Simulador de seletividade 51×51 — coordene dois relés e veja qual atua primeiro

O que é coordenar dois relés em série

Numa instalação industrial, a energia chega por um alimentador e se ramifica até as cargas. Ao longo desse caminho ficam relés de sobrecorrente em pontos sucessivos — um mais perto da carga, outro mais a montante, no alimentador ou na entrada do transformador. Quando ocorre uma falta, o ideal é que apenas o disjuntor mais próximo do problema abra, isolando o menor trecho possível e mantendo o resto da planta energizado. Essa é a seletividade, e ela não acontece por acaso: depende de ajustar os relés para que atuem na ordem certa.

Com dois relés de sobrecorrente temporizados (a função 51) em série, a regra é simples de enunciar e difícil de acertar no campo: o relé de jusante, mais perto da carga, precisa atuar antes do relé de montante. O montante só deve agir se o jusante falhar — ele é a retaguarda, a proteção de reserva. A diferença entre o tempo de operação dos dois, para uma mesma corrente de falta, é o CTI, o intervalo de coordenação. É essa folga de tempo que dá ao jusante a chance de abrir o disjuntor antes que o montante chegue a disparar.

O simulador acima representa exatamente essa cena. No painel da esquerda você ajusta os dois relés, independentemente. No coordenograma do meio, as duas curvas aparecem — a vermelha do jusante, a azul do montante — e o ponto de operação de cada uma se move ao vivo conforme você desliza a corrente de falta. A folga entre os dois pontos é o CTI, desenhado como um segmento vertical com o seu valor. Na rede da direita, ao apertar SIMULAR FALTA, a corrente percorre o unifilar e os relés atuam em sequência, com a linha do tempo marcando quando cada um abre.

Como ler o coordenograma de coordenação

O gráfico central do simulador é um coordenograma: o mesmo gráfico log-log que aparece em qualquer estudo de coordenação de proteção. No eixo horizontal está a corrente — quanto mais à direita, maior a corrente de falta. No eixo vertical está o tempo de operação — quanto mais para baixo, mais rápido o relé atua. Os dois eixos são logarítmicos, porque as correntes de falta variam de centenas a milhares de amperes e os tempos vão de centésimos a dezenas de segundos; só a escala log cabe tudo isso num gráfico legível.

A diferença para o coordenograma de um relé único é que aqui há duas curvas. A vermelha é a curva da função 51 do relé jusante; a azul, a do relé montante. Cada uma desce da esquerda para a direita: em corrente baixa o tempo é longo, em corrente alta ele despenca. Para o par ser seletivo, a curva do jusante deve ficar abaixo da curva do montante na faixa de corrente que interessa — abaixo significa mais rápido. O ponto vermelho marca o tempo do jusante na corrente de falta escolhida; o ponto azul, o do montante. A distância vertical entre eles é o CTI.

Mova o slider de corrente de falta e veja os dois pontos deslizarem pelas suas curvas, com o CTI mudando junto. Essa leitura, sozinha, já responde à pergunta central da coordenação: para esta corrente de falta, com estes ajustes, o jusante atua com folga suficiente antes do montante? Se a margem CTI fica verde, sim; se fica amarela, a folga é estreita; se fica vermelha, a coordenação se perdeu. A linha vertical cinza tracejada é a própria corrente de falta, e a faixa rosada, quando aparece, marca a região onde as curvas se cruzam.

Os três ajustes que mandam na coordenação

Cada relé tem três ajustes que governam a sua curva, e o simulador foi feito para você ver o efeito de cada um sobre a coordenação do par. Entender essa relação causa-efeito é o que separa quem decora valores de quem realmente coordena proteção.

Pickup (Is) — onde a curva começa

O pickup, ou corrente de partida Is, é a corrente a partir da qual o relé passa a temporizar. Abaixo dela, o relé não opera. No coordenograma, mudar o pickup desliza a curva horizontalmente. A regra de consistência da coordenação em série é que o pickup do montante deve ser maior ou igual ao do jusante — o relé de reserva enxerga a partir de uma corrente igual ou mais alta. Se você inverter isso no simulador, o campo fica com borda de alerta e um aviso: a ferramenta permite, para fins didáticos, mas a configuração é atípica.

TMS (dial) — o botão da seletividade

O TMS, Time Multiplier Setting, também chamado de dial, é o multiplicador de tempo. Ele escala a curva inteira para cima ou para baixo sem mudar a forma: dobrar o TMS dobra o tempo de operação em qualquer corrente. É o ajuste de coordenação por excelência. A forma mais limpa de coordenar dois relés é dar ao montante um TMS maior que o do jusante, mantendo a mesma família e o pickup compatível: as curvas ficam paralelas, o montante sempre acima do jusante, e o CTI fica constante em toda a faixa. Experimente o caso-ouro dos gêmeos no simulador para ver esse efeito.

Família de curva — a forma da resposta

A família de curva define o formato da resposta tempo×corrente. A norma IEC 60255-151 padroniza quatro famílias, e cada uma cai de um jeito diferente conforme a corrente sobe. Aqui mora o conceito mais sutil da coordenação em série: quando os dois relés têm famílias diferentes, as curvas podem se cruzar — e a partir do cruzamento a coordenação se inverte. A próxima seção destrincha esse ponto.

SI, VI, EI e LTI: por que a família muda a coordenação

As quatro famílias de curva da norma IEC 60255-151 diferem em quão íngreme é a queda do tempo conforme a corrente cresce. Na coordenação em série, a escolha da família de cada relé decide se as curvas ficam paralelas ou se cruzam:

• SI — Standard Inverse: a mais plana. O tempo cai devagar com a corrente. Curva de uso geral em alimentadores.
• VI — Very Inverse: declínio acentuado. É a família mais usada no Brasil em média tensão e a mais fácil de coordenar consigo mesma, porque dois relés VI bem ajustados ficam com curvas paralelas.
• EI — Extremely Inverse: a mais íngreme das quatro. O tempo despenca muito rápido em corrente alta. Ótima para coordenar com fusíveis e seguir a curva de dano de transformador, mas exige cuidado: misturar EI com uma família plana é receita de cruzamento.
• LTI — Long Time Inverse: uma curva lenta e longa. Mantém tempos altos por uma faixa ampla de corrente. Usada onde a carga tem arranque demorado, como um motor grande.

O ponto que o simulador revela melhor que qualquer texto: quando o jusante e o montante têm famílias diferentes, as curvas têm inclinações diferentes e podem se cruzar em algum ponto da escala de corrente. Antes do cruzamento, o jusante é mais rápido (coordenado); depois dele, o montante passa a ser mais rápido (não coordenado). Carregue o caso-ouro do cruzamento EI×SI no simulador: a faixa rosada aparece à direita da corrente de cruzamento, e o aviso diz a partir de qual corrente o par deixa de ser seletivo. É por isso que a recomendação clássica é coordenar relés da mesma família sempre que possível — com a mesma forma de curva, basta separar os TMS para garantir folga em toda a faixa.

Os cinco estados da coordenação

Para cada combinação de ajustes e corrente de falta, o simulador classifica a coordenação em um de cinco estados, e muda a cor do resultado de acordo. Conhecê-los é conhecer o vocabulário da seletividade:

• Seletivo (verde): o jusante atua primeiro e a margem CTI é maior ou igual ao mínimo desejado. A falta é isolada no menor trecho. É o alvo de todo ajuste.
• Marginal (amarelo): o jusante ainda atua primeiro, mas a folga CTI está abaixo do mínimo. A ordem está certa, mas a margem é estreita demais — temperatura, tolerância do relé e tempo de abertura do disjuntor podem comprometer a seletividade. Sinal para aumentar o TMS do montante ou reduzir o do jusante.
• Não seletivo (vermelho): o tempo do montante é menor ou igual ao do jusante, ou as curvas se cruzam antes da corrente de falta. Os dois disjuntores abrem juntos, derrubando mais carga que o necessário. É o ajuste mal feito que a ferramenta existe para flagrar.
• Zona morta: a corrente de falta está abaixo do pickup do jusante. Nenhum dos dois relés enxerga a falta — ela passaria sem proteção atuar. Pickup ajustado alto demais.
• Zona cega do montante: a corrente está acima do pickup do jusante mas abaixo do pickup do montante. Só o jusante atua; o montante nunca veria essa falta. Pode ser correto, se a zona morta do montante for intencional, ou um problema, se a retaguarda deveria cobrir.

Mova os ajustes e a corrente de falta no simulador e veja o estado mudar ao vivo, com o card trocando de cor e o coordenograma redesenhando. É a maneira mais rápida de construir a intuição de coordenação que, no campo, leva anos para formar.

Como o simulador calcula os tempos

O tempo de cada relé sai da mesma equação fechada da norma IEC 60255-151, aplicada ao jusante e ao montante na mesma corrente de falta. É a mesma equação usada no motor de cálculo interno da Token, validada em centenas de casos de teste. O tempo de operação é o produto do TMS por uma constante k da família, dividido por (M elevado a α, menos 1), onde M é a razão entre a corrente de falta e o pickup do relé. Cada família tem o seu par de constantes k e α:

Veja com o caso de escola que o simulador já traz carregado: dois relés Very Inverse, o jusante com Is = 100 A e TMS = 0,30, o montante com Is = 400 A e TMS = 0,60, sob uma falta de 600 A. Para o jusante, M vale 600 dividido por 100, ou seja 6; o tempo dá 0,30 × 13,5 dividido por (6 menos 1), igual a 0,81 segundo. Para o montante, M vale 600 dividido por 400, ou seja 1,5; o tempo dá 0,60 × 13,5 dividido por (1,5 menos 1), igual a 16,2 segundos. O jusante atua muito antes — o par é folgadamente seletivo nessa corrente. Aumente a corrente de falta no slider e veja os dois tempos caírem, mas o jusante sempre na frente, porque as curvas VI são paralelas.

A equação tem um cuidado importante: quando a corrente de falta é igual ou menor que o pickup de um relé, o denominador zera ou fica negativo e o tempo daquele relé tende ao infinito — ele não opera. É o que produz os estados de zona morta e zona cega. O simulador trata esses casos explicitamente: em vez de mostrar um número absurdo, ele nomeia o estado e explica o que está acontecendo.

O que este simulador não faz (e o que faz o estudo de coordenação)

Ser honesto sobre o escopo é parte de uma boa ferramenta de engenharia. Este simulador é um modelo didático de dois relés 51 em série, com as quatro famílias de curva da norma IEC 60255-151. Ele é ótimo para entender a coordenação de um par e treinar a leitura do coordenograma. Mas ele deliberadamente não trata:

• cadeias de três ou mais relés em série, com verificação de coordenação em cada par adjacente;
• a função 50 instantânea sobreposta a cada relé — coberta no simulador de relé 50/51;
• a proteção de terra (funções 50N e 51N), com pickup e dial próprios;
• a sobrecorrente com restrição ou controle de tensão (função 51V);
• as curvas de dano de transformador e de cabo, que limitam por cima o tempo aceitável de cada relé.

A decisão de qual ajuste é seletivo e adequado para uma instalação específica é projeto de engenharia. Ela exige o levantamento das correntes de curto-circuito em cada barra, as curvas de todos os dispositivos da cadeia, as curvas de dano dos equipamentos, e uma memória de cálculo que justifique cada pickup e cada TMS — tudo consolidado num laudo com responsável técnico e ART. Esse é o estudo de coordenação e seletividade de proteção, e é o serviço que esta ferramenta gratuita prepara você para conversar de igual para igual. A Token Engenharia executa estudos de coordenação de proteção, com coordenograma completo da planta e laudo assinado, em todo o Brasil.

Perguntas frequentes

O que é seletividade entre dois relés de sobrecorrente?

É a propriedade de a proteção isolar a falta no menor trecho possível. Com dois relés 51 em série, o de jusante (mais perto da carga) deve atuar primeiro; o de montante só age se o jusante falhar, como retaguarda. Quando isso acontece na ordem certa, com folga de tempo, o par é seletivo: uma falta na carga desliga só o disjuntor da carga, e o resto da planta segue energizado.

O que é o CTI entre dois relés 51?

O CTI, intervalo de coordenação, é a diferença entre o tempo do montante e o do jusante para a mesma corrente de falta: CTI = t_montante menos t_jusante. É a folga que garante que o jusante abra o disjuntor antes de o montante atuar. Folga larga = coordenação firme; estreita = risco de perder a seletividade. O simulador desenha o CTI como o segmento entre os dois pontos de operação.

Qual é o valor mínimo de CTI que devo usar?

É critério de projeto, não cláusula de norma. A prática de mercado cita de 0,2 a 0,3 segundo para relés eletromecânicos e de 0,1 a 0,2 segundo para digitais. O simulador usa 0,2 segundo como padrão conservador, com opções de 0,15 e 0,3 segundo, e marca o valor como referência a verificar com o responsável técnico. O critério exato depende do relé e do disjuntor reais.

Por que as curvas de dois relés podem se cruzar?

Porque famílias de curva diferentes caem com velocidades diferentes conforme a corrente sobe. Um jusante com curva muito íngreme pode ser mais lento que o montante em corrente baixa e mais rápido em corrente alta. No ponto em que os tempos se igualam, as curvas se cruzam, e a partir dali a coordenação se perde. O simulador detecta o cruzamento, sombreia a região e avisa a partir de qual corrente.

Como o simulador calcula o tempo de cada relé?

Pela equação de tempo inverso da norma IEC 60255-151, a mesma para os dois: o tempo é o TMS vezes a constante k da família, dividido por (M elevado a α, menos 1), com M igual à corrente de falta dividida pelo pickup. O simulador roda a conta para o jusante e o montante na mesma corrente, subtrai os tempos para achar o CTI e classifica o estado.

O que é a zona morta e a zona cega na coordenação?

Zona morta é quando a corrente de falta está abaixo do pickup do jusante: nenhum relé enxerga a falta. Zona cega do montante é quando a corrente está acima do pickup do jusante mas abaixo do pickup do montante: só o jusante atua. O simulador identifica e nomeia os dois estados ao mover a corrente de falta.

Este simulador substitui o estudo de coordenação de proteção?

Não. É um modelo didático de dois relés 51 em série, com as quatro famílias, para ver o efeito de cada ajuste. Não trata cadeias de três relés, a função 50, a proteção de terra (50N/51N), tensão controlada (51V) nem as curvas de dano. A decisão do ajuste seletivo é projeto com memória de cálculo, curva de dano e ART. A Token Engenharia executa esse estudo em todo o Brasil.