🛡️ 06 - Transformadores para Instrumentos (TC e TP) e Relés de Sobrecorrente (Curvas IEC/ANSI)

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📍 Disciplina: 09 Sistemas de Proteção e Medição | 🏭 Área: 04 Sistemas Elétricos de Potência e Eletrotécnica | 🏠 Hub Principal 📄 Apostila Base: Dispositivos de proteção (Seções 1, 2 e 3) ⬅️ Aula Anterior: 05 - Seletividade, Relés 50/51, Direcional 67 e IED | ➡️ Próxima Aula: 07 - Relés de Distância (21) e Teleproteção

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🎯 Objetivos de Aprendizagem

1. Compreender a função dupla dos Transformadores para Instrumentos (TC e TP/TPC): escalonamento padronizado de grandezas ($5\text{ A}$ e $115\text{ V}$) e isolamento galvânico de alta tensão.
2. Distinguir TC de Medição vs. TC de Proteção, dominando os conceitos de Carga Nominal (Burden), Fator de Sobrecorrente ($FS=20$), Curva de Saturação Magnética (Ponto de Joelho), Especificação ANSI (10B200) e o perigo letal de abrir o secundário de um TC energizado.
3. Comparar o Transformador de Potencial Indutivo (TPI) e o Transformador de Potencial Capacitivo (TPC) utilizado em subestações de Alta/Extra-Alta Tensão ($\ge 69\text{ kV}$).
4. Equacionar e aplicar as Curvas Inversas Padronizadas IEC 60255 / IEEE-ANSI (Normalmente Inversa, Muito Inversa, Extremamente Inversa) e determinar os ajustes de Pickup ($I_{\text{tap}}$) e Dial de Tempo ($DT/TMS$).

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📌 Sumário do MOC

1. 1. Transformadores para Instrumentos: Função e Padronização Secundária
2. 2. Transformador de Corrente (TC): Medição vs. Proteção, Saturação e Classes ANSI
   • 2.1 Diferença Fundamental: TC de Medição vs. TC de Proteção
   • 2.2 Carga Nominal (*Burden*), Fator de Sobrecorrente ($FS$) e Classe ANSI
   • 2.3 Critério de Não Saturação do TC em Curto-Circuito
3. 3. O Perigo Crítico do Secundário Aberto no TC
4. 4. Transformador de Potencial: Indutivo (TPI) vs. Capacitivo (TPC)
5. 5. Equacionamento Matemático das Curvas de Sobrecorrente (IEC 60255 e IEEE/ANSI)
   • 5.1 Norma Europeia / Internacional IEC 60255
   • 5.2 Norma Norte-Americana IEEE C37.112 (ANSI)
6. 6. Metodologia de Dimensionamento do Pickup ($I_p$) e do TC de Proteção
7. 7. 📝 Exercícios Resolvidos de Engenharia (Padrão Apostila 03 e Concursos)
8. 8. 🎓 Verificando o Aprendizado (Questões de Fixação da Apostila 03 Comentadas)
   • Bloco 1: Transformadores para Instrumentos (TC e TP)
   • Bloco 2: Evolução Tecnológica e Requisitos dos Relés de Proteção
   • Bloco 3: Funções ANSI 50/51 e Parametrização de Curvas Inversas

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1. Transformadores para Instrumentos: Função e Padronização Secundária

No SEP, seria técnica e economicamente inviável conectar medidores ou relés digitais diretamente a barramentos de $13,8\text{ kV}$ a $500\text{ kV}$ conduzindo milhares de ampères. Os Transformadores para Instrumentos (TIs) cumprem duas funções vitais:

1. Redução Proporcional e Fiel (Módulo e Ângulo): Rebaixam correntes e tensões primárias para valores secundários universalmente padronizados por norma (ABNT NBR 6856 / NBR 6855 / IEEE C57.13):
   • Transformador de Corrente (TC): Corrente nominal secundária padronizada em $\boxed{I_{2n}=5\text{ A}}$ (ou $1\text{ A}$ em subestações extensas para reduzir perdas $R{I}^2$ na fiação). $\boxed{RTC=\frac{I_{1n}}{I_{2n}}=\frac{N_2}{N_1}⟹I_2=\frac{I_1}{RTC}}$
   • Transformador de Potencial (TP): Tensão nominal secundária padronizada em $\boxed{V_{2n}=115\text{ V}}$ fase-fase ou $\boxed{115/\sqrt{3}\approx 66,4\text{ V}}$ fase-terra. $\boxed{RTP=\frac{V_{1n}}{V_{2n}}=\frac{N_1}{N_2}⟹V_2=\frac{V_1}{RTP}}$
2. Isolamento Galvânico de Segurança: Isolam eletricamente a sala de comando/painel de proteção e os operadores dos potenciais letais da alta tensão (o secundário de todo TC e TP deve ser obrigatoriamente aterrado em um único ponto!).

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2. Transformador de Corrente (TC): Medição vs. Proteção, Saturação e Classes ANSI

O TC possui o enrolamento primário de pouquíssimas espiras grossas (ou apenas a própria barra passante: $N_1=1$) ligado em série com a linha, e o secundário de $N_2$ espiras alimentando as bobinas de corrente dos relés/medidores (que possuem impedância baixíssima, quase um curto-circuito!).

Figura 06.1: Curva de excitação e magnetização log-log do transformador de corrente (TC ANSI C37.110), determinação do ponto de joelho de saturação ($V_k$), circuito elétrico secundário e oscilografia da corrente ceifada por saturação.

🕹️ Simulador Dinâmico Interativo de Saturação de TC (ANSI C37.110)

Experimente em tempo real a curva de magnetização, ajuste de classe de exatidão ($10B50$ a $10B800$), burden secundário ($Z_b$) e oscilografia de corte no navegador: 👉 ▶️ Clique para Abrir o Simulador de Saturação de TC em Tela Cheia no Navegador (Arquivo no cofre: [[simulador_saturacao_tc_ansi.html]])

2.1 Diferença Fundamental: TC de Medição vs. TC de Proteção

Característica	TC para Medição (Faturamento / Painel)	TC para Proteção (Relés 50/51/21/87)
Faixa de Exatidão Exigida	Altíssima precisão ($0,2\%$, $0,5\%$ ou $1,0\%$) na faixa de corrente normal de carga ($5\%$ a $120\%$ de $I_n$).	Erro de até $5\%$ ou $10\%$ em correntes de curto-circuito até $20\times I_n$ ($FS=20$).
Comportamento sob Curto-Circuito (Saturação)	DEVE SATURAR RÁPIDO ($FS<5$, ~ $4\times I_n$)! O núcleo usa liga de níquel-ferro que satura propositalmente em faltas para proteger os instrumentos de medição contra queima.	NÃO PODE SATURAR! Possui núcleo de aço-silício de grande seção transversal para reproduzir linearmente correntes de até $20\times 5\text{ A}=100\text{ A}$ no secundário sem ceifar a onda.

