaio........................................................................ 27

3.3.2 Resposta em Freqüência do Transformador de Potencial................. 30

3.3.3 Resposta em Freqüência dos Transformadores de Corrente............ 32

4 ESTRATÉGIAS DE REALIZAÇÃO DE ENSAIOS EXPERIMENTAIS .................. 37

4.1 Introdução...................................................................................................... 37

4.2 Falta Fase-Terra com Solo Seco .................................................................... 38

xii

4.3 Queda de Condutor Sobre Cruzeta de Madeira.............................................49

4.4 Rompimento e Queda de Condutor de Fase do Lado da Carga ....................50

5 RESULTADOS DE MEDIÇÕES DOS ENSAIOS EXPERIMENTAIS.....................53

5.1 Introdução ......................................................................................................53

5.2 Falta Fase-Terra com Solo Seco e Religamento Automático Bloqueado.......53

5.3 Falta Fase-Terra com Solo Seco e Religamento Automático em Serviço......57

(A) Religamentos 1,5s - 2,5s - 2,5s (uma rápida e três lentas) .....................57

(B) Religamento 0,5s – 20s (três lentas).......................................................67

(D) Religamento 0,5s – 30s (três lentas).......................................................74

5.4 Formação de Arco Elétrico Entre Fase e Terra com Solo Seco.....................76

(A) Religamento 1,5s - 2,5s - 2,5s (uma rápida e três lentas).......................77

(B) Religamento 0,5s – 20s (três lentas).......................................................81

5.5 Falta Fase–Terra com Brita Seca...................................................................87

(A) Religamento Automático Bloqueado........................................................87

(B) Religamento 1,5s - 2,5S - 2,5s (uma rápida e três lentas).......................88

5.6 Falta Fase–Terra com Condutor Sobre a Cruzeta..........................................92

(A) Religamento Automático Bloqueado........................................................92

(B) Religamento 1,5s - 2,5s - 2,5s (uma rápida e três lentas).......................93

5.7 Falta Fase-Terra Lado Carga com Solo Seco................................................95

6 CONCLUSÕES .....................................................................................................97

BIBLIOGRAFIA........................................................................................................101

ANEXO I – ASPECTOS RELACIONADOS AOS OSCILÓGRAFOS.....................105

ANEXO II – DETALHES DO ALIMENTADOR DE DISTRIBUIÇÃO .......................119

ANEXO III – EXECUÇÃO DAS ATIVIDADES DE PRÉ-ENSAIOS..........................123

ANEXO IV – AJUSTES DOS EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO ..........................129

xiii

LISTA DE FIGURAS

Figura 2.1. Diagrama unifilar simplificado de uma SE típica para serviços de

distribuição de energia elétrica. ............................................................................ 10

Figura 2.2. Esquema de proteção de alimentadores trifásicos aéreos na classe

15 kV com neutro aterrado na origem................................................................... 11

Figura 2.3. Configurações dos tipos de faltas e respectivas impedâncias de

falta....................................................................................................................... 13

Figura 2.4. Relação entre correntes de falta à terra de alta impedância e ajustes

dos relés de proteção............................................................................................ 18

Figura 2.5. Rede elétrica trifásica protegida por chaves fusíveis .............................. 21

Figura 2.6. Curva do elo fusível 25K ......................................................................... 22

Figura 3.3. Detalhes de conexão ao transformador de otencial: (a) Conexões ao

primário; (b) Conexões ao secundário.................................................................. 31

Figura 3.4. Sinais de entrada e saída aplicados nos transformadores de

potencial................................................................................................................ 31

Figura 3.5. Resposta em freqüência dos transformadores de potencial ................... 32

Figura 3.6. Bancada experimental para ensaios em freqüência do transformador

de corrente............................................................................................................ 33

Figura 3.7. Sinais de entrada e saída aplicados nos transformadores de

corrente................................................................................................................. 33

Figura 3.8. Resposta em freqüência dos transformadores de corrente..................... 34

Figura 4.1. Corda isolante utilizada para soltar o condutor: (a) Corda passando

pela cinta na parte inferior do poste; (b) Ponta da corda amarrada ao

caminhão antes do início do ensaio...................................................................... 39

Figura 4.2. Buzina utilizada para acionar o instante de início dos ensaios. .............. 39

Figura 4.3. Chave corta-circuito que deriva o ramal, no instante da energização

do mesmo............................................................................................................. 40

Figura 4.4. Instalação dos TP’s e TC’s utilizados na medição durante os

ensaios.................................................................................................................. 41

Figura 4.5. Sistema de medição e aferição: (a) Conexões das chaves de

aferição; (b) Conexões das chaves de aferição aos bornes do oscilógrafo.......... 41

Figura 4.6. Instalação do religador automático e veículo da ELEKTRO com

laptop.................................................................................................................... 42

xiv

Figura 4.7. Posição do profissional responsável pelas filmagens dos ensaios..........43

Figura 4.8. Vista interior do painel de proteção do alim. 30 da SE Rio Claro III. .......43

Figura 4.9. Detalhes das conexões do oscilógrafo no painel do alimentador 30

da SE RIC III: (a) Conexões das garras de corrente e circuito de potencial; (b)

Conexões do oscilógrafo ao painel........................................................................44

Figura 4.10. Isolamento da área de trabalho durante os ensaios: (a) Bloqueio da

estrada ao local dos ensaios; (b) Bloqueio do outro lado do local dos ensaios,

onde se encontrava o caminhão da equipe da linha viva......................................44

Figura 4.11. Vista da rede aérea antes do lançamento do cabo ao solo...................45

Figura 4.12. Condutor energizado em contato com o solo provocando curto

circuito fase-terra...................................................................................................45

Figura 4.13. Detalhe do arco elétrico durante contato do condutor energizado

com o solo.............................................................................................................46

Figura 4.14. Aparência do solo após o curto circuito fase terra em solo seco (a)

Buracos causados no solo devido a curto circuito (b) Pedaços de pedras

queimadas no instante do curto circuito................................................................46

Figura 4.15. Detalhe de furo na pedra devido a queda de condutor energizado.......47

Figura 4.16. Posição da brita no solo onde o cabo energizado foi lançado...............48

Figura 4.17. Posição dos eletricistas no momento que soltam a corda isolada

que suportava o condutor energizado...................................................................49

Figura 4.18. Condutor sobre a cruzeta pronto para ser energizado. .........................50

Figura 5.1. Gráfico das correntes e tensões durante o ensaio na sua primeira

repetição oscilografada no local da falta. ..............................................................54

Figura 5.2. Gráfico das correntes e tensões durante o ensaio na sua segunda

repetição oscilografada na subestação.................................................................55

Figura 5.3. Gráfico das correntes e tensões durante o ensaio na sua terceira

repetição oscilografada no local da falta. ..............................................................55

Figura 5.4. Distúrbio de tensão observado durante a terceira repetição do

primeiro ensaio junto ao local de ensaio. ..............................................................56

Figura 5.5. Gráficos de corrente de linha e tensão de fase durante o ensaio na

sua terceira repetição oscilografada na subestação. ............................................56

Figura 5.6. Gráficos de corrente de linha e tensões de fase durante o ensaio na

sua primeira repetição oscilografada no local da falta...........................................58

Figura 5.7. Gráfico de tensão após o primeiro religamento (primeira repetição).......58

Figura 5.8. Detalhe do distúrbio de tensão no instante do primeiro religamento

da primeira repetição de ensaio............................................................................ 59

Figura 5.9. Detalhe do distúrbio de tensão no instante de contato do condutor

com o solo na primeira repetição de ensaio.......................................................... 60

Figura 5.10. Distúrbio de tensão oscilografada no primeiro local de ensaio para

a primeira repetição do ensaio: (a) segundo religamento; (b) terceiro

religamento. .......................................................................................................... 60

Figura 5.11. Gráficos de corrente de linha e tensão de fase durante o ensaio na

sua primeira repetição oscilografada na subestação............................................ 61

Figura 5.12. Detalhe do distúrbio de tensão na primeira repetição de ensaio

oscilografado da subestação: (a) Primeiro religamento; (b) Terceiro

religamento............................................................................................................ 61

Figura 5.13. Distúrbios de tensão: (a) Primeiro religamento; (b) Segundo

religamento; (c) Terceiro religamento. .................................................................. 62

Figura 5.14. Gráficos de corrente de linha e tensão de fase durante o ensaio na

sua segunda repetição no local da falta................................................................ 62

Figura 5.15. Gráfico das correntes de linha observadas na subestação no

instante de queda do condutor ao solo................................................................. 63

Figura 5.16. Correntes de religamento: (a) Primeiro religamento; (b) Segundo

religamento; (c) Terceiro religamento. .................................................................. 63

Figura 5.17. Forma de onda oscilografadas no local de ensaio para a terceira

repetição: (a) Forma de onda total; (b) Destaque para a corrente no instante

de queda de cabo ao solo..................................................................................... 64

Figura 5.18. Forma de onda oscilografadas na subestação para a terceira

repetição: (a) Forma de onda total; (b) Destaque para a corrente no instante

de queda de cabo ao solo..................................................................................... 65

Figura 5.19. Forma de onda oscilografadas no local de falta para a quarta

repetição: (a) Forma de onda total; (b) Destaque para a corrente no instante

de queda de cabo ao solo..................................................................................... 65

Figura 5.20. Forma de onda oscilografadas na subestação para a quarta

repetição: (a) Forma de onda total; (b) Destaque para a corrente no instante

de queda de cabo ao solo..................................................................................... 66

Figura 5.21. Forma de onda oscilografadas no local de falta para a quinta

repetição: (a) Destaque para a corrente no instante de queda de cabo ao

solo; (b) Detalhe do transitório de corrente observado no segundo

religamento. .......................................................................................................... 66

xvi

Figura 5.22. Forma de onda oscilografadas na subestação para a quinta

repetição: (a) Forma de onda total; (b) Destaque para a corrente no instante

de queda de cabo ao solo. ....................................................................................67

Figura 5.23. Corrente de linha oscilografadas no local da falta na primeira

repetição; (a) Corrente total oscilografada; (b) Detalhe da corrente após o

toque do cabo no solo...........................................................................................68

Figura 5.24. Corrente de linha oscilografada no local da falta na primeira

repetição: (a) Corrente após o primeiro religamento; (b) Corrente após o

segundo religamento.............................................................................................68

Figura 5.25. Correntes oscilografadas na subestação para a primeira repetição;

(a) Corrente após a queda do condutor no solo: (b) Corrente após o primeiro

religamento; (c) Corrente após o segundo religamento.........................................69

Figura 5.26. Correntes oscilografadas no local da falta para a segunda

repetição; (a) Corrente após a queda do condutor no solo: (b) Corrente após

o primeiro religamento; (c) Corrente após o segundo religamento........................69

Figura 5.27. Correntes oscilografadas na subestação para a segunda repetição:

(a) Corrente após a queda do condutor no solo; (b) Corrente após o primeiro

religamento; (c) Corrente após o segundo religamento.........................................70

Figura 5.28. Correntes iniciais oscilografadas da subestação: (a) Primeira

repetição; (b) Segunda repetição; (c) Terceira repetição; (d) Quarta repetição. ...71

Figura 5.29. Corrente de linha oscilografada no local da falta na primeira

repetição; (a) Corrente total oscilografada; (b) Detalhe da corrente após o

toque do cabo no solo...........................................................................................72

Figura 5.30. Tensão de fase oscilografada no local da falta na primeira

repetição: (a) Tensão total oscilografada; (b) Distúrbio de tensão

no instante

do segundo religamento........................................................................................72

Figura 5.31. Corrente de linha oscilografada na subestação na primeira

repetição: (a) Corrente total oscilografada; (b) Detalhe da corrente

após o

toque do cabo no solo...........................................................................................73

Figura 5.32. Correntes iniciais oscilografadas da subestação; (a) Primeira

repetição; (b) Segunda repetição; (c) Terceira repetição. .....................................73

Figura 5.33. Corrente de linha oscilografada no local da falta na primeira

repetição: (a) Corrente total oscilografada; (b) Detalhe da corrente após o

toque do cabo no solo...........................................................................................74

Figura 5.34. Correntes de linha oscilografadas no local da falta após os

religamentos da chave religadora na primeira repetição: (a) Primeiro

religamento; (b) Segundo religamento. .................................................................75

xvii

Figura 5.35. Distúrbios de tensão observados no local da falta nos instantes de

religamento da primeira repetição: (a) Primeiro religamento; (b) Segundo

religamento. .......................................................................................................... 75

Figura 5.36. Distúrbios de tensão observados na subestação nos instantes de

religamento da primeira repetição: (a) Primeiro religamento; (b) Segundo

religamento. .......................................................................................................... 76

Figura 5.37. Correntes iniciais oscilografadas da subestação: (a) Primeira

repetição; (b) Segunda repetição; (c) Terceira repetição...................................... 76

Figura 5.38. Corrente oscilografada no local da falta na primeira repetição: (a)

Corrente totaloscilografada; (b) Corrente de arco inicial....................................... 77

Figura 5.39. Correntes oscilografadas no local de falta para a primeira repetição:

(a) Primeira repetição; (b) Segunda repetição; (c) Terceira repetição. ................. 78

Figura 5.40. Corrente total oscilografada na subestação para a segunda

repetição............................................................................................................... 78

Figura 5.41. Corrente total oscilografada na subestação para a segunda

repetição............................................................................................................... 79

Figura 5.42. Corrente eficaz de neutro para a terceira repetição: (a) Corrente no

local da falta; (b) Corrente na subestação. ........................................................... 80

Figura 5.43. Corrente eficaz de neutro para a primeira repetição: (a) Corrente no

local da falta; (b) Corrente na subestação. ........................................................... 80

Figura 5.44. Corrente oscilografada no local da falta na primeira repetição: (a)

Corrente total oscilografada; (b) Corrente de arco inicial...................................... 81

Figura 5.45. Corrente eficaz de neutro para a terceira repetição: (a) Corrente no

local da falta; (b) Corrente na subestação. ........................................................... 82

Figura 5.46. Tensões eficazes de fase ao longo da terceira repetição. .................... 82

Figura 5.47. Oscilografia no local da falta na primeira repetição: (a) Correntes de

linha; (b) Tensões de fase..................................................................................... 83

Figura 5.48. Correntes eficazes no local da falta na primeira repetição: (a)

Corrente da fase faltosa; (b) Corrente de neutro. ................................................. 84

Figura 5.49. Tensão oscilografada no local da falta na segunda repetição............... 84

Figura 5.50. Transitórios de tensão após os desligamentos da chave religadora:

(a) Primeiro desligamento; (b) Segundo desligamento; (c) Terceiro

desligamento; (d) Quarto desligamento................................................................ 85

Figura 5.51. Transitórios de tensão após os religamentos da chave religadora:

(a) Primeiro religamento; (b) Segundo religamento; (c) Terceiro religamento. ..... 86

xviii

Figura 5.52. Valores eficazes na subestação na segunda repetição: (a)

Correntes eficazes; (b) Tensões eficazes. ............................................................86

Figura 5.53. Corrente oscilografada no local da falta: (a) Corrente total

registrada; (b) Detalhe da corrente de falta...........................................................87

Figura 5.54. Corrente oscilografada na subestação: (a) Corrente instantânea

registrada; (b) Corrente eficaz registrada..............................................................88

Figura 5.55. Corrente oscilografada no local da falta na primeira repetição: (a)

Corrente total registrada; (b) Detalhe da corrente de falta. ...................................89

Figura 5.56. Corrente oscilografada no local da falta após os religamentos: (a)

Primeiro religamento; (b) Segundo religamento....................................................89

Figura 5.57. Correntes eficazes oscilografadas na subestação na primeira

repetição................................................................................................................90

Figura 5.58. Correntes eficazes oscilografadas na segunda repetição: (a)

Correntes eficazes no local da falta; (b) Correntes eficazes na subestação.........90

Figura 5.59. Correntes eficazes oscilografadas na terceira repetição: (a)

Correntes eficazes no local da falta; (b) Correntes eficazes na subestação.........91

Figura 5.60. Correntes eficazes oscilografadas na quarta repetição: (a)

Correntes eficazes no local da falta; (b) Correntes eficazes na subestação.........91

Figura 5.61. Corrente oscilografada no local da falta na primeira repetição: (a)

Corrente total registrada; (b) Detalhe da corrente de falta. ...................................93

Figura 5.62. Corrente oscilografada no local da falta na primeira repetição: (a)

Corrente total registrada; (b) Corrente eficaz oscilografada..................................93

Figura 5.63. Corrente oscilografada no local da falta na segunda repetição: (a)

Corrente total registrada; (b) Corrente eficaz oscilografada..................................94

Figura 5.64. Corrente oscilografada na subestação para a segunda repetição:

(a) Corrente total registrada; (b) Corrente eficaz oscilografada.............................95

Figura 5.65. Corrente oscilografada no local da falta na primeira repetição: (a)

Corrente total registrada; (b) Detalhe da corrente de falta. ...................................95

Figura 5.66. Correntes de linha oscilografadas no local da falta: (a) Primeira

repetição; (b) Segunda repetição; (c) Terceira repetição. .....................................96

xix

LISTA DE TABELAS

Tabela 2.1. Tipos e freqüências típicas de ocorrência de faltas elétricas em

sistemas de distribuição trifásicos a 3 fios............................................................ 14

Tabela 2.2. Freqüências médias de ocorrência de curto-circuitos monofásicos à

terra....................................................................................................................... 15

Tabela 2.3. Percentual de sucessos de religamentos em um sistema de

distribuição de energia elétrica. ............................................................................ 17

Tabela 2.4. Resultados dos testes de falta à terra conduzidos pela Universidade

do Texas (EUA). ................................................................................................... 21

1 Introdução

1.1 Motivação e Relevância do Trabalho

A configuração do sistema de distribuição de energia elétrica brasileira é

normalmente feita por linhas aéreas em média tensão. Esta configuração é de custo

reduzido para implantação, operação e manutenção, porém, apresenta como

desvantagens diversos riscos inerentes, tais como rompimento de condutores

energizados e situações de fogo sob linha, pois as mesmas percorrem cidades,

sítios, fazendas e estradas. Uma linha de distribuição aérea convencional apresenta

condutores não isolados fixados em postes instalados ao longo da mesma. Um

rompimento ou falha no sistema de fixação de tais condutores ao poste colocará a

população, localizada na vizinhança da região onde ocorrer a falha, exposta a uma

condição de risco de acidentes com potencial de fatalidade elevada.

