CONSOLIDAÇÃO DO MATERIAL DIDÁTICO DA DISCIPLINA DE EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTO.

UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO ESCOLA POLITÉCNICA DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CONSOLIDAÇÃO DO MATERIAL DIDÁTICO DA DISCIPLINA DE EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTO. THAIS DE SOUZA DA SILVA Orientador: Prof. Jorge Nemésio Sousa, M. Sc Rio de Janeiro, RJ - Brasil Junho de 2014

ii CONSOLIDAÇÃO DO MATERIAL DIDÁTICO DA DISCIPLINA DE EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTOS Thais de Souza da Silva PROJETO SUBMETIDO AO CORPO DOCENTE DO DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA DA ESCOLA POLITÉCNICA DA UNIVERSIDADE FEDERAL DO RIO DE JANEIRO COMO PARTE DOS REQUISITOS NECESSÁRIOS PARA A OBTENÇÃO DO GRAU DE ENGENHEIRO ELETRICISTA. Aprovado por: Prof. Jorge Nemésio Sousa, M. Sc. (Orientador) Prof. Antonio Carlos Siqueira de Lima, D.Sc Prof. Sergio Sami Hazan, Ph.D RIO DE JANEIRO, RJ - BRASIL JUNHO, 2014

iii RESUMO A elaboração deste trabalho visou reunir em um só documento todas as informações necessárias para a especificação de transformadores de instrumento, isto é, transformadores de potencial e de corrente. Seu objetivo principal é fornecer aos estudantes da disciplina de equipamentos elétricos meios suficientes para compreender o funcionamento dos diferentes tipos desses equipamentos e determinar o mais adequado em cada função para cada tipo de instalação. Dentre os tópicos abordados nesse material, podem-se destacar as diferenças entre os tipos de transformadores de potencial e de corrente, suas principais características, suas funções, modos de operação, modelos, acessórios, principais fabricantes, suas vantagens e desvantagens, o fornecimento de valores normatizados e os meios de dimensioná-lo e selecionálo para determinada aplicação. As informações aqui coletadas foram obtidas da literatura vigente sobre o assunto, publicações de fabricantes, notas de aula e da experiência obtida ao longo de um ano de trabalho no setor de pesquisa de TP e TC.

iv LISTA DE FIGURAS Figura 4.1: TC tipo primário enrolado...19 Figura 4.2: TC tipo barra...19 Figura 4.3: TC tipo janela...19 Figura 4.4: TC tipo bucha...20 Figura 4.5: TC tipo núcleo dividido...21 Figura 4.6: TC tipo vários núcleos...22 Figura 4.7: TC posição livre...22 Figura 4.8 TC tipo pedestal...23 Figura 4.9: TC tipo invertido...23 Figura 5.1: Nomenclatura de transformador de corrente...25 Figura 5.2: Indicação de polaridade de um transformador de corrente...26 Figura 5.3: marcação de terminais de relação única...27 Figura 5.4: marcação de transformador de corrente religável...27 Figura 5.5: marcação de terminais de relações múltiplas...27 Figura 5.6: marcação de terminais com duas relações com derivação no primário...28 Figura 5.7: marcação de terminais com duas relações com derivações no secundário...28 Figura 5.8: marcação de terminais com dois enrolamentos primários...28 Figura 5.9: marcação de terminais com dois enrolamentos secundários...28 Figura 6.1: Gráfico Is x Vs...36 Figura 6.2: Circuito equivalente de um Transformador de Corrente...45 Figura 6.3: Curva de exatidão de um transformador de corrente tensão secundária x corrente de exatidão...45 Figura 8.1: Exemplificação de um TPC - capacitor de acoplamento + TPI...53 Figura 8.2: Circuito com os componentes de um TPC...54 Figura 8.3: Componentes do TPC...54 Figura 8.4: Esquema elétrico do TPC...55 Figura 8.5: Circuito equivalente de um TPC...56 Figura 9.1: Circuito equivalente de um TPI a frequência industrial...58 Figura 9.2: Exemplo de um Sistema...59 Figura 9.3: Característica típica B x H de um material ferromagnético...60 Figura 9.4: Exemplificação dos três grupos de TPI pela ABNT...61 Figura 9.5: Sistema a 2,4 kv neutro aterrado ou não aterrado...64

