A Proteção por Impedância (21G / 21M) é um princípio de relé de distância aplicado à proteção de motores. Mede a impedância complexa (Z = V/I) nos terminais do motor para detectar falhas *dentro* da zona do motor, oferecendo sensibilidade superior para falhas de alta impedância (enrolamento-terra, espiras-espiras) onde elementos baseados em corrente (50/51) falham.
Princípio Fundamental
Impedância do Motor Zmotor = Vterm / Iterm.
- Funcionamento Saudável: Z ≈ Constante (Ls + Lr' + Rs + Rr'/s). Lugar no diagrama R-X é previsível.
- Falha Interna: Z **cai dramaticamente** (curto-circuito) ou **muda ângulo** (assimetria).
- Falha Externa / Carga: Z permanece fora da zona protegida (ou move-se previsivelmente junto à linha de carga).
Por que Detecta o que Sobrecorrente Perde
| Tipo de Falha | Resposta Sobrecorrente (50/51) | Resposta Impedância (21) |
|---|
| Falha Terra Alta Resistência (HRGF) | Corrente < Ajuste (ex: 10A em motor 1000A). **Não detectada.** | Z cai na Zona 1 (Rfalha + Xmotor). **Detectada.** |
| Curto Espira-Espira (Mesma Fase) | Pequeno ΔI (poucos %). Modelo térmico lento. **Atrasada/Não detectada.** | Mudança de ângulo Z (R↓, X↓). **Detecção Rápida.** |
| Inter-espiras Estator | Frequentemente invisível a diferencial (87) se mesmo TC. | Impedância Seq. Negativa (Z₂) cai. **Detectada via elemento Z₂.** |
| Perda de Campo (Motor Síncrono) | Corrente ↑ mas pode não disparar 51. | Z oscila para quadrante capacitivo. **Detectada.** |
Requisitos de Implementação
- Entradas de Tensão (VT/PT): Obrigatório. 3-Fases V + Neutro (para Z₀).
- Entradas de Corrente (TC): 3-Fases (para cálculo Z₁, Z₂, Z₀).
- Relé: Relé de Proteção de Motor (SEL-710, GE M60, Siemens 7UM, ABB REM615, Schweitzer).
- Ajustes: Zona 1 (Instantânea, 80-90% Zmotor), Zona 2 (Atraso, Backup para Barramento/Alimentador). Característica Mho ou Quadrilátero.
Vantagens
- Alta Sensibilidade: Detecta falhas a 1-5% do enrolamento (próximo ao neutro) onde 87/50 falham.
- Seletividade: Zona 1 = Apenas Motor. Zona 2 = Backup Barramento/Alimentador. Sem atraso de coordenação para Zona 1.
- Velocidade: 1-2 ciclos (Sub-ciclo com onda viajante). Mais rápido que Modelo Térmico (49).
- Imunidade a Invasão de Carga: Característica quadrilátero exclui região de impedância de carga (Alto R, Baixo X).
Limitações
- Precisão TC/VT: Requer TCs e VTs Classe 0.2/0.5S. Erro de razão → Erro de Z.
- Invasão de Carga (Carga Pesada): Impedância de carga baixo FP pode entrar na Zona 1 → Persianas/Lógica de invasão de carga necessária.
- Partida com Inrush: Z muito baixa durante partida. **Bloquear Elemento Impedância durante Partida** (via contato 52a ou Chave de Velocidade / Frequência).
- Custo: VTs + Relé Avançado > Relé Simples 50/51/49/46.
Integração Moderna: Relé de Proteção de Motor (MPR)
A Impedância (21) é **um elemento** em um conjunto abrangente de MPR:
49 (Térmico) + 50/51 (OC Fase/Neutro) + 46 (Seq Neg) + 50G/51G (Terra) + 21 (Impedância) + 87 (Dif - motores grandes) + 66 (Partidas/hr) + RTD + Vibração.
Veredito
Essencial para: Grandes (>1000 HP / 750 kW), Média Tensão (2,3kV+), Processo Crítico, Sistemas Terra Alta Impedância.
Exagero para: Pequenos Motores BT (<200 HP) em Sistemas Terra Sólida — Térmico + OC + Terra suficiente.