O requisito de proteção dos relés instalados nos cubículos alimentadores

responsável pela detecção deste tipo de falta é fornecido pela função de proteção de

neutro de alta impedância (51NHI), que quando ajustada corretamente é eficiente

para a detecção da maioria da faltas fase-terra de alta impedância oriundas do

contato de condutor energizado com o solo. Entretanto, dependendo do tipo de

sistema e a característica do solo, o contato de um condutor energizado pode

resultar em correntes muito baixas que podem não ser suficientes para sensibilizar

esta função de proteção.

O desenvolvimento de ferramentas eficientes para a detecção deste tipo de

falta é uma necessidade imediata do sistema de distribuição de energia. Porém, para

este desenvolvimento, torna-se necessário conhecer e estudar as suas

características experimentais de forma detalhada.

Assim, tais investigações experimentais são de suma importância ao

desenvolvimento de novas técnicas que visam contribuir para garantir a integridade

dos ativos das empresas concessionárias, proporcionar maior segurança a

população e contribuir para o rápido restabelecimento do serviço quando da

ocorrência de uma situação de falta.

1.2 Proposta e Justificativa da Dissertação

A proposta desta dissertação é apresentar um conjunto de estratégias

experimentais e procedimentos práticos que visam viabilizar a realização de ensaios

de faltas fase-terra de alta impedância em sistemas de distribuição de energia

elétrica, assim como relatar os resultados obtidos por intermédio desses ensaios.

Para tanto, detalhar-se-á desde os dispositivos de proteção usados na viabilização

dos experimentos até os equipamentos de oscilografias utilizados para registrar as

grandezas elétricas observadas nessas situações de faltas.

Apesar da possibilidade de se obter tais resultados a partir de simulações de

faltas fase-terra de alta impedância efetuadas por modelos computacionais, torna-se

também necessário investigar se o modelo utilizado está aderente com a realidade.

Portanto, para este tipo de verificação, há a constante necessidade da

efetivação de ensaios envolvendo faltas fase-terra de alta impedância, contribuindo

assim com subsídios de caráter experimental que podem levar a eventuais

aprimoramentos e ajustes de tais modelos.

Além disso, os resultados disponibilizados podem servir para atestar a

aderência de sistemas de identificação e localização de faltas já existentes, ou

ainda, contribuir para o desenvolvimento de outras ferramentas alternativas para tais

propósitos. De fato, a detecção, classificação e localização de faltas fase terra de

alta impedância em sistemas de energia elétrica constituíram-se, ao longo dos anos,

em metas almejadas por diversos setores do sistema elétrico de potência, tais como

o setor de transmissão e o segmento de distribuição de energia elétrica. Assim, em

função da declarada demanda por sistemas automáticos capazes de detectarem,

classificarem e localizarem faltas em sistemas de energia elétrica, observa-se junto a

literatura correlata proposições de trabalhos que fazem uso das mais distintas

ferramentas, nas mais variadas conjunções, com o intuito de contribuírem a

concretização das bases envolvidas com o trinômio detecção-classificação-

localização de faltas.

Chunju et al. (2005), propõem o emprego de algoritmos computacionais

baseados na análise da hexa-decomposição dos fasores de tensão e de corrente do

sistema elétrico sob falta com o objetivo de determinar sua localização, ou seja,

determinar o quão distante da fonte a falta ocorreu. Essa metodologia inicialmente

foi proposta para elaboração de algoritmos específicos a proteção de sistemas de

energia elétrica conforme delineado em Yaozhong (1996). No entanto, conforme

apresentado nas discussões de Chunju et al. (2005), a grande limitação da

abordagem proposta é a necessidade de se efetuar medição em pelo menos dois

pontos do sistema, ou seja, essa metodologia torna-se mais adequada à localização

de faltas em sistemas de transmissão de energia elétrica do que em sistemas de

distribuição.

Mahmood et al. (2004) se delineia uma proposição para a identificação de

faltas empregando-se apenas um conjunto de medições. Assim, de posse desse

conjunto e de suas correspondentes decomposições em componentes simétricas, a

abordagem proposta estrutura a matriz de impedância do sistema e, por meio de sua

dinâmica temporal, sugere-se que o trecho sob falta possa ser determinado. A fim de

validar a abordagem proposta, estudos de caso são conduzidos e os resultados

providos pela metodologia são comparados com aqueles que de fato denotam a

realidade das faltas simuladas. Porém, apesar da correta identificação das faltas em

grande parte dos casos, os autores pontuam que a eficiência da técnica está

condicionada a precisão das impedâncias da linha de distribuição. Dessa forma, as

simples e constantes variações de carga e de temperatura ambiente, por exemplo,

seriam capazes de comprometer a eficiência da abordagem desenvolvida.

Uma forma de contornar as limitações de técnicas determinísticas como

aquela destacada em Mahmood et al. (2004) é incorporar ao sistema proposto

redundâncias de informações. Tendo como base essa constatação, a qual é

herdada de outros ramos do conhecimento, os autores do trabalho apresentado em

Choi et al. (2004) procuraram não apenas valer-se de impedâncias calculadas a

partir da topologia física da rede, mas também de seus valores obtidos por meio das

medidas da tensão e da corrente constantemente oscilografados na subestação

origem do alimentador sob monitoramento. No referido trabalho, resultados de

simulações computacionais são destacados e a qualidade dos resultados são

superiores aqueles obtidos por técnicas convencionais. Porém, limitações quanto a

localização de faltas em sistemas de distribuição de energia elétrica com correntes

desbalanceadas são pontuadas, podendo o erro de estimação ser de até 25%.

Contornando as limitações das técnicas convencionais, os sistemas

inteligentes surgem como uma nova proposta a tratabilidade de problemas cujas

soluções são intrinsecamente complexas. Esse é o caso da detecção, classificação

e localização de faltas de sistemas de distribuição de energia elétrica onde, em

virtude do número e da não-linearidade das variáveis envolvidas, a precisão, a

robustez e a eficácia de um sistema dedicado a essas finalidades podem ser

profundamente afetadas quando constituído unicamente por ferramentas ditas

convencionais.

Um exemplo dessa nova tendência é o trabalho apresentado em Luo et al.

(2004), onde técnicas correlatas aos espaços esparsos e algoritmos genéticos são

combinadas de maneira a constituir um sistema capaz de localizar faltas em

sistemas de energia elétrica. Assim, o referido trabalho buscou contornar a

problemática do mau condicionamento das matrizes de admitância do sistema por

meio de técnicas convencionais, sendo que o problema da localização de faltas é

realizado por meio dos algoritmos genéticos, os quais possuem eficiência

comprovada quando da busca por soluções ótimas.

Outro exemplo de convergência de técnicas convencionais e de sistemas

inteligentes é o trabalho destacado em Youssef (2004). O objetivo de seu

desenvolvimento fora a classificação de faltas em sistemas de energia elétrica por

meio de análise multinível fornecida pela decomposição wavelet das formas de onda

da tensão e da corrente. Esse tipo de análise reconhecidamente fornece

informações sobre distúrbios em sistemas elétricos de potência e possui ampla

aplicabilidade no contexto da qualidade de energia inclusive. No entanto, a análise

dos resultados oriundos dessa ferramenta para processamento de sinais não se

procede de forma natural e é necessária grande experiência para que as conclusões

alcançadas sejam factíveis aos fatos reais. Por outro lado, os sistemas de inferência

fuzzy possuem a meta de emularem a forma aproximada do raciocínio humano.

Complementando o exposto acima, o mesmo autor apresenta em Youssef

(2004b), como se pode implementar, por meio das ferramentas de processamento

de sinais empregados e por meio dos sistemas fuzzy, um sistema para classificação

de faltas em sistemas de distribuição de energia elétrica com habilidades para

distinguir faltas reais de manobras programadas no sistema, como por exemplo, a

energização de transformadores. Além dos algoritmos genéticos e dos sistemas de

inferência fuzzy, uma outra ferramenta advinda da inteligência computacional são as

redes neurais artificiais.

Como exemplo da aplicação das redes neurais no contexto da localização de

faltas em sistemas de distribuição, destaca-se o trabalho relatado em Martins et al.

(2005), onde os autores conduzem sua pesquisa empregando decomposições

vetoriais das formas de onda da tensão e da corrente e redes neurais artificiais para

a determinação do local de ocorrência da falta no referido sistema.

No entanto, mesmo diante do emprego de sistemas inteligentes, os resultados

comprobatórios podem não possuir todos os requisitos almejados, ou ainda, tais

resultados são dignos de melhorias, principalmente se os mesmos estiverem sendo

validados através de simulações computacionais (Tomsovic et al., 2005). Assim, os

resultados disponibilizados nesta dissertação podem também contribuir para validar

ainda mais tais abordagens, pois os mesmos são baseados em casos reais de

faltas. Alternativamente, mesmo se a opção for por validação através de modelos

computacionais de sistema de distribuição, os resultados disponibilizados podem

auxiliar para verificar se os resultados produzidos por tais modelos estão

condizentes com aqueles observados na prática.

1.3 Organização da Dissertação

O Capítulo 2 apresenta os aspectos relacionados as faltas em sistemas de

distribuição de energia elétrica.

O Capítulo 3 descreve os aspectos relacionados aos equipamentos de

oscilografias, assim como os detalhes envolvidos com os equipamentos de

medição.

O Capítulo 4 relata as estratégias para a realização dos ensaios

experimentais de faltas de alta impedância, detalhando passa a passo os

procedimentos utilizados em tais tarefas.

O Capítulo 5 foca os diversos resultados obtidos a partir da efetivação dos

ensaios experimentais realizados em um alimentador de distribuição de energia

elétrica, especialmente construído para tal finalidade.

Finalmente, no Capítulo 6, tece-se as conclusões relativas ao trabalho

desenvolvido, enfatizando ainda temas de projetos futuros passíveis de serem

investigados.

2 Aspectos Técnicos Relacionados as Faltas

em Sistemas de Distribuição de Energia

Elétrica

2.1 Introdução

No Brasil, a maioria dos alimentadores urbanos de distribuição de energia

elétrica são aéreos, topologia radial, ramificados, trifásicos a três fios, e empregam

tensões nominais enquadrados nas classes de tensão de 15 kV, de 25 kV ou de 36

kV e apresentam Nível Básico de Impulso (NBI) de 95 kV, de 125 kV e de 150 kV,

respectivamente. Em áreas rurais, onde a demanda é relativamente pequena, pode-

se tornar vantajosa a utilização de alimentadores monofásicos a dois fios, ou ainda,

alimentadores monofilares com retorno pela terra. Atualmente, os alimentadores são

compostos de cabos de alumínio com almas de aço (CAA) suportados por estruturas

de concreto e isoladores de porcelana ou vidro e, mais recentemente, de materiais

poliméricos. Em sistemas monofilares com retorno pela terra se pode empregar, em

alguns casos, condutor de aço cobreado, conhecido como “copperweld”.

Por serem radiais, esses alimentadores têm origem em uma única subestação

(SE) dotada de um ou mais transformadores de potência trifásicos, ou então, bancos

de transformadores monofásicos compondo um sistema trifásico. Normalmente, os

enrolamentos secundários são ligados em estrela com neutro acessível. Quando o

neutro não está acessível ou os enrolamentos secundários são ligados em delta,

pode-se utilizar um transformador de aterramento de forma a propiciar um neutro.

Em muitos casos, os transformadores de potência possuem comutadores

automáticos de “taps”, objetivando então manter o nível de tensão do barramento

dentro de padrões especificados pelos órgãos regulamentadores. Entretanto, poder-

se-á também empregar reguladores de tensão externos logo após o transformador

da SE ou ainda ao longo do alimentador.

O neutro pode estar diretamente aterrado, ou então, aterrado através de um

resistor ou reator de aterramento. Há ainda a possibilidade de neutro sem ligação a

terra (neutro suspenso), conforme a norma ANSI/IEEE C62.92.4/1991. No Brasil,

não são encontrados sistemas de distribuição com neutro suspenso, fato comum em

diversos países da Europa.

A Figura 2.1 apresenta o esquema unifilar simplificado de uma SE típica, com

barra simples na alta e na média tensão, utilizada pela maioria das concessionárias

de distribuição de energia elétrica.

Figura 2.1. Diagrama unifilar simplificado de uma SE típica para serviços de

distribuição de energia elétrica.

50/51

MMF

Transf.

3xTC 3xTC

3xTC

Observa-se que a mesma é composta por diversos elementos, tais como

transformadores de potência, equipamentos para ajuste da tensão de serviço,

dispositivos interruptores e seccionadores, bem como dispositivos de proteção,

controle e medição.

De acordo com a NBR 8769/1985, entende-se por sistema de proteção um

sistema no qual estão associados todos os equipamentos necessários para detectar,

localizar, iniciar e completar a eliminação de uma falta ou condição anormal de

operação de um sistema elétrico. Assim, cada alimentador radial apresenta um

sistema de proteção contra sobrecorrente de fase (função ASA 50/51) e neutro

(função ASA 50/51N) imediatamente após o barramento de despacho, detalhado na

Figura 2.2. De forma a se obter uma maior sensibilidade na detecção de faltas a

terra, um segundo relé de proteção pode ser instalado (função 50/51GS) permitindo

correntes de partida da ordem de poucos ampéres.

Figura 2.2. Esquema de proteção de alimentadores trifásicos aéreos na classe 15

kV com neutro aterrado na origem.

TC-1

TC-2

TC-3

50/51

A B

Alimentador

Trifásico

Barramento da

Subestação

Relés de

proteção de

fase

Relé de

proteção de

terra

Ao longo do alimentador, e quando exigido, podem ser instalados dispositivos

de proteção contra sobrecorrentes de maneira a isolar o trecho sob falta e permitir

um restabelecimento mais rápido do fornecimento sem danos a equipamentos. Entre

os dispositivos de proteção, comumente empregados, estão os elos fusíveis,

religadores automáticos e os seccionalizadores.

A proteção contra sobretensões temporárias, de chaveamento e de origem

atmosférica, é confiada aos dispositivos pára-raios estrategicamente dispostos ao

longo do alimentador. Os pára-raios atuais não apresentam “gaps” e são

constituídos de pastilhas de óxido de zinco encapsuladas em invólucros de material

polimérico.

2.2 Tipos de Faltas nos Sistemas Elétricos de Potência

As faltas elétricas ocorrem nos sistemas elétricos de forma imprevisível e

aleatória. De acordo com a NBR 5456/1987, uma falta elétrica é caracterizada pelo

contato ou arco acidental entre as partes sob potenciais diferentes dentro de um

sistema ou componente elétrico energizado, ou ainda, quando uma ou mais partes

destes sistemas entram em contato com a terra.

Nesse contexto, faltas elétricas originam correntes de falta ou curtos-circuitos,

que podem assumir valores abaixo ou acima da corrente de trabalho do alimentador,

dependendo da potência de curto-circuito, da impedância envolvida no processo de

falta, do tipo de falta ocorrida e da maneira pela qual o neutro do transformador da

subestação está conectado a terra.

A maioria das faltas que ocorrem nos sistemas trifásicos é assimétrica

(Mason, 1956; Stevenson, 1988). As faltas assimétricas podem ser entre duas fases,

duas fases e terra, trifásicas e uma fase e terra. As faltas entre fases ou entre fase e

terra pode ou não conter impedância de falta (Goes, 2001).

A Figura 2.3 ilustra os tipos de faltas contendo uma impedância de falta,

sendo que a Figura 2.3 (a) representa um curto-circuito simétrico desde que ZF

= ZF

Figura 2.3. Configurações dos tipos de faltas e respectivas impedâncias de falta.

