trabalho sobre Transformadores de corrente

trabalho sobre Transformadores de corrente

SERVIÇO NACIONAL DE APRENDIZAGEM INDUSTRIAL-

SENAI-SC

ELETROMECÂNICA

TRANSFORMADOR DE CORRENTE

SÃO MIGUEL DO OESTE - ­­SC

2010

INTRODUÇÃO

O trabalho visa mostrar, o princípio de funcionamento de um transformador de corrente é um dispositivo que reproduz no seu circuito secundário, a corrente que circula em um enrolamento primário.

Vamos ver também os tipos de enrolamentos que existem em TC’s, a sua simbologia e também as suas classes de exatidão. Iremos apresentar também o porque o secundário do transformador de corrente não pode ficar aberto.

Transformadores de Corrente

Os transformadores de corrente são equipamentos que permitem aos instrumentos de medição e proteção funcionarem adequadamente sem que seja necessário possuírem correntes nominais de acordo com a corrente de carga do circuito ao qual são ligados. Na sua forma mais simples, eles possuem um primário, geralmente poucas espiras, e um secundário, no qual a corrente nominal transformada é, na maioria dos casos, igual a 5 A. Dessa forma, os instrumentos de medição e proteção são dimensionados em tamanhos reduzidos com as bobinas de corrente constituídas com fios de pouca quantidade de cobre.

Os transformadores de corrente são utilizados para suprir aparelhos que apresentam baixa resistência elétrica, tais como amperímetros, relés de indução, bobinas de corrente de relés diferenciais, medidores de energia, de potência etc.

Os TC's transformam, através do fenômeno de conversão eletromagnética, correntes elevadas, que circulam no seu primário, em pequenas correntes secundárias, segundo uma relação de transformação.

A corrente primária a ser medida, circulando nos enrolamentos primários, cria um fluxo magnético alternado que faz induzir as forças eletromotrizes Ep e Es, respectivamente, nos enrolamentos primário e secundário.

Dessa forma, se nos terminais primários de um TC, cuja relação de transformação nominal é de 20, circular uma corrente de 100 A, obtém-se no secundário a corrente de 5A , ou seja : 100/20 = 5A.

CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS

Os transformadores de corrente podem ser construídos de diferentes formas e para diferentes usos, ou seja:

TC tipo Barra

É aquele cujo enrolamento primário é constituído por uma barra fixada através do núcleo do transformador, conforme mostrado abaixo.

TC tipo enrolado

É aquele cujo enrolamento primário é constituído de uma ou mais espiras envolvendo o núcleo do transformador, conforme ilustrado abaixo.

TC tipo janela

É aquele que não possui um primário fixo no transformador e é constituído de uma abertura através do núcleo, por onde passa o condutor que forma o circuito primário, conforme abaixo.

TC tipo bucha

É aquele cujas características são semelhantes ao TC do tipo barra, porém sua instalação é feita a bucha dos equipamentos (transformadores, disjuntores, etc.), que funcionam como enrolamento primário, de acordo como mostrado abaixo.

TC de núcleo dividido

É aquele cujas características são semelhantes às do tipo janela, em que o núcleo pode ser separado para permitir envolver o condutor que funciona como enrolamento primário, conforme mostrado abaixo.

TC com vários enrolamentos primários

É aquele constituído de vários enrolamentos primários montados isoladamente e apenas um enrolamento secundário, conforme abaixo.

TC com vários núcleos secundários

É aquele constituído de dois ou mais enrolamentos secundários montados isoladamente, sendo que cada um possui individualmente o seu núcleo, formado, juntamente com o enrolamento primário, um só conjunto, conforme se na figura abaixo.

Neste tipo de transformador de corrente, a seção do condutor primário deve ser dimensionada tendo em vista a maior das relações de transformação dos núcleos considerados.

TC com vários enrolamentos secundários

É aquele constituído de um único núcleo envolvido pelo enrolamento primário e vários enrolamentos secundários, conforme se mostra na figura abaixo, e que podem ser ligados em série ou paralelo.

TC tipo derivação no secundário

É aquele constituído de um único núcleo envolvido pelos enrolamentos primário e secundário, sendo este provido de uma ou mais derivações. Entretanto o primário pode ser constituído de um ou mais enrolamentos, conforme se mostra na figura a seguir. Como os amperes-espiras variam em cada relação de transformação considerada, somente é garantida a classe de exatidão do equipamento para a derivação que estiver o maior número de espiras. A versão deste tipo de TC é dada na figura abaixo.

