miniaturadaimagem| Relés de proteção eletromecânicos em uma usina hidrelétrica . Os relés estão em caixas redondas de vidro. Os dispositivos retangulares são blocos de conexão de teste, usados para testar e isolar circuitos de transformadores de instrumentos.
Em engenharia elétrica, um relé de proteção é um dispositivo projetado para desarmar um disjuntor quando uma falha é detectada no sistema. Os primeiros relés de proteção eram dispositivos eletromagnéticos, compostos por bobinas que operavam em peças móveis, com a finalidade de detectar condições operacionais anormais, como sobrecorrente, sobretensão, fluxo de energia reverso, sobrefrequência e subfrequência. Esses relés eram essenciais para proteger os sistemas elétricos contra falhas e evitar danos a equipamentos e instalações.
Os relés de proteção digitais de estado sólido, baseados em microprocessadores, não apenas emulam os dispositivos eletromecânicos originais, mas também oferecem tipos de proteção e supervisão que seriam impraticáveis com relés eletromecânicos. Enquanto os relés eletromecânicos fornecem apenas indicações básicas sobre a localização e origem de uma falha, um único relé microprocessado pode realizar funções que, de outra forma, exigiriam dois ou mais dispositivos eletromecânicos. Ao integrar várias funções em um único dispositivo, os relés numéricos também proporcionam economia de custos de capital e manutenção em comparação com os relés eletromecânicos. No entanto, devido à sua longa vida útil, dezenas de milhares desses "sentinelas silenciosas" ainda protegem linhas de transmissão e equipamentos elétricos ao redor do mundo. Para linhas de transmissão e geradores críticos, as instalações podem contar com cubículos dedicados à proteção, que podem conter muitos dispositivos eletromecânicos individuais ou, em alguns casos, um ou dois relés microprocessados.
A teoria e a aplicação dos dispositivos de proteção são componentes essenciais da formação de um engenheiro de energia especializado em proteção de sistemas de energia. A necessidade de agir rapidamente para proteger circuitos e equipamentos exige que os relés de proteção respondam e disparem os disjuntores em questão de milésimos de segundo. Em alguns casos, esses tempos de atuação são especificados por regulamentações ou normas operacionais. Para garantir que os sistemas de proteção estejam funcionando corretamente, é essencial um programa de manutenção ou teste contínuo, que avalie o desempenho e a disponibilidade desses sistemas, assegurando que estejam prontos para atuar quando necessário.
Com base na aplicação final e na legislação aplicável, vários padrões como ANSI C37.90, IEC255-4, IEC60255-3 e IAC regem o tempo de resposta do relé às condições de falha que podem ocorrer.
Princípios de operação Os relés de proteção eletromecânicos operam por atração magnética ou indução magnética. Ao contrário dos relés eletromecânicos do tipo comutação, que possuem limites de tensão operacional e tempos de operação fixos e frequentemente imprecisos, os relés de proteção são projetados com características operacionais de tempo e corrente (ou outro parâmetro relevante) claramente definidas, selecionáveis e ajustáveis. Esses relés de proteção podem incorporar diversos componentes, como conjuntos de discos de indução, polos sombreados, ímãs, bobinas de operação e restrição, solenóides, contatos de relé telefônico e redes de mudança de fase, para garantir a precisão e a eficácia na detecção de falhas e no disparo de disjuntores.
Os relés de proteção também podem ser classificados com base no tipo de medição que realizam. Um relé de proteção pode responder à magnitude de uma grandeza específica, como tensão ou corrente. Relés de indução, por exemplo, podem responder ao produto de duas grandezas em bobinas de campo, o que pode representar, por exemplo, a potência em um circuito. Esse tipo de medição permite que os relés monitorem variáveis interdependentes, oferecendo uma proteção mais refinada para o sistema elétrico, adaptando-se a diferentes condições operacionais e tipos de falhas.
"Não é prático fazer um relé que desenvolva um torque igual ao quociente de duas grandezas CA. Isso, no entanto, não é importante; a única condição significativa para um relé é sua configuração e a configuração pode ser feita para corresponder a uma razão independentemente dos valores dos componentes em uma ampla faixa."
Várias bobinas de operação podem ser utilizadas para fornecer "polarização" ao relé, permitindo que a sensibilidade da resposta em um circuito seja controlada por outra grandeza. Isso significa que a operação do relé pode ser ajustada para responder de maneira mais precisa a diferentes condições de falha ou operação. Além disso, diversas combinações de "torque de operação" e "torque de restrição" podem ser geradas no relé, o que possibilita um controle refinado da atuação do dispositivo. O "torque de operação" é responsável por acionar o relé em resposta a uma falha, enquanto o "torque de restrição" atua para evitar disparos falsos, garantindo que o relé só dispare quando necessário.
Com o uso de um ímã permanente no circuito magnético, um relé pode responder de forma diferente à corrente em uma direção em comparação com a outra. Esses relés polarizados são especialmente úteis em circuitos de corrente contínua, sendo capazes de detectar, por exemplo, corrente reversa em um gerador. Um relé polarizado pode ser biestável, o que significa que mantém um contato fechado mesmo sem corrente na bobina e só exige corrente reversa para reiniciar sua operação. Para circuitos de corrente alternada (CA), o princípio é expandido com um enrolamento polarizador conectado a uma fonte de tensão de referência, permitindo que o relé responda de maneira distinta às diferentes fases da corrente alternada. Isso melhora a precisão e a flexibilidade do sistema de proteção, adaptando-se às características específicas de cada tipo de corrente.
