Estudo de proteção e seletividade: o que é e como fazer

O estudo de proteção e seletividade é o cálculo que define os ajustes dos relés e fusíveis de uma instalação de média tensão. O objetivo é que um curto-circuito seja eliminado rápido e só pelo dispositivo mais perto dele, sem apagar o resto da fábrica e sem desligar o alimentador da distribuidora. Na prática, é o documento que a concessionária pede antes de ligar uma cabine primária, e o que ela confere quando você aumenta a carga ou coloca uma usina solar em paralelo com a rede.

Faço esses estudos no dia a dia, e aqui junto o que eu gostaria de ter lido no primeiro: o que entra no estudo, quando a distribuidora pede, como ele sai do levantamento de dados até o protocolo e onde ele costuma voltar com pendência. Serve para quem vai fazer e para quem vai contratar.

Proteção, seletividade e coordenação: a diferença

As três palavras andam juntas e vivem sendo trocadas uma pela outra, mas cada uma quer dizer uma coisa:

• Proteção é detectar a falta e abrir o circuito a tempo de evitar dano ao transformador e aos cabos. Uma proteção que atua, mas tarde demais, não protegeu nada.
• Seletividade é abrir só o trecho com defeito. Um curto num motor deve desligar o motor, não a subestação inteira. E um curto dentro da sua cabine deve abrir o seu disjuntor geral, não o religador da distribuidora, que derrubaria os vizinhos ligados no mesmo alimentador.
• Coordenação é o ajuste que torna a seletividade possível: as curvas dos dispositivos em série são escalonadas para que o de baixo sempre atue antes do de cima, com uma margem de tempo entre eles.

A seletividade pode vir do tempo (o dispositivo a montante espera mais), da corrente (ele só enxerga correntes maiores) ou de uma combinação das duas, que é o caso mais comum em média tensão. O estudo mostra, com números, que essa escada funciona para todas as faltas possíveis no seu trecho.

Quando a distribuidora exige o estudo

A exigência vem da norma de fornecimento em média tensão de cada concessionária. As situações mais comuns são três:

• Ligação nova com cabine própria. A unidade consumidora recebe em média tensão (11,4 kV, 13,8 kV, 23 kV, 34,5 kV) e tem disjuntor geral comandado por relé. O relé precisa de ajustes, e os ajustes precisam do estudo.
• Aumento de carga ou troca de transformador. Mudou a potência instalada, mudam a corrente de carga, o inrush e o ponto de dano do transformador. O estudo antigo deixa de valer.
• Geração própria. Usina solar, gerador a diesel em paralelo ou qualquer fonte que injete na rede. Aqui o estudo cresce: além da sobrecorrente, entram funções de tensão, frequência e direcionais, e a proteção passa a olhar o fluxo nos dois sentidos. O que muda está em detalhe no estudo de proteção para usina solar.

Em todos os casos, o estudo é entregue junto com a ART do engenheiro responsável. Quem aprova é a distribuidora; quem responde tecnicamente pelos ajustes é quem assina.

O que tem dentro de um estudo de proteção

Um estudo completo de média tensão tem seis partes. A ordem não é arbitrária: cada uma depende da anterior.

O coordenograma

É a peça que o analista da distribuidora olha primeiro. Um plano corrente por tempo, em escala logarítmica nos dois eixos, com as curvas de atuação dos dispositivos empilhadas: as de baixo são as mais próximas da carga, as de cima são da distribuidora. Junto das curvas aparecem o ponto de inrush do transformador, que a proteção não pode cortar, e o ponto de dano, que ela precisa respeitar.

O passo a passo da leitura, ponto por ponto, está em como ler um coordenograma de proteção.

As funções de proteção

Na carga, o núcleo do estudo é a sobrecorrente: a 51 (temporizada, em geral com curva inversa) e a 50 (instantânea), para fase e para neutro. Algumas normas pedem o 51 de neutro a tempo definido, e outras mandam deixar o instantâneo desligado na carga. O conjunto exato de funções exigidas muda de uma distribuidora para outra, e muda bastante quando há geração própria. No Aval Proteção, as funções que cada distribuidora exige já vêm dadas no estudo.