Ao se projetar um sistema elétrico é necessário especificar os equipamentos,

não só pela corrente nominal, mas também pela corrente de curto-circuito do

sistema que os mesmos eventualmente deverão suportar, embora mesmo que por

rápidos espaços de tempo (Giguer, 1988; Kindermann, 1999). Dentre as faltas mais

comuns se destaca o curto-circuito, sendo que as possíveis origens desta falha

podem ser listadas conforme segue:

• Elétrica: fadiga do meio isolante entre partes energizadas.

• Mecânica: quebra de um condutor ou isolante.

• Atmosférica: descargas atmosféricas ou ventos fortes que aproximam

condutores.

a) curto-circuito trifásico

b) curto-circuito bifásico

c) curto-circuito fase-terra

d) curto-circuito bifásico-terra

• Manobras erradas: abertura de uma seccionadora em carga.

As principais conseqüências são:

• Esforços térmicos e dinâmicos.

• Queda e desequilíbrio das tensões.

• Transitórios de curta e longa duração.

Conhecer os valores das correntes de curto-circuito é fundamental, pois

atende a diversos objetivos, dos quais podem-se relacionar os seguintes:

• Dimensionar a linha de transmissão ou distribuição em relação ao seu

limite suportável de elevação de temperatura devido ao curto-circuito.

• Dimensionar a capacidade disruptiva do disjuntor.

• Dimensionar a capacidade dos transformadores de corrente quanto ao

nível de saturação.

• Coordenação da proteção.

2.3 Classificação das Faltas no Sistema de Distribuição

As faltas elétricas em sistemas trifásicos são classificadas de acordo com o

número de fases envolvidas e a participação do plano de terra. Os sistemas de

distribuição estão sujeitos a diversos tipos de faltas com freqüências de ocorrência

distintas, como apresentado na Tabela 2.1.

Tabela 2.1. Tipos e freqüências típicas de ocorrência de faltas

elétricas em sistemas de distribuição trifásicos a 3 fios.

Tipo de falta Freqüência de ocorrência

Trifásico 06 %

Bifásico 15%

Bifásico e a terra 15%

Monofásico a terra 64%

Fonte: Kindermann (2003).

Por intermédio desta tabela, verifica-se que as faltas à terra são as que

apresentam a maior incidência nos sistemas de distribuição.

2.4 Ocorrências de Faltas Permanentes e Temporárias

Os curtos-circuitos permanentes são do tipo irreversível espontaneamente,

necessitando-se reparar a rede para restabelecer o sistema, enquanto os curto-

circuitos temporários são aqueles que ocorrem sem haver defeito na rede. A análise

de faltas em redes aéreas de distribuição indica que mais de 90% das faltas são

temporárias e monofásicas a terra, segundo Elmore (2003). A Tabela 2.2 indica

valores ainda mais elevados, conforme relatado em Kindermann (2003).

Tabela 2.2. Freqüências médias de ocorrência de

curto-circuitos monofásicos à terra.

Falta monofásica à terra Freqüência de ocorrência

Permanente 4,0%

Temporários 96,0%

Diversas são as causas das faltas permanentes, sendo as mais comuns:

• Danos permanentes em isoladores.

• Danos na isolação de equipamentos como, por exemplo, transformadores

e chaves seccionadoras.

• Deterioração de pára-raios.

• Rompimento e queda de cabos.

• Abalroamento de postes.

• Contato acidental permanente.

Conforme mencionado anteriormente, os curtos-circuitos temporários são

aqueles que ocorrem sem haver defeito permanente na rede, ou seja, as faltas são

auto-extinguíveis. Portanto, após a atuação da proteção e/ou a ocorrência da auto-

extinção da falta, o sistema pode ser restabelecido sem problemas. As causas mais

comuns dos defeitos temporários são:

• Arco elétrico (flash over) em isoladores.

• Contaminação de isoladores pela poeira e poluição.

• Correntes subseqüentes em pára-raios.

• Umidade e salinidade.

• Chuva.

• Pontas de galhos de árvores.

• Pássaros.

• Vento.

• Contato acidental não permanente.

2.5 Aspectos Sobre as Operações de Religamento

Como nos sistemas de distribuição a ocorrência de faltas temporárias é

elevada, sua eliminação em alimentadores radiais é realizada, em muitos casos, por

meio da técnica de religamentos sucessivos, ou seja, na ocorrência de uma falta, o

circuito é interrompido temporariamente e automaticamente religado. A interrupção

momentânea efetua a deionização do ar, eliminando os arcos elétricos que não

reaparecem quando ocorre a reenergização do alimentador. Outro exemplo seria as

pontas de galhos de árvores que tocam a rede. Nesse caso, a falta pode ser

removida por um período de interrupção maior, durante o qual a ponta do galho é

queimada devido a corrente elétrica de falta. A Tabela 2.3 apresenta o

comportamento da técnica de religamento em sistema de distribuição.

Tabela 2.3. Percentual de sucessos de religamentos em

um sistema de distribuição de energia elétrica.

Operação de Religamento %

Imediato 83,25

Segundo (14 a 45 s) 10,05

Terceiro (120 s) 1,42

Total de sucessos 94,72

Bloqueios 5,28

As principais vantagens da técnica de religamento são:

• Redução a níveis mínimos do tempo de interrupção junto ao consumidor.

• Redução do número de faltas permanentes, uma vez que faltas

temporárias podem evoluir para faltas permanentes.

• Redução de custos de manutenção.

• Auxiliam na manutenção dos quesitos de qualidade de fornecimento

impostos pelos órgãos regulamentadores.

Os comandos para a operação de religamento são desempenhados por um

relé de religamento (função ASA 79) que permite a escolha da estratégia de

religamento mais adequada para um dado alimentador. Como medida preventiva de

segurança, quando serviços são realizados em redes e equipamentos de

distribuição energizados (serviços em “linha viva”), ou ainda, sob a rede de

distribuição por equipe especializada, o relé de religamento é bloqueado de forma a

evitar descargas sucessivas quando de um eventual acidente (Fillippin et al., 2003).

2.6 Aspectos Relacionados as Faltas de Alta Impedância

Apesar do sistema de proteção apresentado na Figura 2.2 detectar todos os

tipos de falta (Tabela 2.1), existe uma situação em que o sistema de proteção, mais

especificamente, o relé de proteção contra sobrecorrente de falta à terra (ASA 51N)

não atuará. Essa situação ocorre quando a corrente de falta a terra é menor que a

corrente de partida do respectivo relé de proteção (Li & Redfern, 2001), como

ilustrado na Figura 2.4. Uma corrente de falta dessa amplitude gera a falta conhecida

como falta a terra de alta impedância.

Figura 2.4. Relação entre correntes de falta a terra de alta impedância

e ajustes dos relés de proteção.

As faltas a terra de alta impedância advêm dos elevados valores da

impedância no circuito de terra, as quais impõem correntes de falta inferiores a

corrente de partida ajustada nos relés de falta a terra (ASA 50/51N). A elevada

impedância no circuito defeituoso advém de fatores imprevisíveis e de difícil

quantificação, cujos principais serão relacionados a seguir:

a) Resistência de arco elétrico

Na maioria das ocorrências, o arco elétrico está presente no local de um

curto-circuito. A corrente de curto-circuito propicia a ionização local do ar

1 p.u.

10 p.u.

Ajuste do relé

de terra

Corrente de

máxima carga

Ajuste dos relés

de fase

Corrente de curto

circuito-trifásico

Corrente de falta de

alta impedância

possibilitando o aparecimento de arco elétrico. Mesmo que as partes se afastem, o

arco elétrico mantém a continuidade da corrente de falta devido ao ar ionizado.

O arco elétrico apresenta temperaturas elevadas, queimando, fundindo e

carbonizando os materiais alcançados pelo arco, podendo propiciar incêndio. O

efeito do arco elétrico não é mais dramático porque – devido a formação de bolhas

de material fundente, ao ar ionizado e a ação das forças eletromagnéticas – o arco

tem a tendência a se mover, dissipando e distribuindo o seu efeito. A resistência de

arco pode ser estimada pela fórmula de Warrington (Elmore, 2003), ou seja:

4,1

28707

ARCO

⋅

(2.1)

onde L é o comprimento do arco elétrico em metros e, I é a corrente elétrica de

curto-circuito em Ampére.

b) Resistência de contato da falta

A resistência de contato sofre influência da pressão, da temperatura, da

rugosidade relativa dos materiais e da condutividade elétrica dos materiais das

partes em contato. Dessa forma, torna-se impossível a caracterização dessa

grandeza em situações não controladas, como por exemplo, o contato estabelecido

entre um condutor e o solo decorrente de um rompimento do condutor.

c) Resistência de aterramento

A resistência de aterramento depende fundamentalmente da resistividade do

solo e das características construtivas do eletrodo de aterramento. A resistividade do

solo sofre influência da composição química do solo, da compactação, da umidade e

da temperatura. Além desses fatores, a resistência de aterramento pode ser

dependente da duração da corrente de falta a terra em virtude do deslocamento

iônico do solo decorrente do campo elétrico estabelecido no próprio solo (resistência

dinâmica).

Pode-se determinar a resistência de aterramento de um eletrodo de

aterramento pela seguinte expressão:

⎟

⎠

⎞

⎜

⎝

⎛

⋅

(2.2)

onde R

é a resistividade aparente do solo em Ω.m, L é o comprimento da haste em

metros e, d é o diâmetro da haste em metros.

Deve ser observado ainda que existe uma condição de falta cujos fatores

acima descritos pouco afetam a corrente de falta a terra. Essa condição ocorre

quando um condutor entra em contato com o plano de terra pelo lado da carga.

Nessa condição, a impedância da carga é preponderante sobre as demais de forma

que a corrente de falta gerada é dependente da carga demandada no ponto de

defeito.

Nesse contexto, experimentos realizados na Universidade do Texas (Aucoin &

Russel, 1989), com o propósito de melhor entender o comportamento das faltas à

terra de alta impedância em sistemas de distribuição na classe 15kV, geraram

valores de correntes de falta a terra, as quais são apresentadas na Tabela 2.4.

Nesse ensaio foi observado que as correntes de faltas típicas estavam entre 5 e 40A

e que menos de 10% das faltas, num total de 200, foram eliminadas pelo relé de

sobrecorrente de neutro.

Tabela 2.4. Resultados dos testes de falta à terra conduzidos

pela Universidade do Texas (EUA).

Superfície Corrente de falta à terra (A)

Asfalto seco 0

Concreto 0

Areia seca 0

Areia úmida 15

Tijolo seco 20

Grama seca 25

Tijolo úmido 40

Grama molhada 50

Concreto Armado 75

Fonte: Aucoin & Russel (1989).

Para ser mais específico, pode-se citar como exemplo o desempenho dos

equipamentos de proteção convencionais, tais como elos fusíveis, relés de

sobrecorrentes e religadores para a atuação e desligamento do sistema elétrico em

casos de faltas fase-terra com alta impedância, pois conforme apresentado na

Tabela 2.4 as correntes de falta possuem baixa amplitude.

Os elos fusíveis são dimensionados levando-se em consideração os aspectos

de seletividade, a corrente de carga e as curvas de suportabilidade dos

equipamentos e da rede protegida pelo mesmo.

No exemplo da Figura 2.5, tem-se um conjunto de chaves fusíveis dotadas de

elos fusíveis protegendo uma rede aérea trifásica de distribuição com cabo de

alumínio com alma de aço bitola 02 AWG com uma corrente de carga de 18A.

Figura 2.5.

Rede elétrica trifásica protegida por chaves fusíveis.

Para este exemplo, o elo fusível adequado é o 25K, pois permite a circulação

da corrente de carga e protege o condutor.

No coordenograma da Figura 2.6, observa-se que o elo fusível adotado

protege a rede de distribuição e permite a livre circulação da corrente de carga.

Figura 2.6. Curva do elo fusível 25K.

Ainda na Figura 2.6, as correntes referentes a Tabela 2.4 foram também

plotadas. Observando-se o gráfico e as correntes se conclui que o elo fusível não é

eficaz para todos os tipos de defeitos de queda de cabo ao solo.

A função de proteção nos alimentadores e religadores com possibilidades de

ajustes mais sensíveis e ,conseqüentemente, com tclde defeitos de quee

Para um alimentador com curva de carga de neutro de 13A, por exemplo,

deve-se ajustar a proteção de neutro de alta impedância em 20A. Porém, de acordo

com a Tabela 2.4 existem situações onde, dependendo do tipo de solo, as correntes

decorrentes da queda de condutor energizado ao solo, serão inferiores aos 20A do

ajuste proposto para este exemplo. Assim, pode-se concluir que a proteção de

neutro de alta impedância não é eficaz para todos os tipos de defeitos envolvendo a

queda de cabo ao solo.

Portanto, a detecção de faltas a terra de alta impedância é um problema que

persiste nos sistemas de distribuição de energia elétrica, uma vez que podem não

ser detectadas por sistemas convencionais de proteção contra sobrecorrentes e

devem ser eliminadas, quando detectadas, utilizando o desligamento manual do

alimentador (Aucoin & Russel, 1996). Grandes investimentos em pesquisas vêm

sendo feitos com o objetivo de desenvolver técnicas e dispositivos capazes de

caracterizar, detectar, localizar e eliminar esse tipo de falta. Apesar de consideráveis

avanços nos últimos anos, há ainda necessidade de investigações que levem ao

desenvolvimento de técnicas que possam oferecer um desempenho confiável e

seguro (Wester, 1998).

Assim, quanto mais informações e dados reais sobre ocorrências e situações

de faltas à terra de alta impedância forem disponibilizados, então maior será a

tendência de tais técnicas serem mais confiáveis e seguras.

3 Aspectos dos Equipamentos de

Oscilografias e de Medição

3.1 Introdução

Objetivando a realização plena e integral das atividades relacionadas aos

ensaios experimentais, houve a necessidade de definir os diversos equipamentos

que fariam parte dos processos envolvidos com a transdução e aquisição dos sinais

de tensão e corrente produzidos em decorrência da realização dos diversos tipos de

faltas efetuados na linha de distribuição piloto da concessionária.

Para tanto os dois tipos principais de equipamentos que seriam utilizados nos

ensaios experimentais foram divididos em equipamentos de medição (oscilógrafos) e

equipamentos de transdução (TCs e TPs). Assim sendo, houve a necessidade de

efetuar diversas análises e procedimentos que permitissem averiguar e investigar as

características dos equipamentos que seriam utilizados para tais propósitos.

As seções seguintes abordam os detalhes e aspectos envolvendo estes

equipamentos, tendo como principal objetivo destacar as suas características, bem

como descrever suas funcionalidades, permitindo documentar o funcionamento dos

mesmos para outras eventuais aplicações que podem usufruir da utilização deles.

3.2 Aspectos Relacionados aos Equipamentos de Oscilografias

Em referência aos equipamentos que foram utilizados para a medição de

grandezas elétricas, diversas atividades de prospecção tiveram que ser realizadas

com o intuito de investigar as suas características no que se refere ao

processamento dos dados que seriam aquisitados pelos mesmos. Nesta

examinação, diversos itens foram detalhadamente checados com a intenção de

verificar a coerência e a integridade dos dados que seriam disponibilizados por tais

equipamentos. Ressalta-se que esta avaliação foi de suma importância para garantir

que as oscilografias obtidas nos ensaios de faltas fase-terra de alta impedância

fossem úteis para investigação das características deste tipo de falta.

Alguns aspectos importantes que foram investigados durante esta etapa de

prospecção são os seguintes:

• Análise de características técnicas que assegurariam a medição eficiente

das grandezas elétricas envolvidas com as faltas em sistemas de

distribuição.

• Avaliação de recursos das unidades de processamento, tais como a

memória, a classe de exatidão, o tempo de varredura, as interfaces de

entrada e saída, os triggers internos e externos, o sincronismo de relógios,

etc.

• Verificação das taxas de amostragem visando o atendimento dos

propósitos da pesquisa.

• Resolução gráfica e disponibilidade de recursos de processamento de

sinais.

• Tipos e formatos de arquivos de dados gerados pelos equipamentos.

• Integridade entre as taxas de amostragem de dados real e as taxas de

armazenamentos.

Como um resultado desse trabalho de prospecção, definiram-se como

equipamentos de medição mais adequados para os propósitos definidos os

oscilógrafos de marca Yokogawa, linha DL 708 E, modelo 7018020-1-D-

HF/M2/C8/G2/F2, composto de módulos com código 701852 e sensores de código

96033. Sendo este o principal equipamento que foi utilizado durante os ensaios

experimentais, destacam-se no ANEXO I alguns aspectos relacionados as suas

principais funções, bem como uma breve descrição dos procedimentos envolvidos

com os seus ajustes e configurações.

3.3 Estratégias de Ensaios de Resposta em Freqüência dos

Transdutores de Medição

Para verificar a maneira pela qual os transdutores de tensão e de corrente se

comportam frente a faixa de freqüências a ser oscilografada durante os ensaios

experimentais, os transformadores de potencial e os transformadores de corrente

foram ensaiados de maneira a se construir sua reposta em freqüência.

O conhecimento da resposta em freqüência dos transdutores de tensão e de

corrente é de extrema importância visto que esse tipo de informação será muito útil

na identificação e refinamento dos resultados a serem obtidos por meio da

oscilografia das faltas nos ensaios experimentais, garantindo que os resultados

decorrentes sejam representativos do sistema real.

