capítulo iii dispositivos de proteção – parte 1 · de funções, tais como medição,...
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28O Setor Elétrico / Março de 2010
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ade
Terminologia Alguns termos são utilizados no dia a dia dos
profissionaisdeproteção.Apresenta-seaseguiralguns
dosmaisusados:
Autocheck – Característicadeumrelédigitalemque
verifica se todas as suas funções estão operativas
e corretas. Este fato dá ao relé digital extrema
confiabilidade,vistoqueosrelésdevemestarsempre
prontosparaoperar.
BreAker FAilure – É uma característica que alguns
relésdigitaisdispõem,cujoobjetivoé,apóso tempo
definido nesta função, enviar um sinal a uma saída
para que possa ser enviada ao disjuntor àmontante
(porquesupõe-sequeapósotempodefinidonoreléo
disjuntorquedeveriainterromperafaltafalhou).
CaraCterístiCa de um relé – Curvacaracterística tempo
versuscorrentedeumrelé.
CaraCterístiCa Ni (NormAl iNverse) ou si (stANdArd
iNverse) ou sit (stANdArd iNverse time) –Éacaracterística
normalinversadeumrelé.
CaraCterístiCa mi (muito iNversa), vi (very iNverse) ou
vit (very iNverse time) –Éacaracterísticamuitoinversa
deumrelé.
CaraCterístiCa ei (extremameNte iNversa), ei (extremelly
iNverse) ou eit (extremelly iNverse time) – É a
característicaextremamenteinversadeumrelé.
CaraCterístiCa td (tempo defiNido) ou dt (deFiNite
time) –Éacaracterísticadetempodefinido
CoNtato de selo – Contatodestinadoagarantirqueo
sinalenviadoserámantido(selado).
CoordeNograma ou folha de seletividade –Gráficoem
escala bilogarítmica com o tempo em ordenada e a
correnteemabscissa(tx I)emqueéfeitaafolhade
seletividade.
Por Cláudio Mardegan*
Capítulo III
Dispositivos de proteção – Parte 1
drop-out –Valordegrandeza (tensão,corrente, etc.)
paraoqualodispositivovoltaaoestadode repouso
(inicial).
tApe –Valordeajustedeumrelé(normalmenteparaa
unidadetemporizada).
dt/td/tms/k – Dial de tempo / Time Dial / Time
multiplier setting(ajustemultiplicadordetempo)/k.São
ajustesutilizadosparatemporizarumrelé.
di – dispositivo iNstaNtâNeo – Éovalordoajusteda
unidadeinstantânea.
idmt – iNverse deFiNite miNimum time (dispositivo a
tempoinverso).
ied – iNtelligeNt electroNic device – São disposi-
tivos eletrônicos inteligentes que, por serem
microprocessados e com elevada velocidade de
processamento (> 600 MHz), englobam uma série
de funções, tais como medição, comando/controle,
monitoramento,religamento,comunicaçãoeproteção,
permitem elevada quantidade de entrada analógica
(sinais de tensão e corrente) e elevada quantidade
de entradas/saídas (I/O) digitais. Normalmente estes
dispositivossãovoltadosparaaautomaçãoejáforam
projetadosdentrodospadrõesdanormaIEC61850.
irig – iNter rANge iNstrumeNtAtioN group time codes
– iniciou a padronização dos códigos de tempo em
1956eosoriginaisdanormaforamaceitosem1960.
Os formatos originais foram descritos no documento
104-60.Odocumentofoirevisadoemagostode1970
como 104-70 e revisado novamente no mesmo ano
para200-70.Aúltima revisãodanormaéa200-04.
Paradiferenciaroscódigos,anormautilizaasletrasA,
B,D,E,GeH.Essescódigosdigitaissãotipicamente
deamplitudemoduladasobreumcarrieremumaonda
senoidaldeáudioousinaisTTL(fast rise time).Amaior
diferençaentreoscódigoséa taxa,quevariadeum
29O Setor Elétrico / Março de 2010
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pulsoporminutoaté10.000pulsosporsegundo.