Os transformadores de corrente de baixa tensão normalmente têm o núcleo fabricado em ferro-silício de grãos orientados e está, juntamente com os enrolamentos primário e secundário, encapsulado em resina epóxi, submetida a polimerização, o que lhe proporciona endurecimento permanente, formando um sistema inteiramente compacto e dando ao equipamento características elétricas e mecânicas de grande desempenho, ou seja:

    • Incombustibilidade do isolamento;

    • Elevada capacidade de sobrecarga, dada a excepcional qualidade de condutividade térmica da resina epóxi;

    • Elevada resistência dinâmica às correntes de curto-circuito;

    • Elevada rigidez dielétrica.

Já os transformadores de corrente de média tensão, semelhantemente aos de baixa tensão, são normalmente construídos em resina epóxi, quando destinados às instalações abrigadas, conforme as Figuras a seguir.

Também são encontrados transformadores de corrente para uso interno, construídos em tanque metálico cheio de óleo mineral e provido de buchas de porcelana vitrificada comum aos terminais de entrada e saída da corrente primária.

Os transformadores de corrente fabricados em epóxi são normalmente descartados depois de um defeito interno. Não é possível a sua recuperação.

Os transformadores de corrente de alta tensão para uso ao tempo são dotados bucha de porcelana vitrificada com saias, comum aos terminais de entrada da corrente primária.

Os transformadores de corrente destinados a sistemas iguais ou superiores a 69 kV têm os seus primários envolvidos por uma blindagem eletrostática, cuja finalidade é uniformizar o campo elétrico.

Simbologia e Convenções

Simbologia de dois transformadores de corrente

A simbologia padrão dos transformadores de corrente (TCs) mostra os terminais primários de alta tensão H1 e H2 e os terminais secundários X1 e X2. O ponto, para transformadores com polaridade aditiva, indica onde entra a corrente no primário e onde sai a corrente no secundário (defasamento de 180°).

Modelos industriais de TCs têm os terminais de alta tensão marcados como P1 e P2 (Primário 1 e Primário 2), sendo que em muitos casos pode haver diferentes ligações do circuito primário que permitam alterar a relação de transformação. Os terminais secundários são marcados como 1s1, 1s2, 2s2... (número, algarismo, número), indicando respectivamente o número do enrolamento, o símbolo de terminal secundário (s) e o número da derivação do terminal secundário.

Correntes nominais

As correntes nominais primárias devem ser compatíveis com a corrente de carga do circuito primário.

As correntes nominais primárias e as relações de transformação nominais estão discriminadas nas tabelas abaixo, para relações nominais simples e duplas, utilizadas para ligação série/paralelo no enrolamento primário.

Corrente

Corrente

relação

 

Corrente

relação

primária

SECUNDÁRIA

Nominal

primária

Nominal

padronizada

padronizada

 

padronizada

 

