AULA 02 REVISÃO DE EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS TRANSFORMADORES DE MEDIDAS DISJUNTORES DE POTÊNCIA
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- Victorio Paiva da Silva
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1 AULA 02 REVISÃO DE EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS TRANSFORMADORES DE MEDIDAS DISJUNTORES DE POTÊNCIA ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 1
2 TRANSFORMADORES DE MEDIDAS Introdução São equipamentos que permitem aos instrumentos de medição e proteção funcionar adequadamente sem que seja necessário possuírem correntes e tensões nominais (circuito principal); Exemplos: Transformadores de Corrente (TC s) e Potencial (TP s) TC s são utilizados para suprir aparelhos que apresentam baixa resistência elétrica. Ex: bobinas de corrente dos amperímetros, relés, medidores de energia, de potência, etc. TP s são utilizados para suprir aparelhos que apresentam elevada impedância. Ex: bobinas de tensão dos voltímetros, relés de tensão, medidores, etc. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 2
3 TRANSFORMADORES DE MEDIDAS ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 3
4 TRANSFORMADORES DE MEDIDAS Vista geral de uma Subestação de 230 kv. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 4
5 Introdução É um equipamento destinado a produzir proporcionalmente em seu circuito secundário a corrente de seu circuito primário com a sua posição fasorial mantida, conhecida e adequada para uso em equipamentos de medição, controle e proteção (réplica em escala da corrente). ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 5
6 Introdução Os transformadores de corrente (TC s) tem basicamente três finalidades em um Sistema Elétrico de Potência: 1. Isolar os equipamentos de medição, controle e proteção do circuito de alta tensão; 2. Fornecer no seu secundário uma corrente proporcional à do primário; 3. Fornecer no secundário uma corrente de dimensões adequadas para serem usadas nos equipamentos de medição e proteção. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 6
7 Introdução Os TC s possuem o primário em série com o circuito que se deseja fazer a medição, controle ou proteção; Na sua forma mais simples, possuem um primário geralmente com poucas espiras e um secundário no qual a corrente nominal transformada é igual a 5 A (padrão); Na Europa a corrente secundária é normalizada em 1 A. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 7
8 Exemplo Se nos terminais primários de um TC, cuja relação de transformação nominal é de 20, circular uma corrente de 100 A, qual a corrente que se obtém no secundário? Define-se a relação de transformação do TC: I S = 1 N S NP I P I S = I P RTC I S = = 5,0 A Nota: Pela norma 6856 as correntes primárias do TC são de 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75, 100, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1000, 1200, 1500, 2000, 2500, 3000, 4000, 5000, 6000 e 8000 A. (norma ANSI) ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 8
9 Símbolo e Marca de Polaridade Para simplificar e evitar desenhar o núcleo magnético e os enrolamentos primários e secundários adota-se o símbolo: O modo como as bobinas estão enroladas no núcleo: ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 9
10 Símbolo e Marca de Polaridade O fabricante para identificar os enrolamentos dos TC s de mesma polaridade pode utilizar: Buchas de cor diferentes; ou Marcas permanentes em alto e baixo relevo. Regra: A corrente primária (I P ) entra pela marca de polaridade e a corrente secundária (I S ) sai pela marca de polaridade, assim as correntes estão em fase. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 10
11 Símbolo e Marca de Polaridade Nota: A norma NBR 6856 estabelece que os TC s para o serviço de medição e proteção, devam ser construídos com as polaridades mostradas abaixo. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 11
12 Características Construtivas a) Transformador de Corrente tipo Barra; b) Transformador de Corrente tipo Enrolado; c) Transformador de Corrente tipo Janela; d) Transformador de Corrente tipo Bucha; e) Transformador de Corrente tipo Núcleo Dividido; f) TC com vários Núcleos Secundários; g) TC com vários Enrolamentos Secundários; h) TC tipo Derivação no Secundário. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 12
13 a) TC tipo Barra: Características Construtivas É aquele cujo enrolamento primário é constituído por uma barra fixada através do núcleo do transformador; Esse modelo é o mais utilizado em subestações de potência de média e alta tensões; Esses transformadores podem acomodar até 4 núcleos; O núcleo tem a forma toroidal, enrolado com tira de açosilício. O enrolamento secundário consiste em fio esmaltado e isolado com tecido de algodão. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 13
14 Vista interna TC tipo barra classe 69 kv TC tipo barra 230 kv ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 14
15 b) TC tipo Enrolado: Características Construtivas É aquele cujo enrolamento primário é constituído de uma ou mais espiras envolvendo o núcleo do transformador. Transformador de Corrente tipo Enrolado ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 15
16 c) TC tipo Janela: Características Construtivas Não possui um primário fixo no transformador e é constituído de uma abertura através do núcleo. Transformador de Corrente tipo Janela ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 16