IRIG-A=1000PPS;IRIG-B=100PPS;IRIG-D=1PPM;IRIG-E=
10PPS;IRIG-G=10000PPS;IRIG-H=1PPS.
irig B – Éumformatodecódigodetemposerial.Possuiumtaxa
de sinal de temporizaçãode100pulsos por segundo.O IRIG-B
enviadadosdodia,doano,hora,minuto,segundoefraçãoemum
carrierde1kHz,comuma taxadeatualizaçãodeumsegundo.
O IRIG-B DCLS (deslocamento de nível DC) é o IRIG-B sem o
carrier de 1 kHz. Normalmente, o GPS é utilizado com IRIG-B
para sincronizar os dispositivos de proteção a umamesma base
detempo.
gfp– grouNd FAult protectioN – Proteçãodefaltaaterra.
grouNd seNsor (gs) – Sensorde terra.SãoTCssensoresde terra
queabraçamtodasasfasessimultaneamente.
mta – mAximum torque ANgle – Ângulodemáximotorquedeum
relédirecional.
Ntp – PortaEthernetNTP(Network Time Protocol).
overtrAvel/overshoot – Éo tempopermitidoao relédediscode
indução para continuar a girar por inércia após a falta ter sido
eliminada(porumreléamontanteouporumafaltaintermitente),
antesdefecharosseuscontatos.
pick-up – Valordegrandeza(tensão,corrente,etc.)paraoqualo
reléiniciaaatuação.
reduNdâNCia – Estetermoéutilizadoparadesignarumaproteção
que “enxerga” e atua concomitantemente com a proteção
principal.Éimportantenotarqueesteconceitosempresereferea
equipamentosdistintos(emcaixasdiferentes).
reset –Voltaraoestadoanterioraodafalta.
retaguarda – Este termo é utilizado para designar uma proteção
queatuanocasodaproteçãoprincipalfalhar.Étambémconhecida
comoproteçãodebackup.É importantenotarqueesteconceito
sempreserefereaequipamentosdistintos(emcaixasdiferentes).
tempo de reset – Temponecessário ao relé para voltar ao estado
anterioràfalta.
trip –Sinaldedesligamentoenviadoporumrelé.
WAtchdog –dispositivoquedisparaumresetaosistemaseocorrer
algumacondiçãodeerronoprogramaprincipal.
Tipos de dispositivos de proteção mais comuns Os tipos de dispositivos de proteção mais comumente
utilizados,relés,fusíveis,elos,disjuntoresdebaixatensãoeIEDs
serãodescritosnestecapítulo.
RelésDefinição
Sãodispositivosdestinadosaoperarquandoumagrandezade
atuaçãoatingeumdeterminadovalor.Existemváriasclassificações
quesepodedaraosrelés,quantoàgrandezadeatuação(corrente,
30O Setor Elétrico / Março de 2010
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ade tensão,frequência,etc.),formadeconectaraocircuito(primário/
secundário), forma construtiva (eletromecânicos, mecânicos,
estáticos,etc.),temporização(temporizadoseinstantâneos),quanto
àfunção(sobrecorrente,direcional,diferencial,etc.),característica
deatuação(normalinverso,muitoinverso,etc.).
Principais requisitos de um relé
Antigamente os principais requisitos de um relé eram
principalmente confiabilidade, seletividade, suportabilidade
térmica, suportabilidade dinâmica, sensibilidade, velocidade,
baixoconsumoebaixocusto.
Atualmente, somado aos requisitos é desejável que eles
possuam ainda, breaker failure, autocheck, seletividade lógica,
oscilografia,quantidadedeentradasesaídasdigitais(E/Sdigitais)
adequada, quantidade de entradas analógicas de corrente
adequada,quantidadedeentradasanalógicasdetensãoadequada,
quantidadedesaídasàreléadequada,IRIGB,possibilidadedese
conectaremrede,possibilidadederealizarfunçõesdeautomação,
comando,controle,medição,supervisão,etc.
Equação universal do conjugado dos relés
Aorigemdosrelésocorreucomosmodeloseletromecânicose,
assim,oadventodosrelésdigitaistevedeincorporarasprincipais
características dos eletromecânicos para viabilizar a migração
destes para os digitais. Dessa maneira, é importante entender
o princípio de funcionamento dos relés eletromecânicos. Este
entendimentoseráiniciadocomorelédediscodeindução.