2.2 Carga Nominal (Burden), Fator de Sobrecorrente ($FS$) e Classe ANSI

• Carga Nominal (Burden) do TC: É a impedância total conectada aos terminais secundários ($Z_b$ em $\Omega$, ou expressa em $\text{VA}$ à corrente nominal de $5\text{ A}$: $S_b=I_{2n}^2{Z}_b=25\cdot Z_b$). Padronizada pela ABNT em:
  • C2,5 ($0,1\Omega$) | C5 ($0,2\Omega$) | C12,5 ($0,5\Omega$) | C25 ($1,0\Omega$) | C50 ($2,0\Omega$) | C100 ($4,0\Omega$) | C200 ($8,0\Omega$).
• Especificação ANSI / ABNT para TCs de Proteção (ex.: 10B200 ou C200):
  • 10: Classe de exatidão — o erro composto de transformação não excede $10\%$ desde $1\times I_n$ até $20\times I_n$ ($FS=20$).
  • B (Baixa Reatância) ou A (Alta Reatância):
    • Tipo B (Toroidal com enrolamento uniformemente distribuído): Fluxo de dispersão desprezível ($X_{\text{disp}}\approx 0$). Permite usar a curva de excitação $V_s\times I_e$ para verificar analiticamente a saturação.
    • Tipo A: Enrolamento não distribuído (dispersão significativa; exige ensaio direto).
  • 200: É a Tensão Secundária Terminal Nominal ($V_{s,\text{nom}}=200\text{ V}$) que o TC consegue entregar aos seus terminais quando circula no secundário uma corrente de $20\times 5\text{ A}=100\text{ A}$ sobre a carga nominal sem ultrapassar $10\%$ de erro! $\boxed{V_{s,\text{nom}}=20\cdot I_{2n}\cdot Z_{b,\text{nom}}=100\cdot Z_{b,\text{nom}}⟹Z_{b,\text{nom (10B200)}}=\frac{200\text{ V}}{100\text{ A}}=2,0\Omega \text{ (C50)}}$

2.3 Critério de Não Saturação do TC em Curto-Circuito

Para o TC não saturar durante a máxima corrente de curto-circuito no ponto de instalação ($I_{\text{cc, maˊx}}$), a tensão interna exigida no secundário ($V_s$) deve ser menor que a tensão de saturação (Ponto de Joelho / $V_{s,\text{nom}}$):

$\boxed{V_s=\left(\frac{I_{\text{cc, maˊx}}}{RTC}\right)\cdot \left(R_{\text{sec, TC}}+R_{\text{cabos}}+Z_{\text{releˊ}}\right)\le V_{s,\text{nom}}}$

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3. O Perigo Crítico do Secundário Aberto no TC

Por que JAMAIS se deve abrir o secundário de um TC com o primário energizado?

Em um transformador de potência comum (TP), a corrente primária depende da carga secundária. No TC ocorre o oposto: como o primário está em série com a linha de alta tensão, a corrente primária $I_1$ é imposta pela carga do sistema elétrico!

• Em operação normal (secundário fechado sobre o relé): A força magnetomotriz secundária ($N_2{I}_2$) opõe-se quase integralmente à primária ($N_1{I}_1$). Apenas uma minúscula fração ($I_e<1\%$) magnetiza o núcleo: $N_1{I}_1-N_2{I}_2=N_1{I}_e\approx 0$
• Se o secundário for aberto ($I_2=0$): Desaparece a FMM desmagnetizante secundária! $100\%$ da corrente da linha ($I_1$) torna-se corrente de excitação magnetizante ($I_e=I_1$)!
• O núcleo de ferro entra em saturação profunda quadrada. A cada passagem da corrente pelo zero ($120$ vezes por segundo), o fluxo varia de $-{\Phi }_{\text{sat}}$ para $+{\Phi }_{\text{sat}}$ num intervalo de tempo $\Delta t\to 0$, induzindo nos $N_2$ terminais abertos picos agudos de tensão de vários quilovolts ($e_2=N_2\frac{d\varphi }{dt}>5\text{ kV a }15\text{ kV}$) que:
  1. Eletrocutam fatalmente o técnico que abriu o borne;
  2. Explodem a isolação do TC por arco elétrico e superaquecimento extremo do ferro ($P_{\text{Fe}}$).
• Regra de Manutenção: Antes de desconectar qualquer relé ou amperímetro, curto-circuite obrigatoriamente os bornes secundários S1–S2 na régua de bornes de aferição!