Dessa maneira, nessa seção serão descritos os principais aspectos

relacionados a metodologia de ensaios de resposta em freqüência, bem como será

apresentada uma súmula dos resultados obtidos nos referidos ensaios.

3.3.1 Metodologia de Ensaio

A resposta em freqüência de um determinado sistema pode ser obtida de

inúmeras maneiras, dentre as quais destaca-se principalmente o ensaio ao impulso

unitário. Independente da excitação empregada no ensaio de resposta de freqüência

a descrição da metodologia de ensaio segue um único formato a qual pode ser

melhor compreendida observando-se o diagrama esquemático da Figura 3.1.

Figura 3.1. Diagrama esquemático do ensaio de resposta em freqüência.

Como pode ser verificado por meio da Figura 3.1, o ensaio de resposta em

freqüência constitui basicamente da aplicação de uma excitação r(t) a entrada do

sistema de maneira a se mensurar a resposta c(t). Como o objetivo é obter uma

função H(t) que descreva o comportamento do sistema frente ao espectro de

freqüências de operação, o sinal de entrada r(t) e o sinal de saída c(t) devem ser

transformados para o domínio da freqüência, ou seja:

()

=ω

(3.1)

()()

∫

∞

∞−

ω−

ω=ωdetrR

(3.2)

()()

∫

∞

∞−

ω−

ω=ωdetcC

(3.3)

Sistema sob

ensaio

Entradas do sistema

Saídas do sistema

r(t)

c(t)

No entanto, como nos sistemas reais o processo de medição é digital, os

sinais r(t) e c(t) não são contínuos e sim discretos, amostrados periodicamente a

uma determinada taxa de amostragem SR. Dessa maneira, torna-se necessário o

emprego da Transformada Discreta de Fourier para a representação dos sinais r(t) e

c(t) no domínio da freqüência, ou seja:

()()

∑

−−π

−

enrkR

112

; 1 ≤ k ≤ N/2 (3.4)

()()

∑

−−π

−

enckC

112

; 1 ≤ k ≤ N/2 (3.5)

onde

STN

k 12π

=ω e ST representa o tempo de amostragem do sinal. Assim, a

resposta em freqüência H(k) do sistema será dada por:

()

kH = (3.6)

Como pode ser observada por meio do breve equacionamento apresentado, a

função de excitação r(t) do sistema pode ser qualquer função real. No entanto, torna-

se interessante que essa função possua um amplo espectro de freqüência de

maneira a se realizar um estudo completo. Em função desse requisito e das

limitações experimentais a função de excitação adotada nos ensaios foi a função

rampa.

Procedendo dessa forma, as respostas em freqüência tanto do

transformador de potencial quanto do transformador de corrente foram obtidas,

sendo então apresentadas nas seções que seguem.

3.3.2 Resposta em Freqüência do Transformador de Potencial

Ilustrando a montagem experimental realizada para se identificar a resposta

em freqüência do transformador de potencial, apresenta-se na Figura 3.2 a bancada

de teste adotada nos referidos ensaios.

Figura 3.2. Bancada experimental para ensaios em freqüência do

transformador de potencial.

Como pode ser observado por meio da Figura 3.2, a geração da excitação a

ser aplicada no primário do transformador de potencial foi realizada com auxílio de

gerador de funções digital de alta precisão e baixa distorção harmônica, sendo que a

medida da entrada e da saída ficou por conta de um osciloscópio digital com máxima

taxa de amostragem de 1,25 GHz e largura de banda de 100 Mhz.

Os detalhes da conexão do osciloscópio a entrada e saída do transformador

são apresentados por meio da Figura 3.3.

Figura 3.3. Detalhes de conexão ao transformador de potencial: (a) Conexões

ao primário; (b) Conexões ao secundário.

Conforme mencionado anteriormente, aplicou-se ao primário do

transformador de potencial uma forma de onda quadrada. Para garantir uma maior

precisão de resultados, diferentes freqüências para a forma de onda quadrada foram

utilizadas e seus respectivos resultados registrados. Ilustrando algumas das

excitações utilizadas, apresentam-se na Figura 3.4 os gráficos de três sinais de

entradas e suas respectivas saídas para os ensaios realizados.

-0.2 -0.15 -0.1 -0.05 0 0.05 0.1 0.15 0.2

-15

-10

-5

-0.02 0 0.02 0.04 0.06 0.08 0.1 0.12 0.14 0.16 0.18

-15

-10

-5

-0.01 0 0.01 0.02 0.03 0.04 0.05 0.06 0.07 0.08 0.09

-15

-10

-5

Figura 3.4. Sinais de entrada e saída aplicados nos transformadores de potencial.

Valendo-se da metodologia e da formulação matemática apresentada na

subseção anterior, a resposta em freqüência do transformador de potencial foi

calculada conforme apresentada graficamente por meio da Figura 3.5.

500

1000

1500

2000

freqüência (Hz)

Relação de transformação

-150

-100

-50

100

150

freqüência (Hz)

Defasagem angular (graus)

Figura 3.5. Resposta em freqüência dos transformadores de potencial.

3.3.3 Resposta em Freqüência dos Transformadores de Corrente

O procedimento experimental adotado ao longo do ensaio de resposta em

freqüência para o transformador de corrente foi semelhante ao utilizado na avaliação

da resposta em freqüência para o transformador de potencial. Assim, na Figura 3.6

apresenta-se uma visão geral da bancada de ensaios montada para o referido

ensaio.

Relação de transformação

Defasagem angular (graus)

Figura 3.6. Bancada experimental para ensaios em freqüência do

transformador de corrente.

Os gráficos dos sinais de entrada e saída registrados para diferentes

freqüências dos sinais de excitação são apresentados por meio da Figura 3.7.

-2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2

x 10

-6

-4

-2

-5 -4 -3 -2 -1 0 1 2 3 4 5

x 10

-6

-4

-2

-1 -0.8 -0.6 -0.4 -0.2 0 0.2 0.4 0.6 0.8 1

x 10

-6

-4

-2

Figura 3.7.

Sinais de entrada e saída aplicados nos transformadores de corrente.

Assim, por meio dos sinais registrados ao longo dos ensaios e utilizando a

metodologia fundamentada na Seção 3.3.1 processou-se a resposta em freqüência

do transformador de corrente a qual é apresentada graficamente por meio da Figura

3.8.

freqüência (Hz)

Relação de transformação

-150

-100

-50

100

150

freqüência (Hz)

Defasagem angular (graus)

Figura 3.8. Resposta em freqüência dos transformadores de corrente

Os referidos ensaios foram de suma importância para analisar o

comportamento dos TCs e TPs em relação as diversas variações de freqüência.

Portanto, constata-se que ambos os instrumentos a serem utilizados nos

ensaios experimentais conseguem fornecer respostas em freqüência que

contemplam os níveis de precisão requeridos para a aquisição de transitórios

envolvidos com as faltas fase-terra de alta impedância.

Em suma, um dos objetivos em realizar tais ensaios consistiu tão somente

de verificar se os próprios TCs e TPs utilizados no dia-a-dia pela concessionária

seriam apropriados para a realização dos ensaios envolvendo faltas fase-terra de

Defasagem angular (graus)

Relação de transformação

alta impedância, sendo portanto desnecessário a aquisição de equipamentos

especiais apenas para tal propósito.

Além disso, o roteiro visando os ensaios instrumentais apresentados neste

capítulo pode ser também seguido quando se deseja testar a adequabilidade de

outros tipos de TCs e TPs quando das suas utilizações em ensaios envolvendo

faltas.

4 Estratégias de Realização de Ensaios

Experimentais

4.1 Introdução

A identificação de faltas de alta impedância num sistema elétrico de

distribuição de energia elétrica radial se constitui num desafio técnico de operação e

ao mesmo tempo num problema que as concessionárias de energia elétrica

enfrentam tanto no Brasil como nos demais países. Esta problemática recebe

atenção especial, pois além de comprometer o fornecimento adequado de energia

elétrica representa uma potencial situação de risco a população. Dessa maneira,

verifica-se junto a bibliografia correlata, os inúmeros esforços dedicados a rápida e

eficiente identificação e localização de pontos onde cabos condutores se romperam

e se dispõem sobre o solo, sobre cruzetas, entre outras possibilidades, sem que as

proteções de sobrecorrente possam sinalizar sua ocorrência.

Com o aumento do consumo de energia elétrica e os valores rigorosos para

os índices de desligamento, a realização dos ensaios experimentais em um

alimentador de distribuição de energia elétrica (ANEXO II), visando obter registros de

correntes e tensões durante faltas de alta impedância, obrigou a equipe envolvida a

um rigoroso planejamento destes ensaios, tendo em vista atender não só o aspecto

técnico e a interrupção no fornecimento de energia, bem como o aspecto da

segurança pessoal dos envolvidos nos ensaios e ainda da população transeunte da

região onde se realizaram os respectivos testes.

Assim, esse capítulo objetiva apresentar detalhadamente os aspectos que

permearam o planejamento dos ensaios, os detalhes tratados nos pré-ensaios e a

execução dos referidos ensaios.

4.2 Falta Fase-Terra com Solo Seco

Este tipo de defeito no sistema de distribuição de energia elétrica é o mais

comum e o mais difícil de sensibilizar os dispositivos de proteção. Tem-se assim, a

necessidade de realização de vários ensaios que contemplem tal situação. O

primeiro ensaio de curto-circuito fase-terra foi com o solo seco e as condições

operativas no instante do defeito podem ser listadas como se segue:

• Religamento automático no local dos ensaios em posição bloqueado.

• Janela de amostragem utilizada no oscilógrafo de 10 seg.

Como este foi o primeiro ensaio realizado, utilizou-se o mesmo na verificação

do nível de curto-circuito no ponto e refinamento dos procedimentos de ensaios.

O ensaio compreendeu a queda do condutor em solo seco. A técnica de soltar

o cabo foi a mesma que está descrita no ANEXO III que aborda os pré-ensaios, ou

seja, utilizando a equipe e os equipamentos de linha viva.

O primeiro passo executado na preparação do ensaio foi o eletricista no cesto

de linha viva soltar o condutor da cadeia de isoladores. Em seguida a corda isolante

foi amarrada ao cabo e passada pela cinta na parte inferior do poste e, na

seqüência, foi fixada no caminhão por medida de segurança, conforme apresentado

na Figura 4.1.

Figura 4.1. Corda isolante utilizada para soltar o condutor: (a) Corda passando pela

cinta na parte inferior do poste; (b) Ponta da corda amarrada ao caminhão antes do

início do ensaio.

Após todas as verificações foi acionada a buzina, que estava instalada no

caminhão de apoio, próxima ao oscilógrafo, conforme se apresenta na Figura 4.2.

Os eletricistas encarregados de soltarem a corda contaram mentalmente de 3

a 5 segundos e soltaram a corda, fazendo com o que cabo em queda livre atingisse

o solo, provocando um curto fase-terra, em condições similares ao rompimento de

condutor de fase de uma rede aérea de distribuição.

Figura 4.2. Buzina utilizada para acionar o instante de início dos ensaios.

O toque da buzina além de oferecer o sinal para liberar a corda, foi de

fundamental importância para partida (trigger) dos oscilógrafos local e remoto

(subestação) já que não havia outro meio de sincronização entre eles disponível.

A Figura 4.3 apresenta a chave corta-circuito no poste de derivação, bem

como o instante de fechamento de uma das fases para a energização do mesmo. A

partir deste instante a mesa já possuía tensão nas chaves de aferição, ficando o

ramal energizado até a entrada do religador automático, mostrado na Figura 4.6.

Figura 4.3. Chave corta-circuito que deriva o ramal, no instante da

energização do mesmo.

Para as medições das grandezas elétricas foram instalados conjuntos de

transformadores de corrente e de potencial no primeiro poste após a derivação. A

Figura 4.4 ilustra a instalação destes equipamentos no poste, bem como a posição do

caminhão que serviu de base para receber os circuitos secundários a fim de realizar

as conexões necessárias as medições.

Figura 4.4. Instalação dos TP’s e TC’s utilizados na medição durante os ensaios.

Os terminais secundários dos TP’s e TC’s foram enviados ao oscilógrafo

passando por uma mesa com o conjunto de chaves de aferição, por uma canaleta e

em seguida conectado ao mesmo. A Figura 4.5 apresenta essas conexões.

Figura 4.5. Sistema de medição e aferição: (a) Conexões das chaves de aferição;

(b) Conexões das chaves de aferição aos bornes do oscilógrafo.

Também foi instalado no ramal um religador automático coordenado com

outro religador automático a montante e ainda com o relé Siemens instalado na

subestação. A Figura 4.6 mostra a instalação do religador automático, bem como o

veículo da ELEKTRO que serviu de base para a mesa com fonte de alimentação e

laptop comunicando com o respectivo religador da Copper.

Figura 4.6. Instalação do religador automático e veículo da ELEKTRO com laptop.

Após todas as providências, posicionou-se em condições seguras o

profissional responsável pelas filmagens dos ensaios, conforme pode ser visto na

Figura 4.7.

Figura 4.7. Posição do profissional responsável pelas filmagens dos ensaios.

Na subestação foram tomadas todas providências necessárias, como

instalação do oscilógrafo no painel do alimentador 30 da subestação Rio Claro III,

utilizando-se para tanto um conjunto de chaves de aferição disponível e já instalado

no próprio painel. A Figura 4.8 mostra o interior do painel do alimentador com os

respectivos transdutores de corrente empregados em todos os ensaios.

Figura 4.8. Vista interior do painel de proteção do alimentador 30 da SE Rio Claro III.

A seguir, na Figura 4.9 são mostrados os detalhes das conexões com as

garras de medição de corrente do oscilógrafo, bem como a conexão do circuito de

potencial.

Figura 4.9. Detalhes das conexões do oscilógrafo no painel do alimentador 30 da

SE RIC III: (a) Conexões das garras de corrente e circuito de potencial; (b)

Conexões do oscilógrafo ao painel.

Após isolação da área de trabalho pelos responsáveis da defesa civil e

segurança do trabalho da ELEKTRO, conforme Figura 4.10, deu-se início aos

ensaios.

Figura 4.10. Isolamento da área de trabalho durante os ensaios: (a) Bloqueio da

estrada ao local dos ensaios; (b) Bloqueio do outro lado do local dos ensaios, onde

se encontrava o caminhão da equipe da linha viva.

Os ensaios fase-terra foram realizados lançando-se ao solo a fase externa da

extremidade esquerda de quem olha para a Figura 4.11.

Figura 4.11. Vista da rede aérea antes do lançamento do cabo ao solo.

Após o acionamento da buzina e seguindo todos os passos previamente

analisados e consolidados, lançou-se o cabo ao solo provocando um curto-circuito

fase-terra em condições de solo seco. Figura 4.12 ilustra o cabo tocando o solo.

Figura 4.12. Condutor energizado em contato com o solo provocando curto-circuito

fase-terra.

A Figura 4.13 a seguir ilustra em detalhe a formação do arco elétrico quando

o cabo toca o solo.

Figura 4.13. Detalhe do arco elétrico durante contato do condutor

energizado com o solo.

A Figura 4.14 apresenta como ficou o solo após a ocorrência do curto-circuito.

Figura 4.14.

Aparência do solo após o curto circuito fase-terra em solo seco: (a)

Buracos causados no solo devido a curto circuito; (b) Pedaços de pedras queimadas

no instante do curto circuito.

Na Figura 4.15 também há uma ilustração de um pedaço de pedra retirada do

local onde ocorreu a queda do condutor.

Figura 4.15. Detalhe de furo na pedra devido a queda de condutor energizado.

Conforme já mencionado anteriormente, este ensaio foi feito com o bloqueio

do religamento automático do religador instalado no local dos ensaios.

O próximo ensaio realizado foi idêntico, apenas liberou-se o religamento

automático do religador local. A seqüência de religamento ficou assim: 1º

religamento com tempo de 1,5s, 2º religamento com tempo de 2,5s e o 3º

religamento com tempo de 2,5s. As janelas de amostragem dos oscilógrafos ficaram

ajustadas em 20s.

No quinto ensaio a seqüência de religamento foi a seguinte: 0,5s para o 1º

religamento e 20s para o 2º religamento. As janelas de amostragem dos oscilógrafos

foram alteradas para 30s.

Nos demais ensaios com solo seco, mudaram-se apenas as seqüências de

religamentos e as janelas de amostragem.

O próximo ensaio realizado ainda foi queda de condutor de fase (falta fase-

terra), porém não mais em solo seco e sim sobre brita, conforme pode ser observado

na Figura 4.16. O religamento automático estava em serviço e ajustado para: 1º

religamento em 0,5s e o 2º religamento em 20s. O ajuste da subestação no grupo 2

(Anexo IV) e a janela de amostragem em 20s.

Figura 4.16. Posição da brita no solo onde o cabo energizado foi lançado.

A Figura 4.17 mostra a posição dos eletricistas no momento que soltava a

corda. A mesma foi solta gradativamente até o condutor atingir o solo.

Figura 4.17. Posição dos eletricistas no momento que soltam a corda isolada que

suportava o condutor energizado.