O relé de disco de indução
Apresenta-se, na Figura 1, um relé de disco de indução
mostrandoseuscomponentes.NaFigura2,mostram-seaspartes
deinteresseparaaanálisedoprincípiodefuncionamento.
Figura 1 – Relé de disco de indução com suas principais partes componentes
Figura 3 – Lei de Faraday-Lenz – regra da mão direita
Figura 2 – Relé de disco de indução para análise do princípio de funcionamento
Abobinaauxiliar(conhecidatambémcomespiradesombra)
indicadanaFigura2temporobjetivogerarumfluxoφ2defasadoo
fluxoprincipalφ1.Osistemafuncionadeformaparecidacomum
motordeinduçãomonofásico,emquenãoseconsegueparti-lose
nãohouverumcapacitor,queprovocaodefasamentoangularentre
osfluxosparagerarotorque.OsfluxosΦ1=φ1xsen(ωt)eΦ2=
φ2xsen(ωt+θ)sãosenoidaisedefasadosentresi.
ALeideFaraday-Lenzdizqueatensão(corrente)induzidairá
contrariaracausa(fluxo)queaproduziu.Aregradamãodireitaé
utilizadaparadeterminarosentidodacorrente,conformeFigura3,
eéexpressapelaequaçãoaseguir.
Figura 4 – Regra da mão esquerda
31
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Figura 5 – Mecanismo de formação das forças motoras do disco de indução
Figura 6 – Correntes I1 e I2 em um relé de disco de indução e respectivos ângulos
VistoqueodiscopossuiumaresistênciaRneleirácircularuma
correntedadapor:
As correntes I1 e I2 irão propiciar o aparecimento das forças
dadas,conformeFigura5pelaregradamãoesquerda(videFigura4).
Doeletromagnetismosabe-sequeF≈φx I.Aforçaresultante
seráF=F2–F1.Doquefoidemonstrado:
Logo,aforçaresultantepodesercalculadacomo:
A força serámáxima para sen θ = 1, ou seja, θ = 90°. Isso
significaque,parahaverconjugadomáximo,devehaverquadratura
dosfluxosφ1 (I1)eφ2 (I2).Naprática,issoédifícildeobter, tanto
peladisposiçãofísicadaespiradesombracomopelofatodeque
a bobina possui um valor de resistência. É desejável que o relé
operecomconjugadomáximoindependentedovalordoânguloθ,
queconstrutivamentevariade20ºa33°.Assim,amelhoropçãose
tornaconsiderarascorrentesI1ieI2.VejaaFigura6.
32O Setor Elétrico / Março de 2010
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Figura 7 – Evolução dos relés de sobrecorrente
Figura 8 – Representação dos relés de sobrecorrente nos esquemas unifilares
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ade O ângulo φ é o de projeto do relé e o ângulo τ define o
conjugadomáximo.Comooânguloτ+φ=90°,alinhadeI1ipassa
serareferência.Aequaçãodoconjugadopodeserreescritacomo
segue:
C = I1i x I2 x sen (θ + φ)
OconjugadomáximoCMÁXocorreparasen(θ+φ)=1.Comoφ
=90-τ,aequaçãodoconjugadofica:
C = I1i x I2 x sen (θ + 90 - τ) = I1i x I2 x sen (θ - τ + 90)
C = I1i x I2 x cos (θ - τ)
Relés de sobrecorrente (tipo charneira)
Pararelésdotipocharneiraaequaçãodoconjugado,podeser
escritacomosegue:C=K1xI2
Relés de tensão
Aplicando-seumatensãoemumresistordevalor1/K,gera-se
umacorrentedadaporI=U/(1/K),ouseja,I=KU.Dessaforma,a
equaçãodeconjugadoparaumrelédetensãopodeserescritada
formaseguinte:C=K2xU2
Relés que manipulam tensão em corrente
(direcional/impedância)
Substituindo-seacorrenteI1iporUnaequaçãodorelédedisco
deinduçãoaequaçãodoconjugadoficaescritacomosegue:C=
K3xUxIxcos(θ-τ)
A partir das definições apresentadas pelas equações de
conjugado e lembrando que os relés possuem também uma
constantedemolaK4,pode-sedefiniraequaçãouniversaldorelé
pelaequaçãoabaixo:
Para os relés de corrente existe apenas as parcelas 1 e 4 da
equaçãoacima.
