IEC 60255 1xx: Normas funcionais do relé de proteção para todos

15 Outubro 2021

Electrical Tester

Autores: Thierry Bardou, Andrea Bonetti, Volker Leitloff e Murty Yalla

A International Electrotechnical Commission (IEC) está atualmente trabalhando em uma nova série de normas que abrange os requisitos funcionais de relés de medição e equipamentos relacionados utilizados para proteger sistemas de transmissão e distribuição elétrica. As novas normas funcionais de relés de proteção são designados como a série IEC 60255-1xx. A padronização de diversas metodologias de teste e métricas de medição promete benefícios para toda a comunidade de relés de proteção. Um total de cinquenta especialistas internacionais, de dezessete comitês nacionais da IEC, está colaborando para desenvolver essas normas. Andrea Bonetti, da Megger, representa ativamente a Suécia na Comissão e, juntamente com outros três delegados, contribui significativamente para fornecer informações sobre este trabalho importante.

Os sistemas elétricos estão se tornando cada vez mais complexos e sofisticados. Como consequência, os sistemas de proteção também estão mais complexos e, ao mesmo tempo, as consequências de falhas na proteção estão se tornando mais custosas e perturbadoras. Além disso, a ampla implementação de conceitos de redes inteligentes (smart grids) está criando novos desafios para os sistemas de proteção. É evidente, portanto, que há uma necessidade real de normas reconhecidas internacionalmente para definir a funcionalidade dos principais componentes – os relés de proteção e suas funções – que formam a base desses sistemas. Para atender a essa necessidade, a IEC está trabalhando na série IEC 60255-1xx de normas funcionais dedicadas a relés de proteção e suas respectivas funções. Antes de analisar os benefícios que essas normas podem oferecer, é importante considerar algumas informações históricas.

O escopo do TC 95

As normas estão sendo desenvolvidas e publicadas pela Maintenance Team 4 (MT4) do Comitê Técnico IEC 95 (TC 95): "Relés de medição e equipamentos de proteção". O escopo do TC 95 é a padronização de relés de medição, equipamentos de proteção e funções de proteção incorporados em qualquer equipamento ou sistema utilizado em diversos campos da engenharia elétrica abrangidos pela IEC. Isso inclui combinações de dispositivos e funções que formam esquemas para proteção de sistemas de energia. O escopo do TC 95 inclui funções e equipamentos relacionados ao controle, monitoramento e interface de processos usados em sistemas de proteção (como religamento automático, localização de falhas, teleproteção ou interfaces de dados de processo, e registro de falhas); assim como funções de proteção e funções relacionadas à proteção de recursos energéticos distribuídos (DER) ou recursos baseados em inversores (IBR).

É possível observar que o escopo é bastante abrangente. Como resultado, muitas normas estão sendo desenvolvidas nesta série. Alguns já foram publicados, enquanto outros estão em diferentes estágios de desenvolvimento. Todas essas normas têm um objetivo comum: especificar requisitos funcionais mínimos, metodologias de teste, métodos de avaliação de desempenho e o formato para publicação dos resultados de teste para cada função. O objetivo é auxiliar os usuários a avaliar as funções de proteção de maneira padronizada, considerando a seleção, definição, comissionamento, aplicação e operação de relés.

Normas de relé disponíveis e planejadas

No momento da redação, as normas IEC 60255-1xx que já foram publicadas são:

IEC 60255-151:2009, Requisitos funcionais para proteção contra sobrecarga/subcarga de corrente
IEC 60255-127:2010, Requisitos funcionais para proteção contra sobretensão/subtensão
IEC 60255-149:2013, Requisitos funcionais para relés elétricos térmicos
IEC 60255-121:2014, Requisitos funcionais para proteção de distância
IEC/IEEE 60255-118-1:2018, Sincrofasor para sistemas de energia - medições
IEC 60255-181:2019, Requisitos funcionais para proteção de frequência