4.3 Queda de Condutor Sobre Cruzeta de Madeira

Também foi realizado curto-circuito fase-terra, provocado por queda do

condutor sobre a cruzeta. Este tipo de defeito é comum nas redes aéreas de

distribuição. A Figura 4.18 mostra o condutor sobre a cruzeta, com o eletricista e o

responsável pelas filmagens no cesto.

Para a realização deste ensaio a equipe de linha viva soltou o condutor dos

isoladores, colocando-o sobre a cruzeta. Em seguida foi ligado o disjuntor

correspondente ao religador automático, provocando um curto-circuito fase-terra,

sendo que a impedância de falta consistiu desde a madeira, ferragens do poste de

concreto e terra propriamente dita.

Figura 4.18. Condutor sobre a cruzeta pronto para ser energizado.

4.4 Rompimento e Queda de Condutor de Fase do Lado da Carga

Para a realização deste defeito alguns procedimentos tiveram de ser bem

estruturados e sincronizados. Para simular a queda de condutor do lado da carga

utilizando a mesma estrutura montada para os outros ensaios foi necessário abrir

uma das fases da fonte (a fase que foi lançada ao solo). Como os consumidores

ficariam sem uma fase, foi estabelecido tempo máximo para realização deste ensaio

de onze minutos.

Imediatamente após os registros da ocorrência de fase aberta, foi lançado o

cabo ao solo, utilizando os mesmos procedimentos para os curtos-circuitos fase-

terra.

Quando o cabo é lançado ao solo o retorno da corrente se faz pela

subestação e pelos primários dos transformadores de distribuição trifásicos e

também por alguns transformadores monofásicos ao longo do alimentador (MRTs).

A impedância de falta é extremamente alta neste caso, dificultando de sobremaneira

a sensibilização dos dispositivos de proteção.

No caso deste ensaio foi possível registrar os níveis de corrente de curto-

circuito, conforme poderá ser observado no capítulo seguinte.

Imediatamente após os registros da ocorrência de fase aberta, foi lançado o

cabo ao solo, utilizando os mesmos procedimentos para os curtos-circuitos fase-

terra.

Neste ensaio o religamento automático ficou bloqueado e o grupo de ajuste

do religador foi o número 1 (Anexo IV). A duração total deste ensaio foi de oito

minutos.

5 Resultados de Medições dos Ensaios

Experimentais

5.1 Introdução

Os ensaios experimentais foram realizados tendo como premissa as

deliberações acertadas ao longo dos pré-ensaios (ANEXO III), bem como nos

aspectos pontuados nas reuniões que antecederam os ensaios. Dessa forma, este

capítulo é responsável por apresentar os resultados experimentais obtidos por meio

dos referidos ensaios. A fim de organizar coerentemente a apresentação de tais

resultados, será dedicada a cada ensaio uma subseção onde serão destacados os

gráficos de corrente e tensão oscilografados tanto no local dos ensaios como na

subestação Rio Claro III. Além disso, as seções estão organizadas de maneira a

refletir a ordem cronológica de realização dos ensaios.

5.2 Falta Fase-Terra com Solo Seco e Religamento Automático

Bloqueado

Nesse ensaio inicial o condutor fase foi deixado cair sobre o solo seco

conforme planejado e simulado durante os pré-ensaios de falta fase-terra. No

entanto, a chave religadora instalada no ramal de ensaio foi ajustada com o grupo

de ajuste 1 (Anexo IV) tendo a função de religamento automático bloqueada. O

objetivo desse ensaio foi a verificação do nível de curto-circuito fase-terra no local

dos ensaios, bem como do refinamento dos procedimentos de ensaio. Dessa

maneira, foi realizado um total de três repetições para esse ensaio, no entanto,

devido aos ajustes operacionais e coordenação de equipe a primeira repetição não

foi registrada na subestação, da mesma maneira que a segunda repetição não foi

oscilografada junto ao local da falta. Para ilustrar os resultados obtidos, apresenta-se

na Figura 5.1 os gráficos de tensão e corrente oscilografados no local da falta para a

primeira repetição.

1.8 1.81 1.82 1.83 1.84 1.85 1.86 1.87 1.88 1.89

-60

-40

-20

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

1.8 1.81 1.82 1.83 1.84 1.85 1.86 1.87 1.88 1.89

-15

-10

-5

Tempo (s)

Tensão

fase

(kV)

Fase A

Fase B

Fase C

Figura 5.1. Gráfico das correntes e tensões durante o ensaio na sua primeira

repetição oscilografada no local da falta.

Pode-se observar pelos gráficos apresentados na Figura 5.1 que a falta fase-

terra foi interrompida depois de dois ciclos pela chave religadora e que durante sua

ocorrência foi observada uma queda de tensão na fase faltosa conforme esperado

teoricamente.

A segunda repetição não foi oscilografada no local de ocorrência da falta

conforme descrito anteriormente, no entanto, sua oscilografia foi registrada junto a

subestação e os gráficos de tensão e corrente são apresentadas por meio da Figura

5.2.

Tensão de fase (kV)

Corrente de linha (A)

0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37

-200

-150

-100

-50

100

150

200

Tempo (s)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

0.32 0.33 0.34 0.35 0.36 0.37 0.38

-15

-10

-5

Tempo (s)

Tensão

fase

(kV)

Fase A

Fase B

Fase C

Figura 5.2. Gráfico das correntes e tensões durante o ensaio na sua segunda

repetição oscilografada na subestação.

Por meio do gráfico de corrente apresentado na Figura 5.2 se verifica que os

sinais observados tiveram as presenças de ruídos de medição os quais podem ser

em parte atribuídos ao efeito corona constatado na subestação. A duração dessa

falta foi de aproximadamente dois ciclos e meio e alterações sensíveis da tensão na

subestação durante a ocorrência da falta não foram observadas.

A terceira e última repetição desse primeiro ensaio foi realizada após a

correção dos pontos falhos observados ao longo da execução da primeira e segunda

repetição. Dessa maneira, os valores de tensão e corrente durante a falta foram

oscilografados tanto na subestação como no local de ocorrência dos ensaios. Assim,

na Figura 5.3 estão os gráficos de tensão e corrente oscilografados no local da falta.

3.75 3.76 3.77 3.78 3.79 3.8 3.81

-60

-40

-20

A duração da terceira falta foi de cerca de dois ciclos e meio conforme se

observa por meio do gráfico de corrente da Figura 5.3. Verificando-se o gráfico de

tensão no ponto da falta constata-se uma queda de tensão durante a ocorrência da

falta além de um rápido distúrbio transitório de tensão conforme destacado na Figura

5.3 e ampliado por meio da Figura 5.4.

3.7605 3.761 3.7615 3.762 3.7625 3.763 3.7635 3.764

-11.5

-11

-10.5

-10

-9.5

Tempo (s)

Tensão de fase (kV)

Figura 5.4. Distúrbio de tensão observado durante a terceira repetição do primeiro

ensaio junto ao local de ensaio.

A Figura 5.5 apresenta a terceira repetição do primeiro ensaio oscilografada

na subestação.

3.12 3.13 3.14 3.15 3.16 3.17 3.18 3.19 3.2

-250

-200

-150

-100

-50

100

150

200

Tempo (s)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

2.12 2.13 2.14 2.15 2.16 2.17 2.18 2.19 2.2

-15

-10

-5

Como podem ser verificadas por meio dos gráficos da Figura 5.5, as correntes

de linha foram mensuradas com a adição de um ruído e distúrbios visíveis tanto em

amplitude como em formato, fatos estes que não foram verificados para as formas

de onda de tensão.

5.3 Falta Fase-Terra com Solo Seco e Religamento Automático em

Serviço

O procedimento experimental adotado ao longo desses ensaios foi idêntico ao

adotado no ensaio descrito na Seção 5.2. No entanto, a chave religadora foi

ajustada de maneira a permitir o religamento após a interrupção de uma

determinada falta. Assim, diversas situações de religamento foram propostas e

testadas e os valores de tensão e corrente para cada um dos ajustes de religamento

ensaiados serão apresentados nos itens seguintes.

(A) Religamentos 1,5s – 2,5s – 2,5s (uma rápida e três lentas)

Neste ensaio a chave religadora foi ajustada com o grupo de ajuste 1, descrito

no ANEXO IV, sendo sua atuação descrita por uma operação rápida e três lentas e

os ensaios realizados compreenderam um total de 5 repetições cada qual

oscilografada tanto pela subestação como no local de realização dos ensaios.

Assim, apresenta-se na Figura 5.6 os gráficos de corrente oscilografados no local de

ensaio referentes a primeira repetição.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-200

-150

-100

-50

100

150

200

Tempo (s)

Corrente de linha (A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.6. Gráficos de corrente de linha durante o ensaio na sua primeira repetição

oscilografada no local da falta.

Como pode ser observado por meio do gráfico de corrente da Figura 5.6, o

ensaio procedeu conforme previsto, ou seja, a chave religadora entrou em modo de

bloqueio após três tentativas de religamento. Observa-se ainda por meio do gráfico

de tensão (primeiro religamento) ilustrado na Figura 5.7 que durante os instantes de

falta foi constatada uma subtensão na fase faltosa e uma sobretensão na Fase B.

5.45 5.5 5.55 5.6 5.65 5.7 5.75

-10

-5

Tempo (s)

Tensão de fase (kV)

Fase A

Fase B

Fase C

Figura 5.7. Gráfico de tensão após o primeiro religamento (primeira repetição).

Tensão de fase (kV)

Corrente de linha (A)

Verifica-se ainda, com relação a tensão após o primeiro religamento, que no

instante de fechamento da chave deu-se início a um curto transitório o qual é

apresentado na Figura 5.8.

5.48 5.482 5.484 5.486 5.488 5.49 5.492 5.494 5.496 5.498 5.5

-10

-5

Tempo (s)

Tensão de fase (kV)

Fase A

Fase B

Fase C

Figura 5.8. Detalhe do distúrbio de tensão no instante do primeiro religamento da

primeira repetição de ensaio.

O distúrbio de tensão no local de falta não foi observado apenas no primeiro

religamento, mas também no instante de queda do condutor ao solo, conforme

Figura 5.9, e nos demais religamentos efetuados pela chave religadora assim como

apresentado na Figura 5.10.

Tensão de fase (kV)

3.922 3.924 3.926 3.928 3.93 3.932 3.934 3.936

-15

-10

-5

Tempo (s)

Tensão de fase (kV)

Fase A

Fase B

Fase C

Figura 5.9. Detalhe do distúrbio de tensão no instante de contato do condutor com

o solo na primeira repetição de ensaio.

8.226 8.228 8.23 8.232 8.234 8.236 8.238

-15

-10

-5

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-400

-300

-200

-100

100

200

300

400

Tempo (s)

Corrente de linha (A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.11. Gráficos de corrente de linha durante o ensaio na sua primeira

repetição oscilografada na subestação.

Da mesma maneira como observado na tensão oscilografada no local do

ensaio, verifica-se junto a tensão oscilografada na subestação um distúrbio na forma

de onda de tensão nos instantes de religamento. Para ilustrar tal fenômeno,

apresenta-se na Figura 5.12 as formas de onda de tensão no instante do primeiro e

do terceiro religamento. Distúrbios de tensão no segundo religamento não foram

observados tanto no local de realização dos ensaios como na subestação.

4.404 4.406 4.408 4.41 4.412 4.414

-15

-10

-5

Tempo (s)

Tensão

fase

(kV)

Fase A

Fase B

Fase C

9.896 9.898 9.9 9.902 9.904 9.906 9.908 9.91 9.912

-10

-5

Tempo (s)

Tensão

fase

(kV)

Fase A

Fase B

Fase C

Figura 5.12. Detalhe do distúrbio de tensão na primeira repetição de ensaio

oscilografado na subestação: (a) Primeiro religamento; (b) Terceiro religamento

Distúrbio

transitório

Distúrbio

transitório

Tensão de fase (kV)

(b)(a)

Corrente de linha (A)

A segunda repetição desse ensaio foi realizada seguindo os mesmos moldes

da primeira repetição e os valores de tensão e corrente foram oscilografados tanto

pela subestação como no local de execução dos ensaios. Da mesma maneira como

na primeira repetição, observou na tensão oscilografada no local de realização das

faltas a queda de tensão da fase faltosa e a sobretensão das demais fase. Ainda

com relação as tensões no local de falta, observaram-se distúrbios transitórios nos

instantes de religamento da chave. Para ilustrar esse comportamento, a Figura 5.13

ilustra as tensões para o instante de primeiro, segundo e terceiro religamento.

7.163 7.164 7.165 7.166 7.167 7.168 7.169 7.17 7.171 7.172 7.173

-10

-5

Tempo (s)

Tensão de fase (kV)

Fase A

Fase B

Fase C

9.914 9.916 9.918 9.92 9.922 9.924 9.926

-10

-5

Tempo (s)

Tensão de fase (kV)

Fase A

Fase B

Fase C

12.658 12.66 12.662 12.664 12.666 12.668 12.67 12.672 12.674

-10

-5

Nessa segunda repetição não foram observados distúrbios sensíveis de

tensão na subestação. Dessa maneira, apresenta-se na Figura 5.15 o gráfico das

correntes observadas no instante de queda do condutor ao solo oscilografada na

subestação.

2.16 2.17 2.18 2.19 2.2 2.21 2.22 2.23

-250

-200

-150

-100

-50

100

150

200

Tempo (s)

Corrente de linha (A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.15. Gráfico das correntes de linha observadas na subestação no instante

de queda do condutor ao solo.

As correntes observadas nos religamentos seguintes ao primeiro

desligamento foram cerca de duas vezes superiores a corrente apresentada na

Figura 5.15. Para ilustrar as correntes oscilografadas nos três religamentos,

apresenta-se na Figura 5.16 os seus respectivos gráficos.

3.75 3.8 3.85 3.9 3.95

-300

-200

-100

100

200

300

Como pode ser observada por meio dos gráficos da Figura 5.16, a amplitude

das correntes nos três religamentos foi aproximadamente a mesma, bem como o

tempo que a chave religadora requereu para abrir. As demais repetições forneceram

resultados semelhantes aos observados nas duas primeiras repetições. Assim, na

seqüência serão apresentados os gráficos de tensão e corrente observados tanto no

local de realização de ensaios como na subestação, no entanto, sem ressaltar os

detalhes destacados apresentados para a primeira e segunda repetição do ensaio.

Dessa maneira, apresenta-se na Figura 5.17 a forma de onda de corrente total

oscilografada no local dos ensaios destacando a forma de onda de corrente após a

queda do condutor ao solo para a terceira repetição.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-100

-50

100

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

3.99 4 4.01 4.02 4.03 4.04 4.05 4.06

-60

-40

-20

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.17. Forma de onda da corrente oscilografadas no local de ensaio para a

terceira repetição: (a) Forma de onda total; (b) Destaque para a corrente no instante

de queda de cabo ao solo.

A Figura 5.18 ilustra as mesmas correntes apresentadas na Figura 5.17

oscilografadas da subestação.

(a) (b)

Corrente de linha (A)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-300

-200

-100

100

200

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

3.38 3.39 3.4 3.41 3.42 3.43 3.44 3.45

-200

-150

-100

-50

100

150

200

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.18. Forma de onda oscilografadas na subestação para a terceira repetição:

(a) Forma de onda total; (b) Destaque para a corrente no instante de

queda de cabo ao solo.

O gráfico de corrente oscilografado no local da falta para a quarta repetição é

apresentado na Figura 5.19, destacando-se a corrente verificada após o contato do

condutor com o solo.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-150

-100

-50

100

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

5.7 5.71 5.72 5.73 5.74 5.75 5.76 5.77

-50

-40

-30

-20

-10

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.19. Forma de onda oscilografadas no local de falta para a quarta repetição:

(a) Forma de onda total; (b) Destaque para a corrente no instante

de queda de cabo ao solo.

Como podem ser observadas por meio das Figuras 5.17 e 5.19, as faltas

oscilografadas ocorreram com diferentes ângulos, permitindo assim que análises

com uma completude maior possam ser realizadas o que veio a ressaltar a

(b)

Corrente de linha (A)

(a) (b)

Corrente de linha (A)

(a)

importância da realização de diversas repetições para cada ensaio. Da mesma

maneira como realizado acima, apresenta-se na Figura 5.20 as mesmas correntes

oscilografadas por meio do sistema de medida instalado na subestação.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-300

-200

-100

100

200

300

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

3.28 3.29 3.3 3.31 3.32 3.33 3.34

-200

-150

-100

-50

100

150

200

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.20. Forma de onda oscilografadas na subestação para a quarta repetição:

(a) Forma de onda total; (b) Destaque para a corrente no instante

de queda de cabo ao solo.

Por fim, apresenta-se na Figura 5.21 a corrente oscilografada no local da

falta para a quinta e última repetição. Em adição, apresenta-se o transitório de

corrente observado para o segundo religamento.

5.18 5.19 5.2 5.21 5.22 5.23

-60

-40

-20

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

9.588 9.589 9.59 9.591 9.592 9.593 9.594 9.595

-200

-150

-100

-50

100

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.21. Forma de onda oscilografadas no local de falta para a quinta repetição:

(a) Destaque para a corrente no instante de queda de cabo ao solo; (b) Detalhe do

transitório de corrente observado no segundo religamento.

