Curso: Engenharia Elétrica Disciplina: Proteção e Operação do SEP Professor: MSc. Eng.º Alex A. C. Bozz

Transcrição

1 Curso: Engenharia Elétrica Disciplina: Proteção e Operação do SEP Professor: MSc. Eng.º Alex A. C. Bozz

2 Transformador de Corrente

3 Transformador de Corrente Introdução Todas as medições elétricas e as decisões tomadas pelos relés são derivadas a partir de sinais de corrente e de tensão. Como hardware do relé e os instrumentos de medição utilizam valores de tensão em volts (e não kv) e de corrente em ampères (e não ka), os valores de tensão e corrente comumente encontrados nos alimentadores/linhas de transmissão e barramentos (em kv e ka) devem ser reduzidos para níveis mais baixos (em volts e amperes) e, só assim usados nos relés.

4 Transformador de corrente Introdução A redução dos valores de corrente e de tensão para níveis mais apropriados é realizada pelos transformadores de corrente e de potencial, TC e TP. Os TCs e TPs também têm a função de isolar eletricamente o relé. O isolamento elétrico da elevada tensão no lado primário do transformador (em kv) também proporciona segurança tanto para as pessoas como também para os equipamentos (relé, instrumentos de medição, etc).

5 Transformador de corrente Tipos TC tipo barra TC tipo enrolado TC tipo janela TC tipo bucha TC tipo núcleo dividido E etc.

6 Transformador de corrente Tipos TC Tipo Bucha Possui o enrolamento secundário isolado e montado no núcleo, sendo o enrolamento primário um condutor isolado. Mais precisos que os outros TC s para valores elevados de corrente, por possuírem um núcleo maior. TC Tipo Janela Construído de maneira análoga ao tipo bucha, exceto que o ar é utilizado para se separar os enrolamentos primário e secundário (Classes de tensão de 13.8 kv). TC Tipo Barra Possui os enrolamentos primário e secundário isolados e montados no núcleo. O primário consiste de uma barra (condutor) que é colocada no interior da janela do núcleo. TC Tipo Pedestal Possui o primário e o secundário enrolados num núcleo toroidal, sendo largamente empregado nas classes de tensão de 25 e 138 kv.

7 Transformador de corrente Segundo a ABNT, os valores nominais principais que caracterizam os transformadores de corrente são os seguintes: Corrente nominal e relação nominal; Nível de isolamento; Frequência nominal; Carga nominal; Classe de exatidão; Fator de sobrecorrente nominal (somente para TC de proteção);

8 Correntes Nominais Transformador de corrente As correntes nominais primárias e as relações devem ser compatíveis com a corrente de carga do circuito primário. As correntes nominais primárias podem ser de 5 A a 8000 A e a corrente secundária via de regra é 5 A, podendo em alguns casos ser de valor 1 A, 500mA, 300mA e 100 ma ou menos, dependendo do emprego do TC.

9 Correntes Térmicas Transformador de corrente É definido como sendo o valor eficaz da corrente primária simétrica que o transformador pode suportar por um determinado tempo (normalmente 1,0 segundo) com o enrolamento secundário em curto-circuito ou com determinada carga normalizada, sem exceder os limites de elevação de temperatura especificados para sua classe de isolamento. Isto quer dizer que um TC deve ser construído de maneira a suportar termicamente uma determinada sobrecorrente durante 1 segundo, sem se danificar. Para instalação protegida por disjuntor, o TC é selecionado de forma que o seu:

10 Fator de Sobrecorrente Transformador de corrente É o fator empregado em TC s para serviço de proteção. É expresso pela relação entre a máxima corrente com a qual o transformador mantém a sua classe de precisão e a sua corrente nominal. Os valores máximos de corrente (corrente de curto-circuito) que podem passar pelo primário do TC para que o seu erro seja mantido é padronizado de acordo com as normas utilizadas. Segundo a ABNT, temos fator de sobrecorrente de 5, 10, 15 e 20 e segundo a ANSI, fator de sobrecorrente de 20.