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4. Transformador de Potencial: Indutivo (TPI) vs. Capacitivo (TPC)

1. TP Indutivo (TPI — até $34,5\text{ kV}$ / $69\text{ kV}$): Transformador eletromagnético convencional derivado em paralelo com a barra. Operado praticamente a vazio (alta impedância das bobinas de potencial dos relés). Regra de segurança oposta ao TC: Nunca curto-circuitar o secundário de um TP (protegido por minidisjuntor/fusível no secundário).
2. TP Capacitivo (TPC — Alta e Extra-Alta Tensão $\ge 69\text{ kV}$ até $765\text{ kV}$):
   • Usa uma coluna de capacitores em série ($C_1$ e $C_2$) como divisor de tensão capacitivo até $\approx 15\text{ kV}$, acoplada a um Reator de Compensação ($L_{\text{comp}}$) (sintonizado em ressonância a $60\text{ Hz}$ com a capacitância equivalente de Thévenin $C_{\text{eq}}=C_1+C_2$ para que a impedância série seja nula a $60\text{ Hz}$ e não haja erro de ângulo entre $V_1$ e $V_2$!), seguido de um TPI de baixa tensão e circuito supressor de ferrorressonância.
   • Serve simultaneamente como capacitor de acoplamento para injetar sinais de alta frequência ($50\text{–}500\text{ kHz}$) do sistema de Teleproteção por Onda Portadora (PLC).

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5. Equacionamento Matemático das Curvas de Sobrecorrente (IEC 60255 e IEEE/ANSI)

Nos relés digitais (IEDs), o tempo de operação $t$ da unidade temporizada (ANSI 51) para uma corrente $I>I_{\text{pickup}}$ (múltiplo $M=I/I_{\text{pickup}}>1$) é calculado por equações matemáticas padronizadas:

Figura 06.2: Coordenograma log-log de sobrecorrente temporizada (ANSI 51) e instantânea (ANSI 50), comparando famílias IEC 60255 (NI, VI, EI) e IEEE C37.112 com margem de seletividade cronométrica ($\Delta t\ge 300\text{ ms}$).

🕹️ Simulador Dinâmico Interativo de Relés de Sobrecorrente (ANSI 51/50)

Ajuste interativamente a curva (IEC/IEEE), pickup $I_p$, dial de tempo ($TMS/TD$) e injete correntes de falta para visualizar a curva e o tempo de disparo milissegundo a milissegundo: 👉 ▶️ Clique para Abrir o Simulador ANSI 51 em Tela Cheia no Navegador (Arquivo no cofre: [[simulador_protecao_sobrecorrente_ansi51.html]])

5.1 Norma Europeia / Internacional IEC 60255

$\boxed{t(M)=DT\cdot \left[\frac{k}{M^{\alpha }-1}\right]}\text{onde }M=\frac{I}{I_{\text{pickup}}}$

Tipo da Curva IEC	Constante $k$	Expoente $\alpha$	Indicação de Engenharia
Normalmente Inversa (SI / NI)	$0,14$	$0,02$	Redes onde $I_{\text{cc}}$ depende principalmente da capacidade de geração e varia pouco ao longo da linha.
Muito Inversa (VI / MI)	$13,5$	$1,00$	Linhas longas onde a impedância da linha domina e $I_{\text{cc}}$ cai rapidamente com a distância da subestação.
Extremamente Inversa (EI)	$80,0$	$2,00$	Coordenação com elos fusíveis, religadores e curvas de dano térmico de cabos/transformadores ($I^{2}t=\text{cte}$, pois $\alpha =2$!).
Inversa Longa (Long Time)	$120,0$	$1,00$	Proteção de sobrecarga térmica ou partida prolongada de grandes motores.

5.2 Norma Norte-Americana IEEE C37.112 (ANSI)

$\boxed{t(M)=TD\cdot \left[\frac{A}{M^p-1}+B\right]}$

• Moderadamente Inversa (MI): $A=0,0515$, $B=0,1140$, $p=0,02$.
• Muito Inversa (VI): $A=19,61$, $B=0,491$, $p=2,0$.
• Extremamente Inversa (EI): $A=28,2$, $B=0,1217$, $p=2,0$.