O trabalho nessas normas está em diferentes estágios de desenvolvimento e espera-se que elas sejam concluídas e publicadas na seguinte ordem:

IEC 60255-187-1, Requisitos funcionais para proteção diferencial restrita e não restrita de motores, geradores e transformadores
IEC 60255-187-3, Requisitos funcionais para relés diferenciais polarizados (porcentagem) para linhas de transmissão
IEC 60255-187-2, Requisitos funcionais para proteção diferencial de barramento

Proteção da rede inteligente: IEC 60255-181:2019

Em 2012, foi formado um grupo de trabalho ad hoc – AHG2 "novos requisitos de proteção para a rede inteligente" –, que apresentou o seu relatório ao TC 95, em 2014. O relatório identificou a necessidade de revisar algumas normas existentes e de desenvolver novas, considerando a alta penetração da geração distribuída, que representa novos desafios de proteção. As revisões das normas IEC 60255-1 e IEC 60255-26, bem como a nova norma funcional IEC 60255-181, foram apontadas como prioridades elevadas.

Embora as normas IEC 60255-1 e IEC 60255-26 ainda estejam em processo de revisão, a nova norma IEC 60255-181 de funções de proteção de frequência e ROCOF foi publicada em fevereiro de 2019. Inclusive, a norma IEC 60255-181 foi recentemente adotada (no outono de 2019) como a norma europeia EN IEC 60255-181, sendo aplicada sem modificações em 34 países da Europa.

Figura 1: Importância da padronização (recriada a partir do slide original cortesia de https://www.slideshare.net/oeconsulting/standard-work-by-operationalexcellence-consulting)

Novo relatório técnico de aplicações da IEC 61850 em sistemas de proteção com relés

O comitê TC 95 também está analisando a aplicação da norma IEC 61850 em sistemas de proteção com relés. A IEC 61850 está relacionada às redes de comunicação e sistemas para automação de concessionárias de energia. Para facilitar este trabalho, o comitê criou um grupo de trabalho dedicado (TC 95/WG 2) para abordar "o uso de valores digitais amostrados em vez de entradas analógicas e mensagens IEC 61850 GOOSE em vez de entradas e saídas binárias". O grupo de trabalho WG 2 está preparando um relatório técnico (TR), que, no momento da redação, tem o título provisório "Parte 216-1: Diretrizes para requisitos e testes de funções de proteção com entradas e saídas digitais". Este relatório deve ser publicado até o final de 2021.

O trabalho realizado por este grupo será coordenado com as normas funcionais existentes da série IEC 60255- 1xx que consideram a tensão, a corrente, a temperatura etc. entradas na forma analógica, além de entradas e saídas binárias. As futuras edições da norma funcional existente, bem como da nova norma, levarão em conta as entradas de tensão, corrente, temperatura etc. em forma analógica e digital de acordo a IEC 61850, além das entradas e saídas binárias e as mensagens IEC 61850 GOOSE.

As normas não são destinadas apenas aos fabricantes de relés!

Após explicar o contexto dessas normas e discutir o status, vamos agora considerar as aplicações e os benefícios. Muitos engenheiros e técnicos que trabalham com sistemas de proteção com relés acreditam que as normas se aplicam apenas aos fabricantes de relés e que, como usuários, eles não precisam conhecer o conteúdo. Isso é lamentável, pois, embora seja verdade que as normas se aplicam aos fabricantes de relés, também é verdade que os usuários se beneficiarão ao conhecer e compreender as questões abordadas nessas normas. Os usuários de relés também devem levar em conta o conteúdo das normas em seu trabalho.