As normas: NBR 14039 e a norma da distribuidora

A NBR 14039 é a norma da ABNT para instalações elétricas de média tensão, de 1,0 kV a 36,2 kV. Ela trata da proteção da instalação como um todo e é a base de qualquer projeto de cabine.

Os números do estudo, porém, vêm da norma técnica da distribuidora: o teto do pickup, o múltiplo de inrush aceito, a margem mínima entre as curvas, a família de curva e até o formato do memorial. A física é a mesma no Brasil inteiro; o critério não é. Um estudo tecnicamente correto com o critério de outra concessionária tende a voltar com pendência. O comparativo das dez distribuidoras está no mapa das normas por distribuidora.

Como fazer um estudo de proteção, passo a passo

1. Peça a carta da distribuidora. Ela traz as correntes de curto no ponto de entrega (ou as impedâncias equivalentes) e os ajustes da proteção a montante, em geral um religador. Sem ela não há estudo: a sua curva precisa caber embaixo da curva de quem está acima de você.
2. Levante a instalação. Potência e impedância dos transformadores, tipo (seco ou óleo), cabos, relação dos TCs, demanda contratada e, se houver, os dados da geração.
3. Calcule o curto-circuito. Trifásico, bifásico e fase-terra em cada barra, com o valor assimétrico e a fase-terra mínima com resistência de falta. É com esses números que o 50 vai ser ajustado e que o neutro vai provar que enxerga a pior falta.
4. Dimensione os TCs. A relação precisa atender a corrente de carga sem saturar no curto máximo. TC saturado entrega ao relé uma corrente menor que a real, e o ajuste calculado deixa de valer justo na hora da falta.
5. Ajuste as funções. O pickup do 51 fica acima da corrente de carga e abaixo do teto da norma. O 50 fica acima do inrush e abaixo do menor curto do trecho, quando a norma usa o instantâneo. O neutro fica acima do desequilíbrio normal da carga e abaixo da fase-terra mínima com resistência de falta.
6. Monte e confira o coordenograma. Inrush fora da região de atuação, ponto de dano do transformador protegido e margem de tempo com a distribuidora em toda a faixa em que as curvas se sobrepõem, até o curto do ponto de entrega. A referência usual do setor é 0,3 s; algumas normas aceitam menos.
7. Escreva o memorial e protocole. O memorial junta os dados, as fórmulas, os critérios da norma aplicada e as conclusões, com o unifilar e os coordenogramas. Vai junto com a ART para análise da distribuidora.

Esse caminho inteiro, num estudo completo de entrada em 13,8 kV, está em vídeo no artigo estudo de proteção na COPEL.

Feito à mão, com planilha, programa de curto e editor de texto separados, esse caminho me custava cerca de 8 horas por estudo. O tempo não ia na conta: ia em redigitar o mesmo dado em três lugares e conferir se nada tinha ficado para trás. Com os dados lançados num lugar só, o mesmo estudo passou a levar de 20 a 30 minutos. A comparação completa entre os caminhos está em planilha ou software.

Onde os estudos voltam com pendência

Os motivos se repetem de um estudo para outro, e quase nenhum é falta de teoria:

• O pickup do 51 passa do teto da norma. Cada distribuidora limita o ajuste do consumidor de um jeito (fração da proteção a montante, múltiplo da demanda, múltiplo da corrente do transformador), e esse é o erro que mais aparece. Também é o mais fácil de conferir antes de protocolar.
• O inrush vai para o gráfico com o múltiplo de outra concessionária. Esse erro não chama atenção: o gráfico parece certo e o critério está errado.
• A margem de coordenação é conferida num ponto só, e não em toda a faixa até o curto do ponto de entrega. Ou nem aparece no gráfico.
• O coordenograma de neutro fica sem a fase-terra mínima com resistência de falta, e aí não há como provar que a proteção enxerga a pior falta.
• O mesmo transformador aparece com uma potência no unifilar e outra no memorial. Acontece sempre que o dado é digitado mais de uma vez.

Quanto custa um estudo de proteção e seletividade

Para uma instalação só de carga, o estudo costuma ficar entre R$ 1.500 e R$ 3.000. Com usina solar ou outra geração própria, o preço varia muito com a potência e o número de máquinas, e pode chegar a R$ 15.000. As variáveis que mexem no valor e como fechar o escopo estão em quanto cobrar por um estudo de proteção.

Perguntas frequentes