Para os relés de tensão existe apenas as parcelas 2 e 4 da
equaçãoacima.
Paraosrelésquenecessitamdemediçãodeângulooudireção
(relésdirecionais,distância,etc.),existeapenasasparcelas3e4da
equaçãoacima.
Asgrandezasdeatuaçãoapresentamparcelapositivaeasde
restriçãoparcelanegativa.
Relés de sobrecorrente Sãorelésqueoperamquandoovalordacorrentedocircuito
ultrapassaumvalorpré-fixadoouajustado.Osrelésdesobrecorrente
podemserinstantâneos(funçãoANSI50)outemporizados(função
ANSI51).
Função ANSI
50,51,50/51,50N,51N,50/51N,50GS,51GS,50/51GS,51G
Direcionalidade
Operamemqualquerdireção.
Evolução
Osprimeirosrelésinstantâneoseramdotipocharneira.Entreos
primeirosreléstemporizadospode-secitarodediscodeindução.
Aevoluçãodosreléspassoupelasetapasdereléeletromecânico,
reléestático,relénuméricodigitaleIEDepodeservisualizadana
Figura7.
Temporização dos relés de sobrecorrente
Os relés de sobrecorrente podem ser temporizados ou
instantâneos. Os relés eletromecânicos temporizados são
normalmenteosdediscodeinduçãoepodemservisualizados
nasFiguras1e2.
Conexão
Videesquemasunifilaresetrifilaresseguintes.
33O Setor Elétrico / Março de 2010
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Figura 9 – Representação da conexão residual de relés de sobrecorrente nos esquemas trifilares
Figura 10 - Esquema unifilar
Exemplo
DadooesquemaunifilarapresentadonaFigura10.Sabendo
queacorrentedelinhaéde100AearelaçãodoTCéde200-5A,
determineacorrentequeoreléestá“enxergando”.
Solução
Acorrentenoreléédeterminadacomo:
Características dos relés de sobrecorrente
Acaracterísticadosrelésdesobrecorrenteérepresentadapelas
suascurvastempoversuscorrente.Estascurvasvariamemfunção
dotipodorelé(discodeindução,estático,digital).Antigamente,
naépocadosrelésdediscodeindução,aescolhadacaracterística
doequipamentoerafeitanomomentodacomprae,assim,não
era possível alterá-la. Atualmente fabricam-se praticamente
somenteosrelésdigitaiseamaiorpartedelespermiteescolhera
característicatempocorrenteapenasalterando-seosparâmetros
noprópriorelé.
Ostermoscaracterísticainversa,normalinversa,muitoinversa
e extremamente inversa existe desde a épocados relés dedisco
de indução.Dessa forma,atéhojesemantémessa terminologia,
sendoqueascaracterísticasmaisutilizadassão:
NormalInverso(NI),MuitoInverso(MIouVI=Very Inverse),
ExtremamenteInverso(EI),TempoLongoInverso(TLIouLTI=Long
Time Inverse)eTempoDefinido(TDouDT=Definite Time).
Nosrelésdigitaisascaracterísticastempoversuscorrentesão
representadosporequações,eessasequaçõesmudamdeacordo
comanorma.Apresenta-seaseguirasmaisusuais.
34O Setor Elétrico / Março de 2010
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ade IEC/BS
AscaracterísticasmaisutilizadasdanormaIECsãoapresentadas
pormeiodasseguintesequaçõesparaosrelésdesobrecorrente:
Normalinversa Muitoinversa Extremamenteinversa
As Figuras 11, 12 e 13 apresentam, respectivamente, as
características normal inversa, muito inversa e extremamente
inversa.
Figura 11 – Curva IEC normal inversa
Figura13 - Curva IEC extremamente inverva
Figura 14 – Comparação das características das curvas IEC normal inversa, muito inversa e extremamente inversa
Figura 12 – Curva IEC muito inversa
ComopodeserobservadanaFigura14,acurvaextremamente
inversaémuitorápidaparaaltascorrenteselentaparabaixascorrentes.