Por exemplo, a norma IEC 60255-121:2014, referente à função de proteção de distância, oferece dois métodos de teste que um fabricante de relés pode escolher para medir a precisão (chamada precisão básica) de um relé de proteção de distância [1]. Um método é chamado de "rampa pseudocontínua" e o outro é chamado de "rampa de disparos". Por razões técnicas, os dois métodos podem fornecer resultados diferentes. Consequentemente, solicita-se ao fabricante que forneça não apenas o valor da precisão básica, mas também o método usado para avaliá-la. Além disso, durante o comissionamento, pode ser necessário verificar a precisão do relé de proteção para verificar se ele está em boas condições. Nesses testes, é recomendável usar o mesmo método de teste utilizado pelo fabricante para garantir uma comparação justa e evitar mal-entendidos desnecessários caso os resultados dos testes sejam questionados.

Outro exemplo está relacionado à norma IEC 60255-181:2019, relativa às funções de proteção por frequência e associadas à frequência [2]. Essa norma especifica uma rampa de frequência específica, cuja fórmula pode ser encontrada no anexo normativo A da IEC 60255-181. Testar relés de frequência com uma rampa de frequência diferente pode resultar em resultados inesperados, dependendo dos algoritmos do relé, e, mais uma vez, isso pode levar a discussões desnecessárias se o resultado do teste for considerado insatisfatório. Como nenhum engenheiro de teste ou usuário final deseja ter dúvidas sobre o comportamento do relé de proteção durante a comissionamento, é melhor sempre usar a mesma rampa de frequência padronizada.

Não apenas o engenheiro de teste deve estar ciente desses requisitos, mas também se espera que os fabricantes de equipamentos de teste implementem métodos de teste padronizados em seus conjuntos de testes. Como esses dois exemplos demonstraram, a cadeia de padronização vai muito além dos fabricantes de relés.

Benefícios para os usuários

E quanto aos usuários finais? É suficiente especificar "os dispositivos de proteção com relés devem estar em conformidade com as partes aplicáveis da série de normas funcionais IEC 60255-1xx"? Bem, essa frase é melhor do que nada. Ela garante que os relés de proteção utilizados no sistema, pelo menos, tenham passado por todos os testes exigidos pela norma e também estejam cobertos pelas declarações essenciais que os fabricantes de relés devem fornecer. No entanto, incluir essa frase, infelizmente, não garante que os relés de proteção atendam aos requisitos da aplicação do usuário. Mas como isso é possível?

A razão é que a série de normas IEC 60255-1xx não inclui critérios de aprovação/reprovação para os testes, exceto em alguns casos muito específicos. Ela fornece um amplo conjunto de testes padronizados para verificar o desempenho do relé (tempo de operação, horário de início, precisão, segurança etc.), mas não determina qual é o melhor relé, pois isso depende da aplicação.

Outro exemplo, relacionado à norma IEC 60255-121: 2014, pode deixar isso mais claro. O relé de proteção de distância A apresenta um "tempo típico de operação" padronizado de 18 ms, mas em outros testes, o relé mostra alguma imprecisão na seleção das fases com falha. O relé B apresenta um "tempo típico de operação" de 28 ms, mas todos os testes mostraram que ele relata corretamente as fases com falha. Se minha aplicação tiver apenas um desarme trifásico, posso optar pelo relé A. Mas se minha aplicação tiver desarme mono ou multifásico, com bloqueio de operações de religamento automático quando falhas multifásicas forem detectadas, provavelmente escolherei o relé B.

Consequentemente, recomenda-se fortemente que os fabricantes de relés, fabricantes de equipamentos de teste de relés e engenheiros de comissionamento e manutenção de relés estejam cientes das normas funcionais, e que os usuários finais também estejam igualmente cientes! Espera-se que os usuários finais criem perfis de usuário que incluam critérios de aceitação e requisitos relacionados às suas aplicações específicas. No entanto, ao criar esses perfis, os usuários serão orientados pelas informações e definições contidas nas normas [1] e [2]. Além disso, os usuários podem adotar um subconjunto dos testes padronizados descritos na série IEC 60255-1xx como base para a formulação de seus testes de aceitação. Na verdade, não é incomum ver os testes de aceitação de fábrica diretamente relacionados ou pelo menos inspirados pelas normas da série IEC 60255-1xx.