5

5

01:01

5 x 10

1 x 2:1

10

02:01

10 x 20

2 x 4:1

15

03:01

15 x 30

3 x 6:1

20

04:01

20 x 40

4 x 8:1

25

05:01

25 x 50

5 x 10:1

30

06:01

30 x 60

6 x 12:1

40

08:01

40 x 80

8 x 16:1

50

10:01

50 x 100

10 x 20:1

60

12:01

60 x 120

12 x 24:1

75

15:01

75 x 150

15 x 30:1

100

20:01

100 x 200

20 x 40:1

125

25:01:00

150 x 300

30 x 60:1

150

30:01:00

200 x 400

40 x 80:1

200

40:01:00

300 x 600

60 x 120:1

250

50:01:00

400 x 800

80 x 160:1

300

60:01:00

600 x 1200

120 x 240:1

400

80:01:00

800 x 1600

160 x 320:1

500

100:01:00

1000 x 2000

200 x 400:1

600

120:01:00

1200 x 2400

240 x 480:1

800

160:01:00

1500 x 3000

300 x 600:1

1000

200:01:00

2000 x 4000

400 x 800:1

1200

240:01:00

2500 x 5000

500 x 1000:1

1500

300:01:00

3000 x 6000

600 x 1200:1

2000

400:01:00

4000 x 8000

800 x 1600:1

2500

500:01:00

5000 x 10000

1000 x 2000:1

3000

600:01:00

6000 x 12000

1200 x 2400:1

4000

800:01:00

7000 x 14000

1400 x 2800:1

5000

1000:01:00

8000 x 16000

1600 x 3200:1

6000

1200:01:00

9000 x 18000

1800 x 3600:1

8000

1600:01:00

10000 x 20000

2000 x 4000:1

As correntes nominais secundárias são adotadas geralmente iguais a 5A. Em alguns casos especiais, quando os aparelhos, normalmente relés de são instalados distantes dos transformadores de corrente, pode-se adotar a corrente secundária de 1 A, a fim de reduzir a queda de tensão nos fios de interligação. NBR 6856/81 adota as seguintes simbologias para definir as relações de correntes.

  • Sinal de dois pontos (:) deve ser usado para exprimir relações n como, por exemplo: 300:1;

  • O hífen (-) deve ser usado para separar correntes nominais de enrolamento diferentes, como, por exemplo: 300-5 A, 300-300-5 A (dois enrolam primários), 300-5-5 (dois enrolamentos secundários);

  • O sinal (x) deve ser usado para separar correntes primárias nominais, ainda relações nominais duplas, como, por exemplo, 300 x 60~5A (correntes primárias nominais) cujos enrolamentos podem ser ligados em série paralelos, segundo podemos ver nos TC`s já vistos;

  • A barra (/) deve ser usada para separar correntes primárias nominais ou relações nominais obtidas por meio de derivações, efetuadas tanto nos enrolamentos primários como nos secundários, como, por exemplo. 300/400-5 A, ou 300-5/5 A, como visto na Figura do TC de várias derivações secundárias.

CLASSIFICAÇÃO

Os transformadores de corrente devem ser fabricados de acordo com a destinação no circuito no qual estarão operando os transformadores de corrente para medição e para proteção.

Transformadores de corrente para serviço de medição

Os TC's empregados na medição de corrente ou energia são equipamentos capazes de transformar as correntes de carga na relação, em geral, de Ip/5 A, propiciando­ o registro dos valores pelos instrumentos medidores sem que estes estejam ligação direta com o circuito primário da instalação.

Eventualmente, são construídos transformadores de corrente com vários núcleos, uns destinados à medição de energia e outros, próprios para o serviço de proteção. Porém, as concessionárias, geralmente, especificam em suas normas unidades separadas para a sua medição de faturamento, devendo o projetista da ação, reservar uma unidade independente para a proteção, quando for o caso.

Transformadores de corrente destinados a proteção

Os transformadores de corrente destinados à proteção de sistemas elétricos são equipamentos capazes de transformar elevadas correntes de sobrecarga ou de curto-circuito em pequenas correntes, propiciando a operação dos relés sem que estes estejam em ligação direta com o circuito primário da instalação, oferecendo garantia de segurança aos operadores, facilitando a manutenção dos seus componentes e, por fim, tornando-se uni aparelho extremamente econômico, já que envolve reduzido emprego de matérias-primas.

Ao contrário dos transformadores de corrente para medição, os TC's para serviço de proteção não devem saturar para correntes de elevado valor, tais como as que se desenvolvem durante a ocorrência de um defeito no sistema. Caso contrario, os sinais de corrente recebidos pelos relés estariam mascarados, permitindo, desta forma, uma operação inconseqüente do sistema elétrico. Assim, os transformadores de corrente para serviço de proteção apresentam um nível de saturação elevado, igual a 20 vezes a corrente nominal, conforme se pode mostrar na curva da Figura abaixo, como exemplo genérico.

Pode-se perfeitamente concluir que jamais se devem utilizar transformadores de proteção em serviço de medição e vice-versa. Além disso, deve-se levar em conta a classe de exatidão em que estão enquadrados os TC's para serviço de proteção que, segundo a NBR 6856/81, podem ser de 5 ou 10.

Ainda segundo a NBR 6856, o erro de relação do TC deve ser limitado ao de corrente secundária desde 1 a 20 vezes a corrente nominal e a qualquer igual ou inferior à nominal.

Deve-se alertar para o fato de que os transformadores de corrente com mais derivação no enrolamento secundário têm a sua classe de exatidão relacionado com a sua operação na posição que leva o maior número de espiras.