Acaracterísticanormalinversaémuitolentaparacorrenteselevadase
rápidaparabaixascorrentesoudesobrecarga,eacaracterísticamuito
inversaéadequadatantoparabaixascomoparaaltascorrentes.
Exemplo
Umrelédesobrecorrentedigitalinstaladonoprimáriodeum
transformador de 1500 kVA, com tensões de 13,8 kV (primária)
e 0,48 kV (secundária), com impedância interna de 5, deve
coordenar comoutro situadoa jusante (no secundário), também
digital,cujotempodeatuaçãoéde0,3segundos(videFigura15).
Acorrentedecurto-circuitosecundária,referidaaoprimário,éde
1255A.Sabendo-sequeoajustedepick-updesterelééde90A
noprimário,equeacurvaquedeveserutilizadaéIEC-MI(Muito
Inversa),calcularodialdetempo.
35O Setor Elétrico / Março de 2010
Apoio
Figura 15 - Exemplo de relé de sobrecorrente digital em primário de um transformador
Solução
Cálculodomúltiplodacorrentedeajuste:
Ointervalodecoordenaçãoentrerelésdigitaisdeveserde0,25
segundos,oquesignificaqueorelédeveserajustadoparaoperar
em0,55segundos(0.30s+0.25s).Conformepodeserobservado
naFigura15.
ANSI (C37.90)
Os relés construídos segundo a Norma ANSI C37.90 [82]
obedecemaseguinteequação:
Emque:
t =Tempodeatuaçãodorelé(segundos)
DT =Ajustedomultiplicadordostempos
I =Correntecirculante/CorrentePick-up
A, B, C, D, E = Constantes
ANSI (C37.112-1996) (Erro=+15%)
Os relés construídos conforme a norma ANSI C37.112
obedecemàsseguintesequações:
ExtremamenteInversa
MuitoInversa
ModeradamenteInversa
36O Setor Elétrico / Março de 2010
Apoio
Figura 16 – Conexões usuais dos relés direcionais de sobrecorrente
Figura 17 – Representação típica do relé direcional de sobrecorrente no esquema unifilar
Figura 19 – Operação indevida de relé direcional em sistema com capacitor fixoFigura 18 – Diagrama fasorial dos relés direcionais de sobrecorrente
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ade Relé direcional de sobrecorrente
São relés que operam quando o valor da corrente do circuito
ultrapassaumvalorpré-fixadoouajustadoenadireçãopré-estabelecida.
Função ANSI
AfunçãoANSIdesterelééa67.
Direcionalidade
Operamemapenasumadireção.
Polarização
Portensãoecorrente.
Conexão
Asconexõesutilizadasparaosrelésdirecionaisdesobrecorrente
são:30°,60°,90°.Aconexãomaisusualéa90°.VideFigura16.
Unifilar
O relé 67 pode ser representado em um esquema unifilar
conformeindicadonaFigura17.
Diagrama fasorial do relé 67
Apresenta-senaFigura18umdiagrama fasorial típicodeumrelé
direcionaldeconexão90ºeângulodemáximo torque iguala45º.É
importanteentenderqueoângulodemáximotorqueésempretomado
emrelaçãoàtensãodepolarização(referência)equealinhadeconjugado
nulo fica a 90º desta linha. Recomenda-se sempre ler atentamente o
catálogodoreléparavercomoastensõesdevementrarnoequipamento.
Aoutilizarrelésdirecionaisdeve-seatentarparaoseguinte:
•Apresençadebancodecapacitoresno ladoemqueo relénão
“enxerga”.Estefatofazcomqueoreléoperequandoosistemaestiver
combaixacarga,oqueocorrenormalmenteemfinsdesemana;
•Aexistênciadecircuitosparalelos,ondepossahaveracirculaçãode
correnteemsentidoreverso,como,porexemplo,quandoummotor
estápartindo;
•Contribuiçãodemotoresparaasfaltas,passandopelorelédirecional.