Como mencionado anteriormente, as normas também contêm várias declarações que os fabricantes de relés devem fazer para auxiliar os processos de engenharia envolvidos na proteção de subestações elétricas. Saber que os fabricantes devem fornecer essas informações tornará mais fácil para os engenheiros projetar sistemas de proteção confiáveis. Nesse caso, como antes, não há critérios de aprovação/reprovação para essas declarações. O quão bem elas foram abordados é um julgamento para o usuário. No entanto, é claro que, se algumas declarações estiverem faltando, o fornecedor não poderá declarar conformidade com a norma.

Como exemplo, as normas dão ênfase particular às fórmulas atuais de dimensões de transformadores que os fabricantes são obrigados a fornecer, que agora devem estar em um formato matemático padronizado. Na verdade, chegar a um consenso na comunidade de retransmissão de proteção sobre a importância dessas fórmulas para usuários de retransmissão tem sido um dos objetivos mais importantes alcançados pelo comitê TC 95/MT 4. Os fabricantes de relés devem realizar testes abrangentes para atender a esse requisito, o que resultará em benefícios que incluem projeto e engenharia de sistemas de proteção mais fáceis, mais seguros e mais confiáveis.

Vale a pena mencionar que as normas não detalham especificamente o comissionamento ou os testes de rotina das funções de proteção. No entanto, várias cláusulas podem ser aplicadas a esses testes e isso ajudará a minimizar o risco de mal-entendidos sobre a validação no campo em comparação com o desempenho declarado pelo fabricante do relé ou solicitado pelo usuário, conforme explicado anteriormente. Além disso espera-se que os fabricantes de equipamentos de teste de relé implementem as definições e metodologias de teste detalhadas nas normas em relação aos testes de comissionamento e manutenção.

Muitos estão aguardando o relatório técnico da IEC 61850

Toda a comunidade de relés aguarda com grande expectativa o relatório técnico que o TC 95/WG 2 está desenvolvendo sobre a aplicação da IEC 61850 em GOOSE e valores amostrados em sistemas de proteção com relés. O relatório visa fornecer diretrizes significativas para o uso da IEC 61850 em aplicações de proteção, com muitos requisitos obrigatórios no relatório que não são obrigatórios na própria norma IEC 61850. Também pode ser dito que o relatório fornece um perfil de proteção de relé para a norma IEC 61850. O relatório fornece detalhes específicos sobre o barramento de processo, unidades de mesclagem, sincronização de tempo e testes. Está planejado que o trabalho realizado por este grupo seja introduzido nas normas existentes da série IEC 60255-1xx que consideram a tensão, a corrente, a temperatura e outras entradas somente na forma analógica, além de entradas e saídas binárias. Como já mencionado, as próximas edições da norma funcional existente, bem como a nova, levarão em conta as entradas de tensão, corrente, temperatura etc., na forma analógica e digital, de acordo com a norma IEC 61850, bem como as entradas e saídas binárias e as mensagens IEC 61850 GOOSE. Uma vez publicado o relatório, as partes mais significativas serão integradas à série IEC 60255-1xx, tornando-se normas IEC completas [3].

Conclusões

Concluindo, vimos que, para os fabricantes de relés, as normas fornecem requisitos detalhados que deverão adotar. Para os usuários finais elas fornecem orientação clara e inequívoca sobre os relés de desempenho, e a documentação que eles podem esperar dos fabricantes. Para fabricantes de equipamentos de teste de relé, as normas determinam os métodos de teste que eles devem fornecer. Os engenheiros de teste têm uma tarefa mais fácil. O uso dos conceitos e métodos padronizados por todas as seções da comunidade de proteção minimiza mal-entendidos nas fases de aquisição, pedido, comissionamento/manutenção e FAT/SAT. Esse entendimento técnico comum facilita um processo de projeto mais fluido, ágil e econômico. Em suma, as normas da nova série IEC 60255-1xx são relevantes e importantes para todos que trabalham com sistemas de proteção com relés, independentemente do seu papel nesta respeitada comunidade técnica.