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6. Metodologia de Dimensionamento do Pickup ($I_p$) e do TC de Proteção

Conforme os exemplos resolvidos nas Seções 1 e 3 da Apostila 03:

1. Dimensionamento da Relação de Transformação do TC ($RTC$) de Proteção: Deve atender simultaneamente a dois critérios:

   • Critério 1 (Corrente Nominal): $I_{1n,\text{TC}}\ge 1,10\times I_{\text{carga nominal}}$.
   • Critério 2 (Não Saturação sob Fator de Sobrecorrente $FS=20$): No pior curto-circuito ($I_{\text{cc, maˊx}}$), a corrente secundária não deve ultrapassar $20\times 5\text{ A}=100\text{ A}$: $\boxed{I_{1n,\text{TC}}\ge \frac{I_{\text{cc, maˊx}}}{20}⟺RTC\ge \frac{I_{\text{cc, maˊx}}}{100\text{ A}}}$ (Escolhe-se o maior valor entre os dois critérios e adota-se o TC comercial padronizado imediatamente superior: $50\text{–}5,100\text{–}5,150\text{–}5,200\text{–}5,300\text{–}5,400\text{–}5,600\text{–}5,800\text{–}5,1000\text{–}5\dots$).

2. Dimensionamento da Corrente de Pickup (Tap) do Relé de Fase (ANSI 51): A corrente de partida do relé ($I_{\text{pickup}}$) deve ficar situada entre a máxima corrente de carga (incluindo o fator de sobrecarga admissível $k_{\text{sob}}=1,25\text{ a }1,50$) e a menor corrente de curto-circuito bifásico no fim da zona protegida dividida pelo fator de sensibilidade ($k_{\text{sens}}\approx 1,5\text{ a }2,0$): $\boxed{k_{\text{sob}}\cdot I_{\text{carga, nom}}<I_{\text{pickup (primaˊrio)}}\le \frac{I_{\text{cc, mıˊn}}}{k_{\text{sens}}}}$ E o ajuste em ampères no secundário do relé (Tap) é: $\boxed{I_{\text{tap (secundaˊrio)}}=\frac{I_{\text{pickup (primaˊrio)}}}{RTC}}$

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7. 📝 Exercícios Resolvidos de Engenharia (Padrão Apostila 03 e Concursos)

Exercício Resolvido 1 — Dimensionamento de TC de Proteção pelo Fator de Sobrecorrente (Exemplo e Questão 2 da Apostila 03)

Enunciado: (a) Um sistema elétrico alimenta uma carga cuja corrente nominal é $I_{\text{nom}}=100\text{ A}$, porém a corrente máxima de curto-circuito no ponto de instalação é $I_{\text{cc, maˊx}}=8\text{ kA}$ ($8.000\text{ A}$). Considerando um fator de sobrecorrente $FS=20$ e secundário padronizado de $5\text{ A}$, determine a relação nominal e o $RTC$ ideal do TC de proteção. (b) Verifique se um TC de classe ANSI 10B200 com essa relação escolhida saturará sob a falta máxima de $8\text{ kA}$, sabendo que a resistência interna do secundário do TC é $R_{\text{TC}}=0,25\Omega$, a resistência dos cabos de fiação até o painel é $R_{\text{cabos}}=0,65\Omega$ e a impedância do relé é $Z_{\text{releˊ}}=0,30\Omega$.