11 Fator de Sobrecorrente Transformador de corrente Isso significa que para uma corrente de curto circuito inferior a 20 ka, o erro que o TC na sua corrente secundária é menor ou igual a 10%. O fator de sobrecorrente também impõe uma limitação construtiva do TC devido ao erro produzido pela não linearidade da curva de magnetização do núcleo.

12 Transformador de corrente Fator Térmico É o valor numérico que se deve multiplicar a corrente primária nominal de um TC, para se obter a corrente primária máxima, que poderá suportar, em regime permanente, operando em condições normais, sem exceder os limites de temperatura especificados para a sua classe de isolamento. Segundo a ABNT, esses fatores são: 1,0, 1,3, 1,5 ou 2,0

13 Circuito Equivalente Transformador de corrente Para começar, o circuito equivalente de um TC não é muito diferente do circuito equivalente de um transformador convencional (fig. 5.1). A principal diferença é que enquanto um transformador de potência é excitado por uma fonte de tensão, um transformador de corrente é excitado por uma fonte de corrente. O enrolamento primário do TC está conectado em série com a linha de transmissão. A carga total no lado secundário é a impedância do relé (relaying burden) e do enrolamento.

14 Circuito Equivalente Transformador de corrente A impedância no lado primário do TC em série com a linha de transmissão é insignificante. Portanto, a conexão do TC não altera a corrente que está atravessando a linha de transmissão. Podemos assumir que o lado primário do TC está ligado a uma fonte de corrente. O circuito equivalente TC ficará como mostrado na fig 5,2

15 Circuito Equivalente Transformador de corrente Já que a impedância em série com a fonte de corrente é insignificante, deve-se desprezar a resistência do enrolamento primário e a reatância de dispersão. Para facilitar a análise é recomendável refletir (deslocar) a impedância de magnetização do lado primário para o lado secundário do transformador ideal.

16 Circuito Equivalente Transformador de corrente O circuito equivalente do TC é como mostrado na fig 5,3. Note que tanto a resistência do enrolamento secundário Rs quanto a reatância de dispersão Xls não são desprezadas já que seus valores devem afetar o desempenho do TC. A impedância total no lado secundário é a soma da resistência do relé Zb, da resistência Rs e da impedância de dispersão Xls do enrolamento do lado secundário. Portanto, a tensão no enrolamento secundário do TC depende diretamente desses parâmetros.

17 Circuito Equivalente Transformador de corrente A tensão no lado secundário Vs deve ser monitorada devido a sua relação direta com o fluxo magnético máximo Φmáx no núcleo:

18 Circuito Equivalente Transformador de corrente Φmáx é o valor máximo do fluxo magnético senoidal no núcleo do transformador. Quando Φmáx está próximo do ponto do joelho de saturação o transformador estará saturado. Durante a saturação, o enrolamento secundário do TC não pode transformar a corrente do lado primário com precisão e, consequentemente, o desempenho da TC deteriora-se.

19 Circuito Equivalente Transformador de corrente Na prática, ao selecionar um TC devemos cuidar que não opere saturado. Os relés digitais possuem resistência muito menor que os estáticos e eletromecânicos, consequentemente a corrente no lado secundário deve preferir passar pela carga do relé e não através da impedância de magnetização Ze. Já que a corrente Im é pequena, então existe menor risco de saturar o transformador.

20 Circuito Equivalente Transformador de corrente O TC deve operar sempre com o circuito secundário fechado para evitar a saturação. Se o TC opera com o circuito do lado secundário aberto, a corrente Is =IP.Ns/Np fluiria através de Ze. Consequentemente, o TC estará saturado e aparecerá uma tensão muito elevada e perigosa no secundário do transformador.

21 Circuito Equivalente Transformador de corrente O circuito equivalente de um TC (refletindo a fonte de corrente do lado primário para o lado secundário) é como mostrado na fig 5,4.

22 Transformador de corrente Classificação Os TCs podem ser classificados em TC de Medição e TC de Proteção. Um TC de medição possui maior precisão que um TC de proteção. O TC de medição consegue boa precisão (ex.: 0,3%-0,6% de erro de medição) e baixa corrente de saturação (4 vezes a corrente nominal). O TC de proteção é caracterizado pela baixa precisão (ex.: 10%-20% de erro de medição) e elevada corrente de saturação (da ordem de 20 vezes a corrente nominal), valores típicos de corrente de falta.