17 d) TC tipo Bucha: Características Construtivas É aquele cujas características são semelhantes ao TC tipo Barra, porém sua instalação é feita na bucha dos equipamentos (transformadores, disjuntores, etc), que funcionam como enrolamento primário; É muito empregado em transformadores de potência para uso, em geral, na proteção diferencial quando se deseja restringir a zona de proteção ao próprio equipamento. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 17
18 Características Construtivas Transformador de Potência com TC tipo Bucha ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 18
19 Características Construtivas e) TC tipo Núcleo Dividido: Características semelhantes aos TC s tipo janela, em que o núcleo pode ser separado para permitir envolver o condutor que funciona como enrolamento primário; Utilizado na fabricação de equipamentos manuais de medição de corrente e potência ativa ou reativa, já que permite obter os resultados sem seccionar o condutor ou a barra sob medição. Alicate Amperimétrico ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 19
20 Características Construtivas f) TC com vários Núcleos Secundários: É constituído de dois ou mais enrolamentos secundários, e cada um possui, individualmente, o seu núcleo ( A). Transformador de Corrente com vários Núcleos Secundários ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 20
21 Características Construtivas g) TC com vários Enrolamentos Secundários: É constituído de um único núcleo envolvido pelo enrolamento primário e vários enrolamentos secundários, que podem se ligados em série ou paralelo (300-5/2,5/10 A). Transformador de Corrente com vários Enrolamentos Secundários ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 21
22 Características Construtivas h) TC tipo Derivação no Secundário: É constituído de um único núcleo envolvido pelo enrolamento primário e secundário, sendo o núcleo provido de uma ou mais derivações (100/200/300-5 A). Transformador de Corrente tipo Derivação no Secundário ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 22
23 Características Elétricas Os transformadores de Corrente podem ser modelados através do modelo usual de transformadores; Resistência e Reatância Primária Resistência e Reatância Secundária Ramo Magnetizante ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 23
24 Características Elétricas Os transformadores de Corrente podem ser modelados através do modelo usual de transformadores; Perdas Ôhmicas (Correntes de Histerese e Foucault) Corrente Reativa devido às linhas de fluxo no circuito magnético Ramo Magnetizante ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 24
25 Características Elétricas O erro do TC é resultante essencialmente da corrente que circula no ramo magnetizante (Ie); Outro problema: saturação do núcleo. Quando isso ocorre, exige uma corrente de magnetização muito elevada, deixando de ser transferida para a carga, provocando assim um erro de valor considerável na medida da corrente secundária. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 25
26 Correntes Nominais Simbologias segundo a Norma NBR 6856: (:) exprime relações de enrolamentos diferentes; (-) separa correntes nominais de enrolamentos diferentes; Exemplo: A, A (dois enrolamentos primários). (x) separa correntes primárias ou relações nominais duplas cujos enrolamentos podem ser ligados em série ou paralelo; Exemplo: 300x600-5 A (correntes primárias nominais). (/) separa correntes primárias ou relações nominais obtidas por meio de derivações. Exemplo: 300/400-5 A ou 300-5/5 A. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 26
27 Correntes Nominais Correntes primárias e relações de transformação, sabendo que as correntes nominais secundárias são geralmente iguais a 5 A; ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 27
28 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 corrente primária e secundária. 0,1 Aferição e calibração dos instrumentos de laboratório; 0,3 Medidores de demanda e consumo para faturamento; 0,6 Acompanhamento de custos industriais; 1,2 Amperímentos e registradores gráficos; 3,0 Instrumentos de medida de ponteiros; > Serviços de proteção (geralmente 10%) ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 28
29 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL Introdução Os TP s funcionam com base na conversão eletromagnética; Na sua forma mais simples, possuem um enrolamento primário de muitas espiras e um secundário por meio do qual se obtém a tensão desejada, padronizada em 115V ou 115/ 3; Utilizados para suprir aparelhos que apresente alta impedância elétrica. Exemplo: voltímetros, relés de tensão, medidores, etc. Ex: Se for aplicada uma tensão de V nos bornes primários de um TP cuja relação de transformação nominal é de 120, logo se obtém no secundário a tensão convertida de 115 V. Em geral, são instalados junto aos transformadores de corrente. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 29
30 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL Instalação de um conjunto TP TC ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 30
31 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL Características Construtivas Com relação às suas características construtivas os transformadores de potencial podem ser divididos: a) Transformadores de Potencial do tipo Indutivo; b) Transformadores de Potencial do tipo Capacitivo. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 31