Aplicações particularesAoutilizarrelésdirecionaisdeve-seatentarparaoseguinte:
•Apresençadebancodecapacitoresno ladoemqueo relénão
“enxerga”.Estefatofazcomqueoreléoperequandoosistemaestiver
combaixacarga,oqueocorrenormalmenteemfinsdesemana;
•Aexistênciadecircuitosparalelos,ondepossahaveracirculaçãode
correnteemsentidoreverso,como,porexemplo,quandoummotor
estápartindo;
•Contribuiçãodemotoresparafaltas,passandopelorelédirecional.
Aplicação particular 1
Apresençadebancodecapacitoresfixonoladoemqueorelé
não“enxerga”.Estefatofazcomqueoreléoperequandoosistema
estivercombaixacargaoumesmosemcarga (oquepodeocorrer
normalmenteemfinsdesemanaouemsituaçõesdemanutenção).
38O Setor Elétrico / Março de 2010
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Figura 20 – Aplicação de relés 67 conjugados com motores partindo
Na Figura 19, na condição normal de operação, o
geradornãoestáemoperação.Todapotênciaativadacarga
é fornecida por ela. A potência reativa da carga é suprida
empartepelocapacitoreo restantepelaconcessionária.O
sentidodecorrentenorelé67écontrárioaodesuaoperação.
Logoelenãoopera.
Na Figura 19, na condição de carga desligada, o
gerador não está em operação. A concessionária não
entregapotênciaativa.Apotência reativadacargaénula
e, assim, a potência reativa suprida pelo capacitor não é
consumidapelascargasdaplantaeéentregueao sistema
daconcessionária.Osentidodecorrentenorelé67passa
coincidir com o sentido de operação (trip). Assim, se o
valor de corrente for superior ao valor depick-up do relé
direcional,eleiráoperar.
Como soluções para este caso, sugerem-se duas
possibilidades: aumento do valor de pick-up do relé 67
ou fazer dois grupos de ajustes, sendo que o relé 67 fica
desativadoquandoogeradorestiverforadeserviçonogrupo
ativo(semgerador).
Aplicação particular 2
A existência de circuitos paralelos, em que possa haver
a circulação de corrente em sentido reverso, como, por
exemplo,quandoummotorestápartindo.
ParaocasodaFigura20,deveriaserprevistaestacondiçãode
partida,quandoogeradoroperaemparalelocomaconcessionária.
Comosoluçãoparaestacondiçãoestáoaumentodopick-updo
relé67acimadeIp1.
Aplicação particular 3
Contribuiçãoemsentidoreversoparaasfaltas,passandopelo
relédirecional.
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39O Setor Elétrico / Março de 2010
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Figura 22 – Coordenação do relé 67 com o(s) relé(s) 50/51
Figura 21 – Coordenação dos relés 67 com os relés de sobrecorrente
*CLÁUDIO MARDEGAN é engenheiro eletricista formado pela Escola Federal de
Engenharia de Itajubá (atualmente Unifei). Trabalhou como engenheiro de estudos
e desenvolveu softwares de curto-circuito, load flow e seletividade na plataforma do
AutoCad®. Além disso, tem experiência na área de projetos, engenharia de campo,
montagem, manutenção, comissionamento e start up. Em 1995 fundou a empresa
EngePower® Engenharia e Comércio Ltda, especializada em engenharia elétrica,
benchmark e em estudos elétricos no Brasil, na qual atualmente é sócio diretor. O
material apresentado nestes fascículos colecionáveis é uma síntese de parte de um
livro que está para ser publicado pelo autor, resultado de 30 anos de trabalho.
CONTINUA NA PRÓXIMA EDIÇÃOConfira todos os artigos deste fascículo em www.osetoreletrico.com.br
Dúvidas, sugestões e comentários podem ser encaminhados para o e-mail redacao@atitudeeditorial.com.br
Para o circuito da Figura 21, é necessário ajustar o relé 67
coordenadocomorelé50/51docircuitosobcurto-circuito.
Aplicação particular 4
Contribuição de motores para as faltas, passando pelo relé
direcional.ComosoluçãoparaacondiçãoapresentadanaFigura
22 está a coordenação do relé 67 com o(s) relé(s) 50/51 dos
alimentadores.
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