Nota do editor: Este artigo é escrito pelos autores em nome dos comitês/grupos de trabalho da IEC mencionados, e não em nome de suas empresas afiliadas. O editor da Electrical Tester expressa gratidão pelos esforços consideráveis em termos de tempo e competência dedicados na elaboração deste artigo e agradece em especial às afiliadas dos autores por participarem ativamente e alocarem recursos importantes para o trabalho de padronização, que é um esforço além do puro negócio diário.

Referências

[1] Bonetti, Andrea, Murty V.V.S. Yalla, and Stig Holst. "The IEC 60255-121:2014 Standard and Its Impact on Performance Specification, Testing and Evaluation of Distance Protection Relays". In 2016 IEEE/PES Transmission and Distribution Conference and Exposition (T D), 1–6, 2016. https://doi.org/10.1109/TDC.2016.7520031

[2] Bonetti, Andrea, Janez Zakonjsek, and Urban Rudez. "Bringing ROCOF into Spotlight in Smart Grids: New Standardization and UFLS Method", 2020. https://doi.org/10.1109/GPECOM49333.2020.9248722

[3] Leitloff, Volker, Hao Chen, Dehui Chen, Andrea Bonetti, Lei Xu, and Ahmed Mohamed. "Standardisation Challenges for Digital Inputs and Outputs of Protection Functions in IEC 60255 Series". In ResearchGate. Glasgow, UK, 2019. https://www.researchgate.net/publication/334050781_Standardisation_Chal…

Sobre os autores

Andrea Bonetti - Andrea é especialista sênior em proteção de relés e aplicações da IEC 61850 na Megger Sweden AB. Ele é um membro ativo da IEC:

Membro da IEC TC 95/MT 4. Relés de medição e equipamentos de proteção – Normas funcionais.
Membro da IEC TC 95/WG 2. Funções de proteção com entrada/saída digital.
Membro da IEC TC JWG 17. Documentação de comunicação na automação de concessionárias de energia.
Andrea recebeu o prêmio IEC 1906 em 2013. Ele é um membro correspondente do CIGRÉ WG B5.53.

https://www.linkedin.com/in/bonetti-andrea/

Murty Yalla - Murty é presidente da Beckwith Electric Co, Flórida, EUA. Murty é um membro ativo da IEC:

Presidente da IEC TC 95.
Coordenador do TC 95/MT 4.
Murty recebeu o prêmio IEC 1906 em 2010.

Ele é membro ativo do IEEE, NERC e CIGRÉ e foi eleito em 2006 pelo IEEE Fellow Committee por suas contribuições em relés de computador para sistemas de energia.

https://www.linkedin.com/in/dr-murty-vvs-yalla-08014515/

Thierry Bardou - Thierry é engenheiro sênior em relé de proteção na Schneider Electric. Thierry é um membro ativo da IEC:

Secretário da IEC TC 95 "Relés de medição e equipamentos de proteção".
Membro da IEC TC 95/MT4 "Relés de medição e equipamentos de proteção – Normas funcionais".
Membro do ACTAD (Comitê Consultivo para Transmissão e Distribuição de Eletricidade) da IEC.

https://www.linkedin.com/in/thierry-bardou-40527b68/

Volker Leitloff - Volker é especialista em proteção de domínio e automação com RTE (TSO francês). Volker é um membro ativo da IEC:

Coordenador da IEC TC 95/WG 2 "Funções de proteção com entrada/saída digital".
Presidente da IEC TC 38 e da CENELEC 38 "Transformadores de instrumentos" e membro da IEC TC 38 WG 37 e WG 47.
Membro do TC 95/MT 4 "Relés de medição e equipamentos de proteção – Normas funcionais".

Volker é um membro ativo do CIGRÉ: