Funções ANSI, curvas IEC 60255, seletividade e integração SCADA — HVEX | Itajubá, MG

Resumo executivo

A proteção de sistemas elétricos de média tensão vive uma transformação silenciosa: os relés eletromecânicos e estáticos, de função única e ajuste por parafuso, cederam lugar a relés digitais microprocessados que concentram, em um único dispositivo, dezenas de funções de proteção codificadas pela tabela ANSI, medição de grandezas elétricas, registro de eventos e oscilografia, e comunicação nativa com sistemas supervisórios. Essa evolução mudou o patamar de agilidade e segurança com que switchgears, cabines primárias industriais e plantas de geração fotovoltaica respondem a curtos-circuitos, sobrecargas e anomalias de tensão e frequência.

Este white paper apresenta os fundamentos do relé digital de proteção: as principais funções ANSI (50/51, 50N/51N, 27/59, 81, 46, 67N, 79), as curvas tempo-corrente normalizadas pela IEC 60255-151 e a metodologia de coordenação e seletividade, além da integração a sistemas SCADA por protocolos como Modbus, DNP3 e IEC 60870-5-103/104 — no contexto da digitalização de subestações impulsionada pela IEC 61850. Mostra ainda as particularidades da proteção de plantas solares e como o Relé de Proteção para Cabines de Média Tensão HVEX materializa esses recursos em uma solução compacta, parametrizável e com comunicação remota.

1. Por que a proteção de média tensão precisou se digitalizar

Cubículos e cabines primárias de média tensão são o ponto de entrega de energia de praticamente toda indústria, hospital, data center e planta de geração distribuída. Uma falta não eliminada — ou eliminada sem seletividade — nesse ponto significa parada de produção, risco de arco elétrico para as equipes e, em plantas geradoras, energia não injetada e penalidades contratuais. A função do sistema de proteção é dupla: eliminar a falta no menor tempo possível e desligar apenas a menor porção possível da instalação.

Os relés de gerações anteriores cumpriam a primeira tarefa com limitações conhecidas: uma função por caixa, faixas de ajuste estreitas, ausência de registro do que de fato ocorreu durante o evento e nenhuma capacidade de comunicação. O diagnóstico pós-falta dependia da memória do operador. Além disso, a expansão da geração distribuída — em especial a fotovoltaica — introduziu fluxos de potência bidirecionais que desafiam esquemas de sobrecorrente convencionais, com fenômenos documentados na literatura como cegueira de proteção (protection blinding), disparo simpático (sympathetic tripping) e perda de coordenação entre dispositivos [1].

O relé digital microprocessado responde a esse cenário: amostra correntes e tensões dezenas de vezes por ciclo, calcula fasores e grandezas RMS em tempo real, executa em paralelo múltiplas funções de proteção parametrizáveis, registra oscilografias e sequência de eventos com estampa de tempo e publica tudo isso em protocolos abertos de comunicação. A revisão da infraestrutura de comunicação de subestações consolidada na norma IEC 61850 — e sua evolução contínua, incluindo estudos recentes sobre novos meios de transporte de mensagens de proteção [2][3] — completou a transformação: a proteção deixou de ser um componente isolado e passou a ser um nó de um sistema de automação.

2. Fundamentos: funções ANSI e curvas tempo-corrente

2.1 As funções de proteção codificadas

A tabela de números de dispositivo ANSI/IEEE C37.2 [4] padroniza a identificação das funções de proteção, e o relé digital moderno implementa dezenas delas simultaneamente. As mais relevantes para alimentadores, cubículos e switchgears de média tensão são:

•       50/51 — sobrecorrente de fase instantânea (50) e temporizada (51), a espinha dorsal da proteção contra curtos-circuitos entre fases, tipicamente organizada em múltiplos estágios independentes;

•       50N/51N (e 51G) — sobrecorrente de neutro/terra, sensível às faltas à terra, que respondem pela maioria das ocorrências em redes de distribuição e instalações industriais;

•       46 (51Q) — sobrecorrente de sequência negativa, que detecta desequilíbrios severos e condutores rompidos, invisíveis às funções de fase convencionais;

•       27/59 — subtensão e sobretensão, essenciais para proteger cargas sensíveis e para os esquemas de desconexão de geração distribuída;

•       81 — sub e sobrefrequência (81U/81O), que supervisionam o equilíbrio geração-carga e compõem os esquemas anti-ilhamento;

•       67/67N — sobrecorrente direcional de fase e de neutro, indispensável quando há fontes em ambos os lados do ponto de medição;

•       79 — religamento automático, para eliminação de faltas transitórias em redes aéreas;

•       Funções complementares: 49 (sobrecarga térmica), 60 (supervisão de TP), 74 (supervisão dos circuitos de comando), 25 (verificação de sincronismo).

2.2 Curvas tempo-corrente IEC 60255 e seletividade

O comportamento temporizado das funções 51/51N segue famílias de curvas de tempo inverso normalizadas pela IEC 60255-151 [5]: normalmente inversa, muito inversa e extremamente inversa, às quais se somam as curvas de tradição norte-americana formalizadas pela IEEE C37.112 [6]. Em todas elas, o tempo de atuação diminui à medida que a corrente de falta cresce, segundo a expressão t = TMS · k / [(I/Is)^α − 1], em que Is é a corrente de ajuste (pickup), TMS o multiplicador de tempo e k e α as constantes da curva escolhida. A Figura 1 apresenta as três características IEC clássicas e um exemplo de coordenação entre dois relés em série.

Figura 1 – Curvas tempo-corrente de tempo inverso conforme IEC 60255-151 (à esquerda) e coordenação entre relés a montante e a jusante com margem de tempo em corrente de falta comum (à direita). Elaboração: HVEX, com base em [5][6].

Seletividade é a propriedade de o dispositivo mais próximo da falta atuar primeiro, preservando o restante da instalação. Na coordenação por tempo, ajusta-se entre dispositivos consecutivos um intervalo de coordenação — tipicamente 0,2 a 0,4 s na corrente máxima de falta comum — que acomoda o tempo de abertura do disjuntor, o sobrepercurso do relé e as tolerâncias das curvas [5][6]. A escolha da família de curva não é estética: curvas extremamente inversas aproximam-se do comportamento de fusíveis e de limites térmicos de cabos e transformadores, enquanto curvas normalmente inversas facilitam a coordenação em faixas amplas de corrente. O relé digital permite combinar estágios temporizados e instantâneos e alternar entre grupos de ajuste completos, adequando a proteção a diferentes topologias de operação.

3. Aplicação em campo: do estudo de seletividade à operação remota

A implantação bem-sucedida de um relé digital segue um fluxo de engenharia bem definido. Primeiro, o estudo de curto-circuito e seletividade: levantamento das impedâncias, cálculo das correntes de falta em cada barramento e construção do coordenograma com todos os dispositivos em série — da proteção geral da concessionária aos fusíveis e disjuntores de baixa tensão. Desse estudo saem os ajustes: correntes de pickup, curvas, multiplicadores de tempo e temporizações dos estágios instantâneos.

Em seguida, a parametrização e o comissionamento: os ajustes são carregados no relé por software dedicado, e a atuação é verificada por injeção secundária de correntes e tensões, estágio por estágio, confirmando pickup, tempo de atuação e lógica de trip. Por fim, a integração: o relé é conectado à rede de supervisão para que medições, alarmes, eventos e comandos fiquem disponíveis remotamente.

A Figura 2 ilustra a arquitetura típica de proteção e comunicação de um cubículo de média tensão: TCs de fase e de neutro e TP alimentam o relé; o relé comanda o disjuntor (trip e religamento); e a porta de comunicação — tipicamente RS485 ou Ethernet, com protocolos Modbus, DNP3 ou IEC 60870-5-103/104 — leva o cubículo ao SCADA da planta ou ao centro de operação da concessionária, por fibra óptica, rádio ou rede celular. Essa camada de comunicação transforma a rotina de operação: alteração de grupo de ajustes, leitura de oscilografias e reconhecimento de alarmes passam a ser feitos sem deslocamento de equipe ao painel [2][3].

Figura 2 – Arquitetura esquemática de proteção e comunicação de um cubículo de média tensão: relé digital com TCs, TP, comando do disjuntor e integração remota ao SCADA. Elaboração: HVEX, com base em [3][7][8].

4. Particularidades da proteção em plantas fotovoltaicas

Plantas solares fotovoltaicas concentram um conjunto de desafios que valorizam o relé digital. Os circuitos coletores de média tensão interligam dezenas de skids de inversores até a subestação elevadora, e cada cubículo coletor precisa de proteção de sobrecorrente coordenada com a proteção geral da usina. A contribuição de curto-circuito dos inversores, porém, é limitada eletronicamente a valores próximos da corrente nominal — o que reduz a sensibilidade das funções 50/51 para faltas internas e recomenda o uso combinado de funções de sequência negativa (46), de tensão (27/59) e direcionais (67/67N) [1].

Além disso, os requisitos de conexão exigem esquemas de desconexão por tensão e frequência (27/59/81) com ajustes precisos, e a operação remota é regra em usinas — frequentemente desassistidas e distantes dos centros de manutenção. O relé digital com comunicação nativa atende simultaneamente às três frentes: proteção coordenada dos cubículos coletores, funções de tensão e frequência parametrizáveis e supervisão remota integral, com registro de eventos para análise de cada atuação.

5. O Relé de Proteção para Cabines de Média Tensão HVEX

A HVEX, fabricante de Itajubá-MG com atuação em soluções de proteção, medição e transdução para os setores de geração, transmissão e distribuição, oferece o Relé de Proteção para Cabines de Média Tensão — relé digital multifunção projetado para proteção de alimentadores e transformadores em cabines primárias, switchgears industriais e plantas de geração [7][8]. O equipamento reúne funções de proteção parametrizáveis, medição em tempo real, registro de eventos e comunicação local e remota, em conformidade com as normas IEC 60255, IEC 60947, IEC 61869, IEC 60870-5-103 e IEEE C37 [7]. A tabela a seguir resume as principais características, conforme o datasheet do produto [8]:

Três atributos merecem destaque. Primeiro, a abrangência funcional: as funções de sobrecorrente em múltiplos estágios, combinadas às proteções de tensão, frequência, sequência negativa e direcional de neutro, cobrem as necessidades típicas de cabines primárias e cubículos coletores sem dispositivos adicionais. Segundo, a rastreabilidade: sequência de eventos, logs e dados de trip permitem reconstruir cada atuação e fundamentar a análise de ocorrências. Terceiro, a integração: a comunicação em Modbus-RTU e IEC 60870-5-103 conecta o relé a praticamente qualquer SCADA ou sistema de gestão de energia do mercado [7][8]. A família de proteção HVEX inclui ainda o Relé Digital de Proteção Multifunção, voltado a unidades terminais de alimentador (FTU), redes em anel (RMU) e switchgears primários [9].

5.1 Aplicações típicas

•       Cabines primárias e switchgears de média tensão em indústrias, hospitais, shoppings e data centers;

•       Cubículos coletores e proteção geral de plantas solares fotovoltaicas e de geração distribuída;

•       Proteção de alimentadores e de transformadores em subestações de consumidores e concessionárias;

•       Retrofit de painéis com relés eletromecânicos ou estáticos, agregando registro de eventos e comunicação;

•       Integração de instalações a sistemas SCADA e centros de operação remotos.

6. Benefícios operacionais mensuráveis

A adoção do relé digital produz ganhos diretos e verificáveis. A seletividade bem coordenada reduz a extensão de cada desligamento ao mínimo necessário, preservando a continuidade das áreas sãs da instalação. O registro de eventos e oscilografias reduz o tempo de diagnóstico pós-falta de horas para minutos, substituindo hipóteses por dados com estampa de tempo. A comunicação remota elimina deslocamentos para leitura de medições, reconhecimento de alarmes e mudança de ajustes — ganho especialmente relevante em plantas solares desassistidas. A parametrização por software, com múltiplos grupos de ajuste, permite adequar a proteção a mudanças de topologia sem intervenção física no painel. E a consolidação de proteção, medição e supervisão em um único dispositivo reduz custo de painel, fiação e manutenção em comparação com soluções de função única [7][8].

7. Conclusão

O relé digital de proteção é hoje o componente central da segurança elétrica de switchgears, indústrias e plantas solares: reúne as funções ANSI consagradas, as curvas normalizadas da IEC 60255-151 e a comunicação remota que a operação moderna exige. Bem especificado e bem coordenado, ele converte o estudo de seletividade em atuações rápidas e cirúrgicas — e converte cada ocorrência em registro objetivo para melhoria contínua da instalação.

O Relé de Proteção para Cabines de Média Tensão HVEX oferece esse conjunto de recursos com parametrização flexível, registro abrangente e integração a sistemas SCADA, com o suporte técnico de uma equipe de engenharia dedicada. Para conhecer as especificações completas e o datasheet do produto, acesse hvex.com.br ou agende uma conversa com nossa equipe técnica.

Referências

[1] MANDITEREZA, P. T.; BANSAL, R. PV based distributed generation power system protection: A review. Renewable Energy Focus, Elsevier, 2018. https://www.sciencedirect.com/science/article/abs/pii/S1755008417302405

[2] Review of the Legacy and Future of IEC 61850 Protocols Encompassing Substation Automation System. Electronics (MDPI), v. 12, n. 15, 3345, 2023. https://www.mdpi.com/2079-9292/12/15/3345

[3] Evaluating 5G Communication for IEC 61850 Digital Substations: Historical Context and Latency Challenges. Energies (MDPI), v. 18, n. 16, 4387, 2025. https://www.mdpi.com/1996-1073/18/16/4387

[4] IEEE Std C37.2, Standard for Electrical Power System Device Function Numbers, Acronyms, and Contact Designations. IEEE, Nova York.

[5] IEC 60255-151, Measuring relays and protection equipment – Part 151: Functional requirements for over/under current protection. IEC, Genebra, 2009.

[6] BENMOUYAL, G. et al. IEEE standard inverse-time characteristic equations for overcurrent relays (IEEE C37.112). IEEE Transactions on Power Delivery, v. 14, n. 3, 1999. https://ieeexplore.ieee.org/document/772326/

[7] HVEX. Relé de proteção para cabines de média tensão – página do produto. https://hvex.com.br/solutions/protecao/rele-de-protecao-para-cabines-de-media-tensao

[8] HVEX. Relé de Proteção para Cabines de Média Tensão – Datasheet técnico. https://space-website.nyc3.digitaloceanspaces.com/produtos-datasheet/1740138429538-Rele_para_Cabines_de_Media_Tensao_Datasheet.pdf

[9] HVEX. Multifunction Digital Protection Relay – página do produto. https://hvex.com.br/en/solutions/protecao/rele-digital-de-protecao-multifuncao