Solução Passo a Passo: (a) Cálculo da Corrente Primária Mínima do TC e $RTC$:

• Pelo critério de carga nominal: $I_{1n}\ge 100\text{ A}$.
• Pelo critério de não saturação em curto-circuito ($FS=20$): $I_{1n}\ge \frac{I_{\text{cc, maˊx}}}{FS}=\frac{8.000\text{ A}}{20}=400\text{ A}$ Como $400\text{ A}>100\text{ A}$, prevalece o critério de curto-circuito! Escolhe-se o TC padronizado de $\boxed{400\text{–}5\text{ A}}$, cuja relação de transformação é: $\boxed{RTC=\frac{400}{5}=80}$

(b) Verificação Analítica de Saturação (Classe 10B200 $⟹V_{s,\text{nom}}=200\text{ V}$): Sob o curto máximo de $8.000\text{ A}$, a corrente no secundário do TC será: $I_{2,\text{cc}}=\frac{8.000\text{ A}}{80}=100\text{ A}$ A tensão secundária exigida pelo circuito total (burden total $Z_{\text{tot}}=0,25+0,65+0,30=1,20\Omega$) vale: $V_s=I_{2,\text{cc}}\cdot Z_{\text{tot}}=100\text{ A}\times 1,20\Omega =\boxed{120\text{ V}<200\text{ V}⟹\text{O TC NA˜O SATURA!}}$

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Exercício Resolvido 2 — Ajuste de Tap de Relé de Sobrecorrente (Exemplo e Questão 2 da Seção 3 da Apostila 03)

Enunciado: Em uma linha de transmissão protegida por um TC de relação $300\text{–}5\text{ A}$ ($RTC=60$), a corrente nominal de carga é $I_{\text{nom}}=250\text{ A}$ (admitindo-se uma sobrecarga de emergência de $20\%$) e a menor corrente de curto-circuito calculada no fim da linha é $I_{\text{cc, mıˊn}}=3.500\text{ A}$. (a) Determine a faixa admissível de ajuste primário e secundário do relé de sobrecorrente 51, escolhendo o menor Tap inteiro comercial disponível no relé ($4,5,6,7,8,10\text{ A}$). (b) Para o Tap escolhido e um Dial de Tempo $DT=0,30$ na curva Normalmente Inversa IEC ($k=0,14,\alpha =0,02$), calcule o tempo de atuação do relé para a falta mínima de $3.500\text{ A}$.

Solução Passo a Passo: (a) Faixa de Pickup e Escolha do Tap:

• Limite inferior (acima da sobrecarga de $20\%$): $I_{\text{pickup, prim}}>1,20\times 250\text{ A}=300\text{ A}⟹I_{\text{tap, sec}}>\frac{300\text{ A}}{60}=5,0\text{ A}$
• Limite superior (abaixo da metade do curto mínimo): $I_{\text{pickup, prim}}\le \frac{3.500\text{ A}}{2}=1.750\text{ A}⟹I_{\text{tap, sec}}\le \frac{1.750\text{ A}}{60}=29,17\text{ A}$
• Escolhendo o primeiro Tap comercial estritamente acima de $5,0\text{ A}$: $\boxed{I_{\text{tap}}=6,0\text{ A secundaˊrios}⟺I_{\text{pickup, prim}}=6,0\times 60=360\text{ A primaˊrios}}$

(b) Tempo de Atuação em $I_{\text{cc, mıˊn}}=3.500\text{ A}$:

• Múltiplo de corrente: $M=\frac{3.500\text{ A}}{360\text{ A}}=9,722$
• Tempo na curva Normalmente Inversa IEC ($DT=0,30$): $t=0,30\times \left[\frac{0,14}{(9,722{)}^{0,02}-1}\right]=0,30\times \left[\frac{0,14}{1,0465-1}\right]=0,30\times 3,009=\boxed{0,903\text{ s}}$

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8. 🎓 Verificando o Aprendizado (Questões de Fixação da Apostila 03 Comentadas)

Bloco 1: Transformadores para Instrumentos (TC e TP)

Questão 1 — Conexão Operacional de TCs e TPs no Sistema Elétrico (Apostila 03 / Bloco 1)