Além da classe de exatidão, os transformadores de corrente para serviço proteção são caracterizados pela sua classe, relativamente à impedância do seu lamento secundário, ou seja:

  • Classe B são aqueles cujo enrolamento secundário apresenta reatância que ser desprezada. Nesta classe, estão enquadrados os TC's com núcleo toroidal ou simplesmente TC's de bucha;

  • Classe A são aqueles cujo enrolamento secundário apresenta uma reatância que pode ser desprezada. Nesta classe, estão enquadrados todos os TC's que NÃO se enquadram na classe B.

Classe de exatidÃo

A classe de exatidão exprime nominalmente o erro esperado do transformador de corrente levando em conta o erro de relação de transformação e o erro de defasamento entre a corrente primária e secundária.

Considera-se que um TC para serviço de medição esta dentro de sua classe de exatidão nominal, quando os pontos determinados pelos fatores de correção de relação percentual (FCRp) e pelos ângulos de fase β estiverem dentro do paralelogramo de exatidão.

De acordo com os instrumentos a serem ligados aos terminais secundários do TC, devem ser as seguintes as classes de exatidão destes equipamentos:

  • Para aferição e calibração dos instrumentos de medida de laboratório: 0,1;

  • Alimentação de medidores de demanda e consumo ativo e reativo para fins de faturamento: 0,3;

  • Alimentação de medidores para fins de acompanhamento de custos industriais: 0,6;

  • Alimentação de amperímetros indicadores, registradores gráficos, reles de impedância, relés diferenciais, reles de distância, reles direcionais: 1,2;

  • Alimentação de reles de ação direta, por exemplo, aplicados em disjuntores primários de subestações de consumidor: 3,0

A classe de precisão 3,0 não tem limitação de erro de ângulo de fase e o seu fator de correção de relação percentual (FCRp) deve situar-se entre 103 e 97% para que possa ser considerado dentro de sua. Classe de exatidão. Como o erro de um transformador de corrente depende da corrente primária para ser determinada a sua classe de exatidão, a NBR 6856/81 especifica que sejam realizados dois ensaios que correspondem, respectivamente, aos valores de 10% e 100% da corrente nominal primária.

Obs.: sendo que o paralelogramo interno (menor) refere-se a 100% da corrente nominal, e o paralelogramo externo (maior) refere-se a 10% da corrente nominal. No caso de TC com fator térmico nominal superior a 1,0, o paralelogramo interno (menor) refere-se também a 100% da corrente nominal multiplicada pelo fator térmico nominal.

O paralelogramo externo é sempre o dobro dos lados do paralelogramo interno.

O secundário de um TC nunca deve ficar aberto

Quando o primário de um TC esta alimentado, o seu secundário nunca deve ficar aberto. No caso de se necessitar retirar o instrumento do secundário do TC, este enrolamento deve ser curto-circuitado através de um fio condutor de baixa impedância, um fio de cobre por exemplo. Vejamos as razões desta precaução: como já foi dito, a corrente I1 é fixada pela carga ligada ao circuito externo; se I2 = 0, isto é, secundário aberto, não haverá o efeito desmagnetizante desta corrente e a corrente de excitação I0 passará a ser a própria corrente I1, originando em conseqüência um fluxo muito elevado no núcleo. Conseqüência dessa precaução:

  • Aquecimento excessivo causando a destruição do isolamento, podendo provocar contato do circuito primário com o secundário e com a terra.

  • Uma f.e.m. induzida E2 de valor elevado, com iminente perigo para o operador.

  • Mesmo que o TC não se danifique, a este fluxo elevado correspondera uma magnetização forte no núcleo, o que alterará as suas características de funcionamento e precisão.

Por isso nunca se usa fusível no secundário dos TCs.

TC em alta tensão

Exemplo de aplicação de TC´s em proteção de transformadores

CONCLUSÃO

Conclui que, um transformador de corrente ou simplesmente TC é um dispositivo que reproduz no seu circuito secundário, a corrente que circula em um enrolamento primário com sua posição vetorial substancialmente mantida, em uma proporção definida, conhecida e adequada. Os transformadores de corrente, também chamados de transformadores de instrumentos, utilizados em aplicações de alta tensão (situações essas onde circulam, freqüentemente, altas correntes), fornecem correntes suficientemente reduzidas e isoladas do circuito primário de forma a possibilitar o seu uso por equipamentos de medição, controle e proteção.

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