(a) (b)

Corrente de linha (A)

(a) (b)

Corrente de linha (A)

O transitório de corrente verificado no local de falta para a quinta repetição

não foi registrado na subestação conforme se destaca por meio dos gráficos da

Figura 5.22.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-300

-200

-100

100

200

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

100

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

3.95 4 4.05 4.1 4.15 4.2 4.25 4.3 4.35 4.4 4.45

-100

-50

100

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.23 – Corrente de linha oscilografadas no local da falta na primeira

repetição: (a) Corrente total oscilografada; (b) Detalhe da corrente após o toque do

cabo no solo.

Conforme se pode verificar por meio dos gráficos apresentados na Figura

5.23, no instante do primeiro religamento ocorreu um surto de corrente de elevada

magnitude. As correntes após o primeiro e o segundo religamento são apresentadas

graficamente por intermédio da Figura 5.24.

4.904 4.906 4.908 4.91 4.912 4.914 4.916 4.918 4.92

-400

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

100

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

25.08 25.1 25.12 25.14 25.16 25.18 25.2 25.22 25.24 25.26 25.28

-150

-100

-50

100

150

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

2.6 2.65 2.7 2.75 2.8 2.85 2.9 2.95 3

-300

-200

-100

100

200

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

3.5 3.55 3.6 3.65 3.7

-300

-200

-100

100

200

300

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

23.66 23.68 23.7 23.72 23.74 23.76 23.78 23.8 23.82 23.84

-300

-200

-100

100

200

300

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.25. Correntes oscilografadas na subestação para a primeira repetição: (a)

Corrente após a queda do condutor no solo; (b) Corrente após o primeiro

religamento; (c) Corrente após o segundo religamento.

Os distúrbios de tensão verificados no local da falta foram semelhantes aos

observados no ensaio apresentado no item anterior. Com relação a tensão

oscilografada na subestação não foram verificados distúrbios sensíveis na sua

respectiva forma de onda.

Os resultados obtidos por meio da segunda repetição se assemelharam com

os resultados relativos a primeira repetição. A semelhança foi observada tanto em

amplitude quanto em formato. Dessa maneira, apresenta-se de forma reduzida as

correntes oscilografadas no local de ocorrência da falta por meio da Figura 5.26.

5.35 5.4 5.45 5.5 5.55 5.6 5.65 5.7 5.75 5.8

-100

-50

100

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

6.3 6.35 6.4 6.45 6.5

-100

-50

100

4.5 4.55 4.6 4.65 4.7 4.75 4.8 4.85 4.9 4.95

-300

-200

-100

100

200

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

5.4 5.45 5.5 5.55 5.6

-300

-200

-100

100

200

300

4.51 4.52 4.53 4.54 4.55 4.56 4.57

-250

-200

-150

-100

-50

100

150

200

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

4.53 4.535 4.54 4.545 4.55

-300

-200

-100

100

200

300

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.28.

Correntes iniciais oscilografadas da subestação: (a) Primeira repetição;

(b) Segunda repetição; (c) Terceira repetição; (d) Quarta repetição.

Neste ensaio a chave religadora foi ajustada com o grupo de ajuste 3

(ANEXO IV), de maneira que após o primeiro desligamento, o primeiro religamento

ocorreria após 5 segundos e o segundo religamento após 10 segundos do segundo

desligamento. As condições de ensaio empregadas foram as mesmas utilizadas nos

ensaios descritos anteriormente no Item (A) e Item (B) e o número de repetições

realizadas totalizou três séries.

A corrente total oscilografada no local da falta na primeira repetição é

apresentada na Figura 5.29 com destaque para a corrente observada após a queda

do condutor no solo. Por meio da corrente total oscilografada se pode verificar a

operação da chave religadora e, por meio da corrente após o toque do condutor no

solo, observa-se a evolução temporal da corrente de falta para esse tipo de ensaio.

Corrente de linha (A)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-150

-100

-50

100

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

3.15 3.2 3.25 3.3 3.35 3.4 3.45 3.5 3.55 3.6

-100

-50

100

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.29.

Corrente de linha oscilografada no local da falta na primeira repetição:

(a) Corrente total oscilografada; (b) Detalhe da corrente

após o toque do cabo no solo.

Ainda com relação a Figura 5.29 observa-se que os valores de pico

aumentaram para cada religamento fato esse explicado pelo aquecimento do

sistema cabo-solo. A tensão no local da falta também fora também oscilografada e,

nos instantes de falta, os valores instantâneos se alteraram de maneira a se

observar subtensões na fase faltosa. Para ilustrar, apresenta-se na Figura 5.30 o

gráfico de tensão oscilografada no local da falta focando o surto de tensão no

instante do segundo religamento.

18.754 18.756 18.758 18.76 18.762 18.764 18.766

-10

-5

Tempo (s)

Tensão de fase (kV)

Fase A

Fase B

Fase C

Figura 5.30. Detalhe da tensão de fase oscilografada no local da falta na primeira

repetição no instante do segundo religamento.

(a) (b)

Corrente de linha (A)

Tensão de Fase (kV)

Nessa primeira repetição, a oscilografia realizada na subestação não

apresentou distúrbios sensíveis de tensão, sendo verificado apenas as correntes de

falta. Assim, apresenta-se na Figura 5.31 a corrente total oscilografada na

subestação destacando a corrente registrada após a queda do condutor no solo.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-300

-200

-100

100

200

300

(D) Religamento 0,5s – 30s (três lentas)

Nesse ensaio, como nos demais apresentados anteriormente, as condições

experimentais se mantiveram inalteradas. No entanto, o grupo de ajuste da chave

religadora foi alterado passando a ser o grupo de ajuste 4 (ANEXO IV). Por meio

desse grupo de ajuste, o primeiro religamento foi programado para ocorrer após 0,5

segundo após o primeiro desligamento e o segundo religamento ocorrendo após 30

segundos do segundo desligamento. Para verificar esse referido ajuste da chave

religadora, apresenta-se na Figura 5.33 o gráfico da corrente total oscilografada no

local do ensaio com destaque para a corrente registrada logo após a queda do

condutor no solo para a primeira repetição de um total de três.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

-150

-100

-50

100

150

Tempo (s)

Corrente de linha (A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

3.55 3.6 3.65 3.7 3.75 3.8 3.85 3.9 3.95 4 4.05

-100

-50

100

Tempo (s)

Corrente de linha (A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.33. Corrente de linha oscilografada no local da falta na primeira repetição:

(a) Corrente total oscilografada; (b) Detalhe da corrente após o toque do cabo no

solo.

Pode-se observar por meio da Figura 5.33(a) que os valores de pico

registrados para cada um dos instantes sofreu acréscimo nos seus valores absolutos

o que pode ser interpretado como sendo uma evolução temporal da falta em virtude

do aquecimento e acomodação mecânica na interface cabo-solo. Para destacar as

correntes registradas após o primeiro e o segundo religamento apresentam-se na

Figura 5.34 as referidas correntes.

(a) (b)

Corrente de linha (A)

4.55 4.6 4.65 4.7 4.75

-100

-50

100

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

34.7 34.75 34.8 34.85 34.9 34.95

-150

-100

-50

100

de religamento são também verificados na subestação, porém, de maneira menos

intensa conforme se apresenta na Figura 5.36.

34.68 34.681 34.682 34.683 34.684 34.685 34.686 34.687 34.688 34.689 34.69

-15

-10

-5

Tempo (s)

Tensão

fase

(kV)

Fase A

Fase B

Fase C

4.505 4.506 4.507 4.508 4.509 4.51 4.511 4.512 4.513 4.514 4.515

-15

-10

-5

Tempo (s)

Tensão

fase

(kV)

Fase A

Fase B

Fase C

Figura 5.36. Distúrbios de tensão observados na subestação nos instantes de

religamento da primeira repetição: (a) Primeiro religamento; (b) Segundo

religamento.

A segunda e terceira repetição apresentou resultados semelhantes aos

observados da primeira repetição. No entanto, cabe ressaltar que tais repetições

diferiram entre si quanto ao ângulo de falta como pode se observar por meio da

Figura 5.37.

3.575 3.58 3.585 3.59

-200

-150

-100

-50

100

150

200

três grupos de ajuste da chave religadora foram empregados nos ensaios de

maneira que os resultados obtidos serão apresentados nos itens que seguem.

(A) Religamento 1,5s – 2,5s – 2,5s (uma rápida e três lentas)

O grupo de ajuste da chave religadora empregado nesse primeiro ensaio foi

o grupo de ajuste 1 (ANEXO IV). Em virtude da máxima distância para a ocorrência

do arco elétrico ser de apenas alguns milímetros eventualmente o cabo tocou o solo,

fato este que não prejudicou a oscilografia das correntes de arco. Os valores de

máxima corrente observados nesses ensaios foram sensivelmente inferiores aos

registrados nos ensaios de curto fase-terra como pode ser observado por meio dos

gráficos da Figura 5.38.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-350

-300

-250

-200

-150

-100

-50

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

8.23 8.24 8.25 8.26 8.27 8.28 8.29 8.3

-25

-20

-15

-10

-5

os gráficos das correntes de faltas para os instantes temporais que sucederam o

primeiro, o segundo e o terceiro religamento.

9.9 10 10.1 10.2 10.3 10.4 10.5 10.6 10.7 10.8 10.9

-30

-20

-10

Tempo (s)

Corrente de linha (A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

13.88 13.89 13.9 13.91 13.92 13.93 13.94 13.95 13.96

-15

-10

-5

Como se pode observar por meio da Figura 5.40 não é possível identificar

visualmente o instante onde a falta ocorreu, pois nesse ensaio a corrente de falta

registrada possui amplitude igual ou inferior aos ruídos de oscilografia. No entanto,

essa limitação pode ser contornada se, ao invés de se utilizar os valores

instantâneos de corrente usar os valores eficazes em função do tempo para tais

grandezas elétricas. Dessa maneira, apresenta-se na Figura 5.41 o gráfico de

corrente eficaz de neutro para todo o intervalo de oscilografia.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Tempo (s)

Corrente eficaz de neutro (Arms

Figura 5.41. Corrente total oscilografada na subestação para a segunda repetição.

Como se observa por meio do gráfico da Figura 5.41, a identificação do

instante de ocorrência da falta para correntes de falta de baixa amplitude pode ser

facilitada quando o valor eficaz da corrente é empregado ao invés de se utilizar seu

valor instantâneo.

Como nas demais repetições a amplitude das correntes de falta apresentaram

patamares semelhantes a essa primeira repetição, os registros oscilografados serão

apresentados em termos da corrente eficaz de neutro observada no local de falta e

na subestação. Assim, tem-se na Figura 5.42 o gráfico da corrente de neutro eficaz

oscilografada no local da falta e na subestação para a terceira repetição.

Momento

que ocorreu

a falta

Corrente eficaz de neutro (A rms)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Tempo (s)

orren

e e

caz

e neu

rms

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Tempo (s)

Corrente

efica

tro

(Arms

Figura 5.42. Corrente eficaz de neutro para a terceira repetição: (a) Corrente no

local da falta; (b) Corrente na subestação.

Em virtude do nível de ruído na subestação ser superior ao verificado em

campo tem-se patamares diferentes de corrente eficaz de neutro no local da falta e

na subestação conforme se verifica na Figura 5.42. No entanto, para os instantes de

ocorrência de falta, os valores eficazes registrados foram muito próximos tanto em

magnitude quanto em formato. Para complementar a análise desse ensaio,

apresenta-se na Figura 5.43 o gráfico da corrente eficaz de neutro oscilografadas no

local da falta e na subestação para a primeira repetição.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Tempo (s)

orren

e e

caz

e neu

rms

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Tempo (s)

orren

e e

caz

e neu

rms

Figura 5.43.

Corrente eficaz de neutro para a primeira repetição: (a) Corrente no

local da falta; (b) Corrente na subestação.

(a) (b)

Corrente eficaz de neutro (A rms)

(a) (b)

Corrente eficaz de neutro (A rms)

(B) Religamento 0,5s – 20s (três lentas)

Neste ensaio os procedimentos experimentais empregados na sua execução

foram semelhantes aos utilizados na realização do ensaio descrito e apresentado no

Item (A) com exceção do grupo de ajuste da chave religadora. O ajuste utilizado na

chave religadora fora aqueles descrito no Anexo IV sob a denominação de grupo de

ajuste 2 (Anexo IV), o qual previa dois religamentos, sendo o primeiro após 0,5

segundo do primeiro desligamento e o segundo religamento após 20 segundos do

segundo desligamento.

Essa descrição de seqüência de operação pode ser observada por meio da

Figura 5.44 onde se apresenta a corrente total oscilografada no local da falta com

destaque para a corrente inicial do arco elétrico.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

-160

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Tempo (s)

Corrente eficaz de neutro (Arms

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Tempo (s)

Corrente eficaz de neutro (Arms)

Figura 5.45.

Corrente eficaz de neutro para a terceira repetição: (a) Corrente no

local da falta; (b) Corrente na subestação.

A segunda repetição desse ensaio não resultou em oscilografias tanto em

campo como na subestação de maneira que a apresentação dos registros de tensão

e corrente será omitido por não permitir análise de correntes de falta. Em

complemento a análise desse ensaio, apresenta-se na Figura 5.46 o valor eficaz das

tensões de fase registradas no local da falta para a terceira repetição.

5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

7.9

7.95

8.05

8.1

8.15

8.2

como na Fase C e sobretensões na Fase B. O mesmo fenômeno não se manifestou

de maneira tão sensível nas tensões oscilografadas na subestação.

O grupo de ajuste adotado para a chave religadora nesse ensaio foi o grupo

de ajuste 3 (Anexo IV), e os procedimentos experimentais empregados nas duas

repetições realizadas foram os mesmos adotados e descritos anteriormente.

Para ilustrar o comportamento das grandezas elétricas nesses ensaios,

apresenta-se na Figura 5.47 o gráfico de corrente obtido pela oscilografia efetuada

no local dos ensaios.

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100

-15

-10

-5

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.47. Oscilografia das correntes de linha registradas no local da falta

(primeira repetição).

Como pode ser observada por meio da Figura 5.47(a), a amplitude máxima

das correntes oscilografadas foi apenas poucas vezes superior ao ruído intrínseco

as medições. Assim, torna-se mais conveniente apresentar as formas de onda de

correntes em termos de seus valores eficazes do que em termos de seus valores

instantâneos. Dessa maneira, apresenta-se na Figura 5.48, os valores eficazes das

correntes oscilografadas no local da falta.

Corrente de linha (A)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10

Tempo (s)

Corrente eficaz (Arms)

0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 10

Para ilustrar os transitórios de tensão nos quatro instantes de desligamento,

apresenta-se na Figura 5.50 o gráfico das tensões para cada um dos referidos

instantes.

15.2 15.3 15.4 15.5 15.6 15.7 15.8

-10

-5

Tempo (s)

Tensão

fase

(kV)

Fase A

Fase B

Fase C

18.2 18.3 18.4 18.5 18.6 18.7

-10

-5

Tempo (s)

Tensão

fase

(kV)

Fase A

Fase B

Fase C

23.6 23.7 23.8 23.9 24 24.1

-10

-5

Tempo (s)

Tensão

fase

(kV)

Fase A

Fase B

Fase C

29.6 29.7 29.8 29.9 30 30.1 30.2

-10

-5

16.152 16.154 16.156 16.158 16.16 16.162 16.164 16.166

-15

-10

-5

Tempo (s)

Tensão

fase

(kV)

Fase A

Fase B

Fase C

20.142 20.144 20.146 20.148 20.15 20.152 20.154 20.156 20.158 20.16

-10

-5

Tempo (s)

Tensão

fase

(kV)

Fase A

Fase B

Fase C

25.575 25.58 25.585 25.59 25.595

-10

-5

Tempo (s)

Tensão

fase

(kV)

Fase A

Fase B

Fase C

Figura 5.51. Transitórios de tensão após os religamentos da chave religadora: (a)

Primeiro religamento; (b) Segundo religamento; (c) Terceiro religamento.

O sistema de medição da subestação não registrou a primeira falta. No

entanto, para a segunda repetiç

5.5 Falta Fase-Terra com Brita Seca

Os ensaios de curto-circuito fase-terra com condutor sobre brita foram

realizados com o objetivo de se verificar semelhanças e diferenças com os ensaios

de curto-circuito com condutor sobre solo seco. Em virtude da resistência média da

brita ser superior a resistência do solo seco, espera-se que as correntes de falta

possuam valores instantâneos inferiores a aqueles apresentados nos ensaios com

solo seco.

(A) Religamento Automático Bloqueado

Nesse primeiro ensaio a chave religadora foi ajustada conforme o grupo de

ajuste 1 (Anexo IV), no entanto, tendo o religamento automático bloqueado. Os

procedimentos experimentais adotados nesse ensaio foram semelhantes aos

utilizados nos ensaios de curto-circuito com solo seco a fim de se possibilitar uma

comparação com os primeiros ensaios.

Apresenta-se na Figura 5.53 a corrente de falta oscilografada no local da falta,

bem como se destaca a corrente logo após a queda do condutor ao solo até o

instante de bloqueio da chave religadora.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-20

-15

-10

-5

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

2.5 2.52 2.54 2.56 2.58 2.6 2.62 2.64

-15

-10

-5

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.53. Corrente oscilografada no local da falta: (a) Corrente total registrada;

(b) Detalhe da corrente de falta.

(a) (b)

Corrente de linha (A)

Pode-se verificar por meio dos gráficos da Figura 5.53 que além da corrente

de falta possuir valores pequenos, sua medida está comprometida por ruídos. Tais

ruídos dificultam a visualização das correntes de falta principalmente nas

oscilografias da subestação. Esse fato pode ser ilustrado conforme se faz por meio

da Figura 5.54 onde se apresentam os valores instantâneos das correntes de linha e

de neutro, bem como seus respectivos valores eficazes, medidos na subestação.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-250

-200

-150

-100

-50

100

150

200

250

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

100

120

140

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

-140

-120

-100

-80

-60

-40

-20

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

1.92 1.94 1.96 1.98 2 2.02 2.04 2.06

-90

-80

-70

-60

-50

-40

-30

-20

-10

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.55. Corrente oscilografada no local da falta na primeira repetição: (a)

Corrente total registrada; (b) Detalhe da corrente de falta.

As correntes observadas nos instantes de tempo que sucedem os

religamentos são importantes, pois fornecem informações da maneira como esse

tipo de falta evolui no tempo. Dessa maneira, apresenta-se na Figura 5.56 as

correntes que sucederam o primeiro e o segundo religamento nessa primeira

repetição.

3.6 3.7 3.8 3.9 4 4.1 4.2 4.3 4.4 4.5 4.6

-40

-30

-20

-10

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

100

150

Tempo (s)

Corrente

eficaz

(Arms)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.57. Correntes eficazes oscilografadas na subestação na primeira

repetição.

A segunda repetição realizada apresentou resultados semelhantes aos da

primeira repetição de maneira que se apresenta na Figura 5.58 o gráfico das

correntes eficazes registradas tanto no local da falta como na subestação.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tempo (s)

Corrente

efica

(Arms)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

100

150

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.58. Correntes eficazes oscilografadas na segunda repetição: (a) Correntes

eficazes no local da falta; (b) Correntes eficazes na subestação.

Pode-se verificar por meio dos gráficos da Figura 5.58 que o emprego do

valor eficaz na apresentação dos valores oscilografados constitui numa importante

ferramenta para análise e visualização de pequenas correntes de falta.

Corrente eficaz (Arms)

(a)

(b)

Corrente eficaz (Arms)

Da mesma maneira como realizada para a segunda repetição, tem-se na

Figura 5.59 o gráfico das correntes eficazes oscilografadas tanto na subestação

como no local da falta para a terceira repetição e na Figura 5.60 os referidos gráficos

para a quarta repetição.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tempo (s)

Corrente

efica

(Arms)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

100

150

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.59. Correntes eficazes oscilografadas na terceira repetição: (a) Correntes

eficazes no local da falta; (b) Correntes eficazes na subestação.

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

Tempo (s)

Corrente

efica

(Arms)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

100

120

140

160

distintos nas referidas repetições. Essas alterações podem em parte ser explicada

pelo fato de que as correntes de curto de uma dada repetição alteraram as

características do arranjo da brita, resultando novas condições experimentais para

as repetições que seguiram.

5.6 Falta Fase-Terra com Condutor Sobre a Cruzeta

O curto-circuito observado quando um condutor fase toca e repousa numa

cruzeta apresenta valores instantâneos de corrente muito pequeno e inferiores a

corrente de carga do alimentador, impedindo a identificação do curto por parte dos

dispositivos de proteção contra sobre corrente da subestação.

Assim, diversos ensaios de curto circuito fase-terra com condutor sobre a

cruzeta foram realizados a fim de se obter informações tanto quantitativas quanto

qualitativas sobre esse tipo de falta.

Os ensaios realizados foram divididos em dois grupos principais. No primeiro

grupo a chave religadora possuiu o religamento automático bloqueado, sendo que

no segundo esse recurso foi habilitado. Nos itens que seguem são apresentados os

resultados mais significativos registrados em cada repetição de ensaio executado.

(A) Religamento Automático Bloqueado

Nesse ensaio o religamento automático da chave religadora foi bloqueado e o

grupo de ajuste empregado correspondeu ao grupo de ajuste 1 (Anexo IV). A

preparação do ensaio se deu com o posicionamento do condutor fase sobre a

cruzeta ainda com a chave religadora aberta. Após a liberação por parte da Equipe

de Linha Viva a chave religadora foi fechada e os valores de tensão e corrente foram

oscilografados tanto no local da falta como na subestação. Devido a alta impedância

desse tipo de falta, as correntes oscilografadas apresentam valores ínfimos, o que

impede a distinção de sua ocorrência frente a oscilografia realizada conforme se

apresenta por meio da Figura 5.61.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

-10

-8

-6

-4

-2

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10

0.5

1.5

2.5

Tempo (s)

Corrente

eficaz

(Arms)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.61. Corrente oscilografada no local da falta na primeira repetição: (a)

Corrente total registrada; (b) Detalhe da corrente de falta.

(B) Religamento 1,5s – 2,5s – 2,5s (uma rápida e três lentas)

Neste ensaio o religamento automático da chave religadora foi habilitado e a

metodologia experimental manteve-se semelhante aquela adotada no ensaio

anterior. O número de repetições executadas totalizou duas séries sendo que a

corrente total oscilografada na primeira série é apresentada na Figura 5.62.

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

-100

-80

-60

-40

-20

Tempo (s)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50

Tempo (s)

Corrente

eficaz

(Arms)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.62. Corrente oscilografada no local da falta na primeira repetição: (a)

Corrente total registrada; (b) Corrente eficaz oscilografada.

(a) (b)

Instante de

ocorrência

da falta

Corrente de linha (A)

Corrente eficaz (Arms)

(a) (b)

Corrente de linha (A)

Corrente eficaz (Arms)

Como se pode observar por meio dos gráficos da Figura 5.62, os valores de

corrente de falta evoluíram em amplitude a cada religamento, sendo este um

possível indicativo de degradação térmica da cruzeta sob a qual o condutor foi

repousado. Na segunda repetição realizada, devido aos ventos verificados no local

da falta, o condutor fase sob ensaio tocou a mão francesa do poste resultando em

uma corrente de curto-circuito superior aquela freqüentemente registrada nos curtos-

circuitos fase-terra envolvendo a cruzeta. Ilustrando a corrente oscilografada nessa

repetição, apresenta-se na Figura 5.63 o gráfico da corrente total oscilografada no

local da falta, bem como o respectivo gráfico da corrente eficaz calculada.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-60

-40

-20

Tempo (s)

Corrente

linha

(A)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

Tempo (s)

Corrente

efica

(Arms)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.63. Corrente oscilografada no local da falta na segunda repetição: (a)

Corrente total registrada; (b) Corrente eficaz oscilografada.

Devido a magnitude das correntes verificadas nessa segunda repetição, a

oscilografia realizada da subestação forneceu resultados substanciais os quais são

apresentados graficamente por meio da Figura 5.64.

(a) (b)

Corrente de linha (A)

Corrente eficaz (Arms)

0 5 10 15 20 25

-250

-200

-150

-100

-50

100

150

200

250

Tempo (s)

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

0 5 10 15 20 25

100

150

Tempo (s)

()

Fase A

Fase B

Fase C

Neutro

Figura 5.64. Corrente oscilografada na subestação para a segunda repetição: (a)

Corrente total registrada; (b) Corrente eficaz oscilografada.

5.7 Falta Fase-Terra Lado Carga com Solo Seco

Nesse ensaio a chave religadora foi ajustada segundo o grupo de ajuste 1

(Anexo IV), tendo o religamento automático habilitado. Apresentando-se a corrente

total oscilografada no local da falta, tem-se a Figura 5.65, onde se destaca também a

corrente instantânea logo após o toque do condutor no solo.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

-80

-60

-40

-20

por meio dos seus valores eficazes. Assim, na Figura 5.66 tem-se o gráfico das

correntes eficazes registradas no local da falta para a primeira, a segunda e a

terceira repetição.

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0.5

1.5

2.5

3.5

Tempo (s)

Corrente

eficaz

(Arms)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0.5

1.5

2.5

3.5

Tempo (s)

Corrente

eficaz

(Arms)

0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20

0.5

1.5

2.5

Tempo (s)

Corrente

eficaz

(Arms)

Figura 5.66. Correntes de linha oscilografadas no local da falta: (a) Primeira

repetição; (b) Segunda repetição; (c) Terceira repetição.

Devido aos valores mínimos de corrente registrados nesse tipo de falta,

valores perceptíveis de corrente não foram registrados na oscilografia da

subestação, sendo necessário análises mais sofisticadas para se tecer conclusões

mais apuradas.

(a)

(b)

Corrente eficaz (Arms)

(c)

Corrente eficaz (Arms)

Conclusões

A execução de ensaios de faltas fase-terra de alta impedância em sistemas

de distribuição de energia elétrica requer um profundo planejamento para garantir a

segurança dos envolvidos com os mesmos, da população na vizinhança e do

sistema de distribuição de energia elétrica.

Nesta dissertação foram apresentadas estratégias experimentais que

permitiram a realização de cinco tipos de faltas de alta impedância, ou sejam, curto-

circuito fase-terra com solo seco, curto-circuito fase-terra (lado carga) com solo seco,

curto-circuito fase-terra com a brita seca, formação de arco elétrico entre fase e terra

com solo seco e curto-circuito fase-terra com condutor sobre a cruzeta.

Para cada tipo de ensaio mencionado anteriormente, as grandezas elétricas

de tensões e correntes foram mensuradas através de oscilógrafos digitais

posicionados em dois locais diferentes, sendo um desses na Subestação Rio Claro 3

e o segundo no próprio ramal onde os ensaios foram realizados. Tais procedimentos

permitiram a aquisição e a disponilização de diversos dados experimentais

envolvidos com as situações de faltas de alta impedância.

Mais especificamente, registrou-se de forma detalhada o comportamento

envolvido com as correntes de baixas amplitudes envolvidas em tais situações,

sendo as mesmas de difícil detecção pelo sistema de proteção de falta de alta

impedância convencional, com destaque também para as baixíssimas correntes de

falta fase-terra do lado carga. Para cada tipo de ensaio realizado, disponibilizou-se

ainda um conjunto de 4 grupos de ajustes diferentes da proteção a montante do

ponto de defeito, tendo os mesmos tempos de religamentos distintos.

Em suma, as estratégias apresentadas no decorrer da dissertação fornecem

os procedimentos passo a passo para a realização de ensaios de faltas de alta

impedância, servindo também de subsídios para a execução de novos ensaios e

contribuindo ainda no aprimoramento de técnicas e equipamentos eficazes para a

detecção desses tipos de falta. Entre as diversas contribuições da dissertação, pode-

se pontuar as seguintes:

• Disponibilização da seqüência passo a passo para a realização de ensaios

experimentais envolvendo faltas de alta impedância em linhas aéreas de

distribuição, tanto do ponto de vista operacional como metodológico.

• Fornecimento de um conjunto expressivo de medições reais de grandezas

elétricas relacionados aos diversos tipos de faltas que foram realizadas

durante os ensaios experimentais.

• Disponibilização de requisitos exigidos aos equipamentos de oscilografias

quando de suas aplicações em registros de grandezas elétricas envolvidas

com as faltas de alta impedância.

• Contemplação de aspectos de segurança a serem observados quando da

realização de ensaios de faltas de alta impedância, assim como dos

grupos de ajustes pertinentes aos dispositivos de proteção.

Outro aspecto importante advindo das estratégias experimentais

apresentadas é que todos os ensaios efetivados foram realizados utilizando os

próprios TCs e TPs disponíveis na própria concessionária, evitando o uso de

equipamentos especiais para tais propósitos.

Como trabalhos futuros a serem explorados, os resultados experimentais

disponibilizados, os quais envolvem oscilografias reais de tensões e correntes

referentes as diversas faltas efetuadas, podem ser utilizados para a investigação de

métodos mais precisos de identificação e localização de faltas, especialmente

aqueles baseados em sistemas inteligentes.

101

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105

Anexo I – Aspectos Relacionados aos

Oscilógrafos

I.1 Visão Geral do Equipamento

A visão geral do equipamento de medição Yokagawa (Linha 708E,

modelo 7018020) é mostrada através das Figuras I.1 a I.4. Em relação a Figura

I.1, mostra-se a parte frontal do equipamento, a qual comporta as teclas e

botões que permitem o ajuste das funcionalidades do mesmo.

Figura I.1. Painel frontal do equipamento de medição.

106

A partir da numeração inserida na Figura I.1, observa-se que os

principais dispositivos e teclas que compõem a parte frontal do equipamento

são os seguintes:

1. Tela LCD: Permite a visualização dos sinais aquisitados.

2. Tecla ESC: Fecha menus pop-up’s ou menus referentes as teclas.

3. Botão e Anel de Movimento: Altera valores selecionados ou movimenta o

cursor. O anel externo incrementa mais rapidamente os ajustes.

4. Menu Vertical: Usado para ajustes do eixo vertical.

5. Menu Horizontal: Usado para ajustes do eixo horizontal.

6. Menu Trigger: Usado para ajustes do Trigger.

7. Terminal Funcional Terra e Saída COMP: Conexão terra e sinais de saída

usados para compensação da ponta de prova.

8. Teclas de Funções: Mostra o menu correspondente a cada tecla.

9. Teclas de Menu: Acessa os itens correspondentes mostrados na tela.

A Figura I.2 mostra uma visão geral da parte lateral esquerda do

equipamento, a qual é destinada ao acoplamento de diversos dispositivos de

entrada e saída de dados, permitindo a interligação do equipamento com

outros componentes.

107

Figura I.2. Painel lateral esquerdo do equipamento de medição.

Por intermédio da numeração inserida na Figura I.2, observa-se que os

principais conectores de entrada e saída presentes na parte lateral esquerda do

equipamento são:

1. Conector GP-IB: Permite a conexão com uma interface externa.

2. Drive de Disquete: Possibilita o acesso a uma unidade de disco flexível.

3. Saída de Vídeo: Permite a conexão com outra unidade de vídeo.

4. Conector RS-232: Permite a conexão com uma interface externa.

5. Conector SCSI: Conecta a um disco rígido externo ou outra interface externa.

6. Conector Centronics: Conecta impressora utilizando um conector Centronics.

7. Terminal de Saída Trigger: Disponibiliza um sinal de trigger para o acoplamento

de outros equipamentos que devem estar em sincronia com o oscilógrafo.

8. Terminal de Entrada de Relógio Externo: Permite o uso de relógio externo para

a sequencialização das operações internas do equipamento.

108

9. Conector de Energia: Possibilita a entrada de energia elétrica no equipamento.

10. Interruptor de Energia: Possibilita o ligamento e o desligamento do

equipamento.

11. Ventilação: Permite manter a temperatura interna do equipamento em níveis

compatíveis para o seu funcionamento adequado. A Figura I.3 mostra uma visão

geral do painel lateral direito do equipamento, o qual é destinado principalmente ao

acoplamento de pontas de prova e cabos de medição, possibilitando que a aquisição

de sinais seja feita pelo equipamento.

Figura I.3. Painel lateral direito do equipamento de medição.

Em relação a Figura I.3, observa-se que esta parte do oscilógrafo permite as

conexões dos seguintes dispositivos:

1. Terminais de Entrada: Conexão de pontas de prova e cabos de medidas.

109

2. Terminais Funcionais de Terra: Acoplamento de terra externo.

A Figura I.4 mostra em destaque a parte superior do equipamento de

medição.

Figura I.4. Vista superior do equipamento de medição.

Por intermédio da Figura 1.4, nota-se que a parte superior do equipamento é

composta pelos seguintes acessórios:

1. Impressora Interna: Utilizada para imprimir os gráficos mostrados no LCD.

2. Alça de Locomoção: Usada para transportar o oscilógrafo.

I.2 Características Funcionais dos Equipamentos

Todas as características funcionais do oscilógrafo podem ser acessadas

através dos botões, teclas e menus que compõem o painel frontal do equipamento.

A Figura I.5 mostra o menu vertical com as suas principais teclas e botão.

110

Figura I.5. Vista frontal do menu vertical do equipamento de medição.

Nesta figura as teclas rotuladas de CH1 a CH8 acessam o menu de ajuste de

cada canal. Tais acessos permitem habilitar/desabilitar o respectivo canal, ajustar

diversas características intrínsecas do canal, tais como tensão offset, acoplamento,

atenuação de ponta de prova, pré-ajustes, limite da largura de banda, inversão e

valores de escala. Permite também selecionar o canal para se operar com o botão

V/DIV. Quando um canal é ligado, o LED acima da respectiva tecla é aceso.

Em relação ao botão V/DIV a sua função consiste de ajustar a sensibilidade

do eixo de tensão. Antes de girar este botão, deve-se selecionar a canal o qual se

quer ajustar, pressionando sua tecla correspondente. No caso de se mudar a escala

quando a aquisição estiver suspensa, o novo valor torna-se eficaz quando a

aquisição recomeçar.