Enunciado: Os transformadores de instrumentos são utilizados para permitir que relés e medidores afiram grandezas elétricas em patamares normalizados ($5\text{ A}$ e $115\text{ V}$), sem necessidade de suportar os elevados níveis de tensão e corrente do primário. Sobre esses equipamentos, é correto afirmar que:

A) Os equipamentos de medição são conectados no primário dos transformadores de instrumentos.
B) Os valores secundários dos TCs e TPs são definidos arbitrariamente pelo fabricante do equipamento.
C) Os TCs de medição apresentam baixo percentual de exatidão.
D) Os TPs são definidos em função de seu nível de tensão de isolação, apenas.
E) Os TCs são ligados em série com o sistema e os TPs são ligados em paralelo entre a linha e um ponto de referência. (Correta)

Justificativa Técnica Oficial:

Alternativa E está correta. O transformador de corrente (TC) opera como um amperímetro redutor, inserido em série com o condutor de fase para amostrar a corrente passante. O transformador de potencial (TP) opera como um voltímetro redutor, ligado em paralelo entre as fases ou entre fase e terra (neutro) para amostrar o potencial elétrico.

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Questão 2 — Dimensionamento de TC pelo Fator de Sobrecorrente (Apostila 03 / Bloco 1)

Enunciado: O dimensionamento de um transformador de corrente para proteção deve ser realizado considerando o fator de sobrecorrente nominal ($FS$). Levando em conta esse fator normativo adotado no Brasil ($FS=20$), a relação de transformação de corrente ($RTC$) ideal para um sistema cuja corrente máxima de curto-circuito simétrica seja de $8\text{ kA}$ ($8.000\text{ A}$) será de:

A) $200/5\text{ A}$.
B) $400/5\text{ A}$. (Correta)
C) $300/5\text{ A}$.
D) $800/5\text{ A}$.
E) $1000/5\text{ A}$.

Justificativa Técnica Oficial:

Alternativa B está correta. Para garantir que a corrente secundária do TC não ultrapasse $20\times I_{2n}=20\times 5\text{ A}=100\text{ A}$ sob a falta máxima de $8.000\text{ A}$ (evitando saturação profunda do núcleo de ferro), a corrente primária nominal mínima deve ser: $I_{1n}\ge \frac{I_{\text{cc, maˊx}}}{FS}=\frac{8.000\text{ A}}{20}=400\text{ A}⟹\mathbf{RTC}=400/5\text{ A}(\mathbf{RTC}=80)$

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Bloco 2: Evolução Tecnológica e Requisitos dos Relés de Proteção

Questão 3 — Requisitos Funcionais Primordiais dos Relés (Apostila 03 / Bloco 2)

Enunciado: Os relés de proteção são elementos fundamentais para a salvaguarda do SEP. Sua função básica é sensibilizar-se com a perturbação de grandezas elétricas e comandar o isolamento da falta. As principais características funcionais de operação dos relés de proteção são:

A) Velocidade, custo-benefício e segurança.
B) Redundância, confiabilidade e velocidade.
C) Confiabilidade, fidedignidade, segurança e velocidade. (Correta)
D) Custo-benefício, segurança e velocidade.
E) Confiabilidade, custo-benefício e redundância.

Justificativa Técnica Oficial:

Alternativa C está correta. A filosofia clássica de proteção exige: Confiabilidade (certeza de que atuará quando houver defeito interno), Segurança (certeza de que NÃO atuará indevidamente sem falta ou em faltas externas), Fidedignidade/Exatidão (medição rigorosa das grandezas) e Velocidade (tempo mínimo de interrupção para evitar danos térmicos e mecânicos).