32 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL a) TP do tipo Indutivo: Características Construtivas São construídos para a utilização até a tensão de 138 kv; (custo de produção inferior ao do tipo capacitivo). São construídos segundo três grupos de ligação (NBR 6855): Grupo 1: Projetado para ligação entre fases. Utilizados em sistemas até 34,5 kv. Devem suportar 10% de sobrecarga; Grupo 2: Projetado para ligação entre fase e neutro de sistemas diretamente aterrados; Grupo 3: Projetado para ligação entre fase e neutro de sistemas onde não se garanta a eficácia do aterramento. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 32
33 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL Características Construtivas Esquema de TP do grupo 1 TP do grupo 1 - classe 15 kv ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 33
34 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL Características Construtivas Esquema de TP dos grupos 2 e 3 TP dos grupos 2 e kv ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 34
35 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL b) TP do tipo Capacitivo: Características Construtivas São construídos para tensões iguais ou superiores a 69 kv; (elevado custo do TPI para níveis de tensão mais elevados). É constituído por um divisor capacitivo (imerso no interior de um invólucro de porcelana) ligado entre fase e terra; A não ser pela classe de exatidão, os TP s não se diferenciam entre aqueles destinados à medição e à proteção; Porém, são classificados de acordo com o erro que introduzem nos valores medidos. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 35
36 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL Representação Esquemática do TP Capac. TP Capacitivo Partes e Componentes ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 36
37 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL Tensões Nominais Simbologias segundo a Norma NBR 6855: (:) representa relações nominais. Exemplo: 120 : 1; (-) separa relações nominais e tensões primárias de enrolamentos diferentes; Exemplo: V. (x) separa tensões primárias nominais e relações nominais de enrolamentos destinados a serem ligados em série ou paralelo; Exemplo: x V. (/) separa tensões primárias ou relações nominais obtidas por meio de derivações. Exemplo: / 3-115/115/ 3. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 37
38 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL Tensões Nominais Tensões primárias e relações de transformação, sabendo que a tensão secundária é padronizada em 115 V para TP s do grupo 1 e 115V e 115/ 3 para TP s dos grupos 2 e 3. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 38
39 TRANSFORMADORES DE MEDIDAS Comparação TP Indutivo e TP Capacitivo Custos de TPI s e TPC s em função da tensão nominal. Custo (pu) TPI TPC kv A diferença de custos se deve principalmente ao elevado número de bobinas necessárias para que um TP indutivo possa operar na mesma tensão de um TP capacitivo. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 39
40 DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO Introdução Os disjuntores são equipamentos destinados a interrupção e restabelecimento das correntes elétricas em um determinado ponto do sistema; Disjuntores devem ser sempre instalados acompanhados de relés, sem relé um disjuntor é uma chave de manobra sem qualquer característica de proteção; Principal função: interromper a corrente de defeito (vários ka) no menor intervalo de tempo possível (< 8 ciclos); ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 40
41 DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO Introdução Opera, continuamente, sob tensão e corrente de carga muitas vezes em ambientes severo; Temperatura, poeira, substâncias químicas, umidade, etc; Após muito tempo (muitas vezes anos) operando nestas condições são solicitados a operar. Deste modo todos os mecanismos dos disjuntores deve operar, realizando tarefas tecnicamente difíceis em décimos de segundos. ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 41
42 DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO Introdução Exemplos Exemplos de Disjuntores de Potência ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 42
43 DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO Introdução Exemplos Disjuntor a Gás SF6 500 kv Disjuntor a Óleo ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 43
44 DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO Introdução Exemplos Disjuntor de 765 kv - Itaipu ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 44
45 DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO Arco Elétrico Introdução Fenômeno que ocorre quando separam dois terminais de um circuito que conduz corrente elétrica; Separação dos Contatos Menor Área de Contato Maior Resistência Ôhmica Aumento das Perdas Joule Aumento da Temperatura ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 45
46 DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO Arco Elétrico Subestação de 500 kv ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 46
47 DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO Arco Elétrico Subestação de 500 kv ENE095 Proteção de Sistemas Elétricos de Potência Prof. Luís Henrique Lopes Lima 47
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