Contatos leves produzem relés sensíveis que operam rapidamente, mas contatos pequenos não conseguem conduzir ou interromper correntes pesadas. Muitas vezes, o relé de medição acionará relés de armadura auxiliares do tipo telefone.
Em uma grande instalação de relés eletromecânicos, seria difícil determinar qual dispositivo originou o sinal que disparou o circuito. Essas informações são úteis para que o pessoal operacional determine a causa provável da falha e evite sua recorrência. Os relés podem ser equipados com uma unidade de "alvo" ou "bandeira", que é liberada quando o relé opera, para exibir um sinal colorido distinto quando o relé dispara.
Tipos de acordo com a construção
Eletromecânico Os relés eletromecânicos podem ser classificados em vários tipos diferentes, como segue: armadura atraída bobina móvel indução operado por motor mecânico térmico Os relés do tipo "armadura" têm uma alavanca articulada apoiada em uma dobradiça ou pivô de lâmina, que carrega um contato móvel. Esses relés podem funcionar em corrente alternada ou contínua, mas para corrente alternada, uma bobina de sombreamento no pólo é usado para manter a força de contato durante todo o ciclo de corrente alternada. Como o espaço de ar entre a bobina fixa e a armadura móvel se torna muito menor quando o relé é operado, a corrente necessária para manter o relé fechado é muito menor do que a corrente para operá-lo pela primeira vez. A "relação de retorno" ou "diferencial" é a medida de quanto a corrente deve ser reduzida para reiniciar o relé.
Uma aplicação variante do princípio de atração é o operador do tipo êmbolo ou solenoide. Um revezamento de palheta é outro exemplo do princípio da atração.
Os medidores de "bobina móvel" usam um laço de voltas de fio em um ímã estacionário, semelhante a um galvanômetro, mas com uma alavanca de contato em vez de um ponteiro. Elas podem ser feitas com sensibilidade muito alta. Outro tipo de bobina móvel suspende a bobina por dois ligamentos condutores, permitindo um deslocamento muito longo da bobina.
Relé de sobrecorrente de disco de indução miniaturadaimagem| Quando a corrente de entrada está acima do limite de corrente, o disco gira, o contato se move para a esquerda e atinge o contato fixo. A escala acima da placa indica o tempo de atraso. Os medidores de disco de "indução" funcionam induzindo correntes em um disco que pode girar livremente; o movimento rotativo do disco opera um contato. Os relés de indução requerem corrente alternada; se duas ou mais bobinas forem usadas, elas devem estar na mesma frequência, caso contrário, nenhuma força operacional líquida será produzida. Esses relés eletromagnéticos usam o princípio de indução descoberto por Galileu Ferraris no final do século XIX. O sistema magnético em relés de sobrecorrente de disco de indução é projetado para detectar sobrecorrentes em um sistema de energia e operar com um atraso de tempo pré-determinado quando certos limites de sobrecorrente são atingidos. Para operar, o sistema magnético dos relés produz um torque que atua sobre um disco metálico para fazer contato, de acordo com a seguinte equação básica de corrente/torque:
Onde e são os dois fluxos e é o ângulo de fase entre os fluxos
As seguintes conclusões importantes podem ser tiradas da equação acima.
Dois fluxos alternados com mudança de fase são necessários para a produção de torque. O torque máximo é produzido quando os dois fluxos alternados estão separados por 90 graus. O torque resultante é constante e não uma função do tempo.
O enrolamento primário do relé é fornecido pelo transformador de corrente do sistema de energia por meio de uma ponte de plugue, que é chamada de multiplicador de configuração do plugue (psm). Normalmente, sete derivações ou faixas de operação igualmente espaçadas determinam a sensibilidade dos relés. O enrolamento primário está localizado no eletroímã superior. O enrolamento secundário tem conexões no eletroímã superior que são energizadas pelo enrolamento primário e conectadas ao eletroímã inferior. Quando os eletroímãs superior e inferior são energizados, eles produzem correntes parasitas que são induzidas no disco de metal e fluem pelos caminhos de fluxo. Essa relação de correntes parasitas e fluxos cria um torque proporcional à corrente de entrada do enrolamento primário, devido aos dois caminhos de fluxo estarem defasados em 90°.
Em uma condição de sobrecorrente, um valor de corrente será atingido que superará a pressão da mola de controle no fuso e no ímã de frenagem, fazendo com que o disco de metal gire em direção ao contato fixo. Esse movimento inicial do disco também é mantido em um valor positivo crítico de corrente por pequenas ranhuras que geralmente são cortadas na lateral do disco. O tempo necessário para a rotação fazer os contatos não depende apenas da corrente, mas também da posição de recuo do fuso, conhecida como multiplicador de tempo (tm). O multiplicador de tempo é dividido em 10 divisões lineares do tempo de rotação total.
Desde que o relé esteja livre de sujeira, o disco metálico e o fuso com seu contato atingirão o contato fixo, enviando assim um sinal para desarmar e isolar o circuito, dentro de suas especificações de tempo e corrente projetadas. A queda de corrente do relé é muito menor que seu valor operacional e, uma vez atingida, o relé será reiniciado em um movimento reverso pela pressão da mola de controle governada pelo ímã de frenagem.
Estático A aplicação de amplificadores eletrônicos em relés de proteção foi descrita já em 1928, usando amplificadores valvulados e continuou até 1956. Dispositivos que usavam tubos de elétrons foram estudados, mas nunca aplicados como produtos comerciais, devido às limitações dos amplificadores valvulados. Uma corrente de espera relativamente grande é necessária para manter a temperatura do filamento do tubo; tensões altas inconvenientes são necessárias para os circuitos, e os amplificadores valvulados têm dificuldade com operação incorreta devido a distúrbios de ruído.