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Questão 4 — Princípios Construtivos dos Relés Eletromecânicos (Apostila 03 / Bloco 2)

Enunciado: Os relés de proteção passaram por sucessivas evoluções tecnológicas. A respeito dos aspectos construtivos dos relés, é correto afirmar que:

A) Os relés eletromecânicos se baseiam no princípio da indução eletromagnética. (Correta)
B) Os relés digitais funcionam essencialmente com a utilização de semicondutores discretos que realizam portas lógicas analógicas.
C) Relés eletromecânicos não são mais utilizados em nenhuma subestação por estarem obsoletos.
D) Relés eletrônicos dispensam transformadores redutores de medida (TC e TP).
E) Os relés digitais possuem função restrita a uma única grandeza elétrica.

Justificativa Técnica Oficial:

Alternativa A está correta. Os relés eletromecânicos clássicos de sobrecorrente operam pelo princípio do disco de indução de Ferraris, onde fluxos magnéticos defasados criados por bobinas de corrente induzem correntes de Foucault no disco móvel de alumínio, produzindo torque mecânico motor proporcional ao quadrado da corrente ($T\propto I^2$).

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Bloco 3: Funções ANSI 50/51 e Parametrização de Curvas Inversas

Questão 5 — Códigos ANSI para Sobrecorrente Instantânea e Temporizada (Apostila 03 / Bloco 3)

Enunciado: A proteção de sobrecorrente permite identificar correntes anormais de curto-circuito. Essa função pode operar de forma instantânea ou temporizada por curva inverso-temporal. De acordo com o padrão ANSI/IEEE C37.2, essas funções são identificadas respectivamente por:

A) 20 / 21.
B) 35 / 36.
C) 48 / 49.
D) 50 / 51. (Correta)
E) 58 / 59.

Justificativa Técnica Oficial:

Alternativa D está correta. A função 50 identifica a sobrecorrente instantânea (Instantaneous Overcurrent Relay — disparo sem retardo intencional). A função 51 identifica a sobrecorrente temporizada (AC Time Overcurrent Relay — retardo temporal dependente do múltiplo de corrente).

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Questão 6 — Cálculo Numérico de Ajuste de Relé de Tempo Inverso (Apostila 03 / Bloco 3)

Enunciado: Em uma linha de transmissão, a menor corrente de curto-circuito calculada é $I_{\text{cc, mıˊn}}=3.500\text{ A}$, enquanto a corrente nominal máxima de carga contínua é $I_{\text{carga}}=250\text{ A}$. O sistema de proteção utiliza um TC com relação de transformação de corrente $RTC=400/5\text{ A}$ ($RTC=80$). Adotando um fator de segurança de $1,5$ sobre a carga máxima e sobre o curto mínimo, qual o valor padronizado de ajuste de corrente secundária ($I_{\text{ajuste}}$) para o relé eletromecânico de tempo inverso?

A) $3,96\text{ A}$.
B) $4,68\text{ A}$. (Correta)
C) $5,32\text{ A}$.
D) $7,96\text{ A}$.
E) $2,36\text{ A}$.

Justificativa Técnica Oficial:

Alternativa B está correta ($4,68\text{ A}$).
A corrente primária de partida do relé deve satisfazer à inequação: $1,5\cdot I_{\text{carga}}\le I_{\text{pickup, prim}}\le \frac{I_{\text{cc, mıˊn}}}{1,5}$ Convertendo para o secundário do relé dividindo pela relação do TC ($RTC=400/5=80$): $\frac{1,5\times 250\text{ A}}{80}\le I_{\text{ajuste, sec}}\le \frac{3.500\text{ A}}{80\times 1,5}$ $\frac{375\text{ A}}{80}\le I_{\text{ajuste, sec}}\le \frac{3.500\text{ A}}{120}$ $4,6875\text{ A}\le {\mathbf{I}}_{\text{ajuste, sec}}\le 29,167\text{ A}$ Como o ajuste de sensibilidade máxima admissível para não desarmar com sobrecarga é o limite inferior da faixa, adota-se: $\boxed{I_{\text{ajuste}}=4,68\text{ A secundaˊrios}}$