23 Transformador de corrente Classificação Quando um TC é usado tanto para medição como também para proteção, sua classe de precisão deve satisfazer ambas as condições (de medição e de proteção), isto é, o TC deve ser preciso tanto para correntes pequenas como também para correntes elevadas. Normalmente, os valores de corrente padronizados no secundário do TC são 1A ou 5A.

24 Transformador de corrente Classificação Os TC s para serviço de proteção devem retratar fielmente as correntes de curto-circuito e é importante que os mesmos não sofram os efeitos da saturação. Segundo a ABNT, os TC s para serviço de proteção, quanto à impedância, se subdividem nas classes: Classe A Classe B

25 Transformador de corrente Classe A O TC que possui alta impedância interna, isto é, aquele cuja reatância de dispersão do enrolamento secundário possui valor apreciável em relação à impedância total do circuito secundário, quando este alimenta sua carga nominal. Para melhorar a sensibilidade e qualidade do TC através do aumento da sua força magneto motriz, a bobina primária é enrolada. O TC de alta reatância de dispersão é conhecido como: Tipo A, pela ABNT (A de Alta reatância de dispersão) Tipo H, pela ANSI (H de High)

26 Classe A Transformador de corrente

27 Transformador de corrente Classe B O TC que possui baixa impedância interna, isto é, aquele cuja reatância de dispersão do enrolamento secundário possui valor desprezível em relação à impedância total do circuito secundário, quando este alimenta sua carga nominal. Constituem exemplos, os TC s de núcleo toroidal, com enrolamento secundário uniformemente distribuído. Esse TC é também conhecido como do tipo Bucha O TC de baixa reatância de dispersão é conhecido como: Tipo B, pela ABNT (B de Baixa reatância de dispersão) Tipo L, pela ANSI (L de Low)

28 Classe B Transformador de corrente

29 Classificação ANSI Transformador de corrente 10H100: TC de alta impedância, capaz de manter, em seu secundário, 100V sob erro máximo de 10%, quando alimenta carga até 1 Ω. 2,5L100: TC de baixa impedância, capaz de manter, em seu secundário, 100V sob erro de 2,5%.

30 Classificação ABNT Transformador de corrente B2,5F10C100: TC de baixa impedância, erro máximo de 2,5% sob fator de sobrecorrente 10In, capaz de alimentar a carga de 100 VA. A10F10C100: TC de alta impedância, erro máximo de 10%, sob fator de sobrecorrente 10In, capaz de alimentar a carga de 100 VA.

31 Transformador de corrente Classificação Um TC 200:5 C 100 indica que vai dar uma resposta linear (não saturada) até 20 vezes a corrente nominal, desde que a carga do TC seja menor o igual a (100V/(5Ax20)=1) ohm. A curva permite que o engenheiro de proteção configure a relé com maior precisão.

32 Transformador de corrente EXEMPLO o Um TC 1200/5 C400 é conectado a uma carga igual a 2,0 ohms. O TC saturará para a carga ligada em seu secundário? Relação de transformação: N = 1200/5 = 240. Resistência no secundário: R S = 0,61 ohms. Carga do relé (Relay Burden): RB = 2 ohms. Para 20 vezes a corrente nominal: 20x5A = 100A. Tensão no secundário: V S = 100A(2Ω+0,61Ω) V s = 261 V Observe-se que 261 V é muito menor que 400V, portanto, o TC não estará saturado.

33 Transformador de corrente EXEMPLO o Para o mesmo TC 1200/5 C400, qual seria a máxima corrente de falta simétrica que poderia ser aplicada neste TC sem exceder o 10% de erro de precisão. Relação de transformação: N = 1200/5 = 240. Resistência no secundário: R S = 0,61 ohms. Carga do relé (Relay Burden): RB = 2 ohms. Is máx = 400V/2,61 = 153A (no lado secundário). A máxima corrente simétrica de falta no lado primário do TC: IP Máx = 153x1200/5 = 36720A.

34