Em relação ao menu horizontal que também compõe o painel frontal do

oscilógrafo, a Figura I.6 ilustra o único botão associado ao mesmo.

111

Figura I.6. Vista frontal do menu horizontal do equipamento de medição.

Em referência ao botão rotulado TIME/DIV, o mesmo é usado para ajustar a

escala de tempo. Alterando a escala enquanto a aquisição estiver suspensa, o novo

valor se torna efetivo quando as aquisições recomeçarem.

Em relação ao menu de Trigger, o mesmo é composto de três teclas

conforme apresentadas na Figura I.7.

Figura I.7. – Vista frontal do menu de trigger do equipamento de medição.

Neste menu a tecla SIMPLE aciona o menu para o trigger simples, o trigger e

sua fonte. O modo de Trigger simples está selecionado quando o indicador

localizado acima estiver iluminado. A tecla ENHANCED habilita o menu de trigger

avançado para ajuste complexo de trigger, sendo que este modo está ativado

quando o indicador localizado acima estiver iluminado. A tecla POSITION/DELAY é

usada para ajustar a posição de trigger ou intervalo de trigger. O indicador TRIG´D

acende quando o trigger é ativado.

112

Algumas outras teclas que compõem o equipamento de medição são

apresentadas na Figura I.8.

Figura I.8 – Vista frontal das teclas de funcionalidades do equipamento de medição.

Em relação a Figura I.8 as funcionalidades das teclas acima referenciadas

são as seguintes:

Tecla MEASURE: Aciona o menu para executar a medida automática de parâmetros

da forma de onda.

Tecla CURSOR: Aciona o menu para medida do cursor.

Tecla MATH: Aciona o menu para computação da forma de onda.

Tecla HISTORY: Aciona o menu para recuperar dados da memória de histórico.

Tecla ZOOM: Aciona o menu para ajuste de zoom.

Tecla DISPLAY: Aciona a tela do menu display. Para reproduzir o menu para ajuste

de display X-Y, pressionar SHIFT + DISPLAY.

Tecla SETUP: Aciona o menu de auto-ajuste que configura automaticamente as

teclas para valores apropriados de acordo com o sinal de entrada e o menu de

inicialização que restaura as configurações padrões para as de fábrica. Para

mostrar o menu de calibração na tela pressionar SHIFT + SETUP.

113

Tecla ACQ: Mostra o menu de método de aquisição.

Tecla START/STOP: Inicia ou interrompe uma aquisição de acordo com a

modalidade de Trigger selecionada. O indicador acima desta tecla é iluminado

durante a aquisição.

Tecla RESET: Restaura os valores alterados pelo botão de movimento e anel

seletor.

Tecla SELECT: Ativa o item de menu selecionado pelo botão de movimento e anel

seletor.

Setas (Teclas < >): Usadas para deslocar a posição da coluna do valor numérico a

ser ajustado pelo botão de movimento e anel seletor.

Tecla SNAP SHOT: Repete aquisições enquanto indica a atual forma de onda na

tela.

Tecla CLEAR: Apaga a atual forma de onda mostrada.

Tecla COPY: Usada para impressão dos dados da tela. Pressionando

SHIFT+COPY, pode-se salvar ou imprimir a imagem da tela. Pode-se usar

impressora interna, GP-IB interface, disquete, MO ou SCSI externo como destino

do arquivo.

Tecla FILE: Mostra o menu usado para salvar, carregar ou executar operações em

arquivos no drive de disquete, disco MO, ou dispositivo SCSI externo.

Tecla MISC: Indica o menu para selecionar a opção GO/NO-GO, a inteface GP-IB,

os ajustes da configuração de sistema, a verificação do status de sistema, o

ajuste da proteção de tela, e a função de auto-diagnóstico.

Tecla SHIFT+CLEAR: Apaga o estado remoto.

Tecla HELP: Liga ou desliga a janela de ajuda.

114

Tecla SHIFT: Usado para utilizar as funções marcadas em roxo no painel.

Pressionando a tecla SHIFT o modo SHIFT é ativado, pressionando–a

novamente, torna-se inativo. O modo SHIFT está selecionado quando o indicador

localizado acima estiver aceso.

O Botão de movimento e o anel seletor são usados para ajustar valores

numéricos, mover os cursores de medida, selecionar itens dos menus, e executar

outras operações de seleção. O botão de movimento muda o valor em passos fixos,

quando é girado. Com o anel seletor, o tamanho do passo aumenta mais

rapidamente enquanto o anel é girado.

Figura I.9. Vista frontal da tela de medição com seus diversos parâmetros de status.

Todas as medições que são executadas pelo equipamento são registradas

em sua tela de visualização. A Figura I.9 ilustra uma tela de medição com os seus

115

principais indicadores de status de parâmetros. Por intermédio da numeração

inserida na Figura I.9., tem-se as seguintes indicações:

1. V/DIV: Indica a sensibilidade do eixo de tensão do canal selecionado.

2. Modo de Aquisição: Indica quando o modo de aquisição que está sendo

utilizado.

3. Posição da Barra na Tela: Indica as posições de trigger e de zoom,

conforme mostrados na ilustração da Figura I.10.

Figura I.10. Ilustração da posição da barra na tela.

4. T/DIV, Taxa de Amostragem: A taxa de amostragem varia de acordo com o

ajuste T/DIV e o tamanho do registro.

5. Nível Ground: Indica a posição do nível de terra.

6. Posição Vertical: Indicador de posicionamento vertical.

7. Formato do display: A forma de onda mostrada na tela pode ser dividida em 1, 2,

3, 4, 6 ou 8 seções.

8. Nível de Trigger: Indicador da posição de ocorrência de trigger.

9. Estado de Aquisição: Corresponde a um dos seguintes status:

Running: aquisição está em andamento.

Stopped: aquisição está interrompida.

Auto Calibration: auto calibração.

116

Waiting for trigger: aguardando trigger.

10. Número de Aquisições: Indica o número de aquisições executadas é mostrado.

11. Comentário: Indica o comentário que será adicionado aos dados das telas que

estiverem sendo exportadas, por exemplo, para a impressora interna.

12. Data/Hora: Mostra a data e hora.

13. Teclas de Menu: Altera os formatos dos procedimentos computacionais gráficos

do equipamento.

14. Data/Hora da Conclusão: Indica o horário da finalização da aquisição de dados.

I.3 Procedimentos de Inicialização e Interrupção de Aquisição

Os procedimentos de inicialização e interrupção de uma aquisição podem ser

realizados de várias formas. Os três principais métodos que são utilizados para

iniciar e interromper uma aquisição de dados são os seguintes:

1. Usando a tecla de START/STOP: Os dados são continuamente adquiridos e

exibidos de acordo com o modo de Trigger.

2. Usando a tecla de menu “Single Start” no modo ACQ: Pressionando as teclas

para alterar o modo Trigger para normal. Quando um Trigger é ativado, o tamanho

do registro de dados específico é uma vez adquirido e a forma de onda é exibida.

3. Usando a tecla de menu “Log Start” no modo ACQ: Pressionando as teclas

para desabilitar o modo Trigger. O tamanho do registro de dados específico é uma

vez adquirido e a forma de onda é exibida.

Quando a exibição está em modo de rolagem, as operações

“Single Start”

ou “Log Start” são dadas como se segue.

117

Apertando a tecla de menu

“Single Start”, o modo de Trigger é fixado para

modo Normal. Depois de aquisitar a quantidade de dados especificada a partir da

ativação do Trigger, a exibição da forma de onda é interrompida.

Apertando a tecla de menu

“Log Start”, o modo de Trigger é desabilitado.

Depois de aquisitar a quantidade de dados especificada, a exibição da forma de

onda é interrompida.

Iniciando e interrompendo enquanto a aquisição está em andamento

Interrompendo a aquisição, interromperão também temporariamente a

acumulação de dados. Recomeçando a aquisição irá também recomeçar a

acumulação a partir do ponto o qual a aquisição foi paralisada.

Iniciando e interrompendo a aquisição durante os Modos Averaging ou

Sequential

Interrompendo uma aquisição também irá interromper o processamento dos

dados. Recomeçando uma aquisição irá iniciar, do zero, o processamento dos

dados.

Fixando o modo de aquisição da forma de onda ao ligar-se o aparelho

Pode-se selecionar ou não começar uma aquisição de forma de onda

quando o interruptor de energia for ligado. Por exemplo, pode-se fixar este modo

para ON caso se queira começar a aquisição de forma de onda quando o aparelho é

ligado após uma queda de energia.

119

Anexo II – Detalhes do Alimentador de

Distribuição de Energia Elétrica

Os ensaios experimentais foram todos realizados no Alimentador 30 da

Subestação Rio Claro 03, situada na cidade de Rio Claro – SP, entre os dias 18 e 20

de maio de 2004. Os registros dos sinais de corrente e tensão foram realizados

através de dois oscilógrafos Yokogawa, linha DL 708 E, modelo 7018020-1-D-

HF/M2/C8/G2/F2, sendo que um oscilógrafo ficou posicionado na subestação Rio

Claro 03 e o outro no próprio local de ocorrência das faltas. Os detalhes envolvendo

as características e funcionalidades desses equipamentos são detalhadamente

abordados no capítulo anterior. A Tabela II.1 mostra detalhes de identificação do

alimentador piloto.

Tabela II.1. Identificação do alimentador Piloto.

Denominação do

Alimentador

Alimentador 30

Origem do Alimentador Subestação Rio Claro 03

Cidade do Alimentador Rio Claro – SP

Tipo do Alimentador Aéreo, Trifásico, Sem Condutor Neutro,

Ramificado.

Tensão Nominal 13,8 kV – 60 Hz

Trechos Troncos Trechos 1-15a Æ condutores CAA 336 MCM

Trechos 16-42

Æ condutores CAA 2/0 AWG

Trechos Ramais Condutores CAA 2 AWG

Empresa Proprietária ELEKTRO – Eletricidade e Serviços S/A

120

As informações pertinentes as características do transformador de potência

suprindo o alimentador piloto são apresentadas na Tabela II.2.

Tabela II.2. Identificação do transformador de potência.

Potência Nominal 25/33.3 MVA

Origem do Alimentador Subestação Rio Claro 03

Tensão Nominal 138 – 3,8 kV

Tipo de Ligação Y

– Y

– D

Impedância 10,5 – 13,9 % (Primário – Secundário)

Aterramento do Lado BT Direto

Em referência as potências de curto-circuito do sistema a Tabela II.3 descreve

os valores associados as mesmas.

Tabela II.3. Identificação das potências de curto-circuito.

Local Primário do Transformador da SE Rio Claro 03

CC-3F

1613,8 MVA (-71,5º)

CC-1F

1093,2 MVA (-75,2º)

Potência de Base 100 MVA

Tensão de Base 138 kV

Os parâmetros referentes as características dos condutores, tais como a

resistência por unidade de comprimento (Ohms/km) e a indutância por unidade de

comprimento em (H/km), são mostrados na Tabela II.4.

121

Tabela II.4. Parâmetros referentes as características dos condutores.

Condutor

(Ω) R

(Ω) X

(Ω)

2 AWG 1,0500 1,2300 0,5290 2,0980

2/0 AWG 0,5560 0,7500 0,5130 2,0770

336 MCM 0,1900 0,3680 0,3960 1,9600

O carregamento típico da corrente de fase na origem do alimentador piloto é

ilustrado por intermédio da Figura II.1.

CORR1DL30

0,00

20,00

40,00

60,00

80,00

100,00

120,00

140,00

160,00

1 238 475 712 949 1186 1423 1660 1897 2134 2371 2608 2845 3082 3319 3556 3793 4030 4267 4504 4741 4978 5215 5452 5689 5926 6163

Figura II.1. Carregamento típico da corrente de fase na origem do alimentador

piloto.

123

Anexo III – Execução das Atividades de

Pré-ensaios

O período de pré-ensaios foi de fundamental importância, pois todas as

correções e definições foram então consolidadas.

Durante os pré-ensaios a chave corta-circuito localizada na saída do ramal

destinado aos ensaios estava aberta, porém, os testes de manipulação dos

condutores foram feitos utilizando procedimentos de linha viva.

A execução dos pré-ensaios foi de fundamental importância para a definição

dos procedimentos de ensaio, dos equipamentos a serem empregados e das

posições de cabo ao solo que deveriam ser observadas durante a execução dos

ensaios experimentais. Todos esses aspectos foram registrados por fotografias e

são descritos neste anexo.

III.1 SIMULAÇÃO DE FALTAS (CURTOS-CIRCUITOS) FASE-TERRA

Os procedimentos adotados durante a simulação dos ensaios de faltas

(curtos-circuitos) fase-terra fizeram uso da equipe de linha viva que foram

acompanhados pela Equipe de Manutenção de Equipamentos Especiais, pelos

responsáveis técnicos das áreas de proteção do sistema, pelos técnicos da área de

operação, pelos técnicos de manutenção de rede e por técnicos da área de

segurança do trabalho.

O procedimento básico para a realização desse tipo de ensaio constituiu na

manipulação do condutor de fase utilizado para simular a falta. O referido condutor

foi sustentado por meio de uma roldana fixada na cruzeta substituindo a cadeia de

124

isolador uma vez que se tratava de um poste de fim de linha. Na sua extremidade, o

condutor foi preso por uma corda isolante utilizada, geralmente, nos serviços de

linha viva e a sustentação mecânica do cabo ficou a cargo do eletricista situado no

cesto do caminhão de linha viva. Para ilustrar adequadamente tal procedimento,

apresenta-se na Figura III.1 uma foto panorâmica da situação ora comentada.

Figura III.1. Manipulação do condutor durante a simulação do curto fase-terra.

Para detalhar o sistema de roldana empregado ao longo dos pré-ensaios,

bem como durante os ensaios, apresenta-se na Figura III.2 uma foto destacando o

referido sistema.

Figura III.2. Detalhe da corda e roldana durante a manipulação do condutor na

simulação do curto fase-terra.

125

Para facilitar a manipulação da corda durante os ensaios, a corda foi

atravessada por uma cinta fixada no poste a uma altura de aproximadamente de um

metro e vinte centímetros conforme apresentado na Figura III.3.

Figura III.3. Detalhes da cinta de passagem; (a) Fixação da cinta; (b) Inserção da

corda pela cinta de passagem.

Após a passagem pela cinta, a corda foi segura por dois eletricistas que

controlaram a porção de cabo em contato com o solo além de auxiliar no

restabelecimento do condutor a posição original conforme se destaca por meio da

Figura III.4.

Figura III.4. Eletricista sustentando o condutor fase durante os pré-ensaios

de faltas fase-terra.

126

A queda do cabo ao solo era executada soltando-se a corda de sustentação

do cabo e o próprio peso do condutor era responsável por dar início a sua queda,

simulando dessa forma uma situação real de falta fase-terra com condutor sobre o

solo. Para ilustrar a dinâmica de queda do condutor sobre o solo, apresenta-se na

Figura III.5(a) o condutor sob ensaio em queda livre instantes depois de sua soltura,

na seqüência, na Figura III.5(b) o referido cabo repousando sobre o solo.

Figura III.5. Simulação de queda de condutor ao solo; (a) Cabo em queda livre; (b)

Cabo repousado ao solo após a queda.

Inúmeras simulações de queda de condutor ao solo foram realizadas com o

objetivo de se determinar o local onde o cabo tocaria o solo, bem como para se

verificar a coerência das medidas de seguranças planejadas.

III.2 DELIBERAÇÕES E CRITÉRIOS

Durante os pré-ensaios, além da preparação com a linha desenergizada,

analisou-se e buscou-se tomar as decisões, critérios e posicionamentos que

garantissem efetivamente os ensaios e a segurança de todos os envolvidos,

inclusive dos consumidores conectados no Alimentador 30 da ELEKTRO. Diante

disso alguns critérios foram deliberados em reunião conjunta.

127

Dentre as referidas deliberações pode-se destacar a maneira como os

ensaios seriam iniciados. Assim, ficou acordado que o cabo somente seria solto

após uma sinalização sonora (buzina) que ficaria num local estratégico e audível a

todos. O acionamento desta buzina só ocorreria quando todos os responsáveis

definidos previamente confirmassem e liberassem suas tarefas. Entre estes

operadores pode-se citar o operador do oscilógrafo no local de ensaio e da

subestação, o operador do religador automático no local de ensaio, o responsável

pela equipe da linha viva, o responsável pela Segurança do Trabalho, o

Responsável pela Defesa Civil, o Responsável pela isolação do local de queda do

cabo e o responsável pela posição segura das demais pessoas envolvidas.

Outros aspectos abordados em reunião após os pré-ensaios foi o

levantamento de todas as necessidades, contatos internos e externos a ELEKTRO,

apoios, materiais de qualquer natureza, entre outros, de maneira que se definiu o

respectivo responsável para cada item citado.

129

Anexo IV – Ajustes dos Equipamentos de

Proteção

GRUPO DE AJUSTES 1

130

GRUPO DE AJUSTES 2

131

GRUPO DE AJUSTES 3

132

GRUPO DE AJUSTES 4

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