v Figura 9.6: Sistema a 4,16 kv neutro aterrado ou a 4 fios...65 Figura 9.7: Sistema a 2,4 kv neutro aterrado ou não aterrado...66 Figura 9.8: Sistema a 2,4 kv neutro aterrado ou não aterra...66 Figura 9.9: Ligação do transformador de potencial entre fase-terra...67 Figura 9.10: Sistema fase-neutro 4,16 kv, aterrado ou a 4 fios...69 Figura 9.11: Sistema neutro aterrado ou isolado. Fase e neutro conectados na mesma tensão (2,4 kv)... 69 Figura 9.12: Sistema de 69 kv com neutro aterrado ou isolado, onde o terminal primário de cada transformador não é totalmente isolado e conectado a terra...70 Figura 10.1: Marcação de terminais de conjunto de medições com três transformadores de potencial e três de corrente...83 Figura 10.2: Marcação de terminais de conjunto de medições com dois transformadores de potencial e dois de corrente...83

vi LISTA DE TABELAS Tabela 2.1: Tabela de classe térmica...19 Tabela 6.1: Relações nominais simples...30 Tabela 6.2: Relações nominais duplas para ligação série/paralelo no enrolamento primário.30 Tabela 6.3: Relações nominais múltiplas obtidas por combinações e derivações no enrolamento secundário...31 Tabela 6.4: Nível Básico de Isolamento para transformadores de corrente...33 Tabela 6.5: Níveis de isolamento para equipamento de tensão máxima não inferior a 92 kv e não superior a 242 kv...33 Tabela 6.6: Níveis de isolamento para equipamento de tensão máxima não inferior a 362 kv e não superior a 765 kv...34 Tabela 6.7: Tensão suportável nominal à frequência industrial para transformador de corrente de tensão máxima não inferior a 362 kv e não inferior a 765 kv...34 Tabela 6.8: Cargas nominais para TC com 5A de corrente secundária e fp 0,9 pela ABNT...37 Tabela 6.9: Cargas nominais para TC com 5A de corrente secundária e fp 0,5...37 Tabela 6.10: Cargas nominais para TC de 5A de corrente secundária pela ANSI...38 Tabela 6.11: Quadro Comparativo das Cargas Nominais e Normas...39 Tabela 6.12: FCT - Fatores de correção de relação padronizados pelas normas...41 Tabela 6.13: Tabela de classe de precisão...43 Tabela 6.14 - Tensão secundária normalizada...46 Tabela 6.15: Fatores térmicos nominais...48 Tabela 7.1: Tipo de transformador de potencial...52 Tabela 9.1: Tensões primárias nominais e relações nominais...63 Tabela 9.2: Tabela de tensões nominais do grupo 1...65 Tabela 9.3: Tabela de tensões nominais do grupo 2...66 Tabela 9.4: Tensões nominais do grupo 3...68 Tabela 9.5: Tensões nominais do grupo 4...70 Tabela 9.6: Tensões nominais do grupo 5...71 Tabela 9.7: Níveis de isolamento para Vmáx 242 kv...71 Tabela 9.8: Níveis de Isolamento para Vmáx 362 kv...72 Tabela 9.9: Carga nominal ANSI...73 Tabela 9.10: Cargas nominais ABNT...74 Tabela 9.11: Classes de exatidão...75

vii Tabela 9.12: Classes de exatidão TP de medição...76 Tabela 9.13: Classes de exatidão TP de proteção...76 Tabela 9.14: fator de sobretensão...76 Tabela 9.15: Elevação de temperatura...77 Tabela 9.16: Limite de elevação de temperatura...79 Tabela 9.1: Sinais para separação de tensões nominais e relações nominais...80 Tabela 9.2: Exemplos de marcação de terminais TP...84 Tabela 11.2: Exemplos de marcação de terminais.tc...85

viii LISTA DE ABREVIATURAS E SIGLAS C Grau Celsius - unidade de temperatura Ω Ohm - unidade de resistência elétrica A Ampère - unidade de corrente elétrica ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas AC ou CA Corrente elétrica alternada ANSI American National Standards Institute DC ou CC Corrente elétrica contínua FCR Fator de correção da relação FCT Fator de correção de transformação FS Fator de sobrecorrente FScont Fator de sobretensão continuo IEC International Electrotechnical Commission IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers m Metro - unidade de distância NBR Sigla de Norma Brasileira aprovada pela ABNT NBI Nível básico de isolamento PLC Power line carrier Pterm Potencia térmica nominal RM Relações múltiplas SF6 Hexafluoreto de enxofre TC Transformador de Corrente TP Transformador de Potencial TPC Transformador de Potencial Capacitivo TPI Transformador de Potencial Indutivo VA VoltAmpere - unidade de potência elétrica V Volt - unidade de tensão elétrica W Watt - unidade de potência elétrica

ix SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO... 1 1.1. PROPOSTA... 1 1.2. MOTIVAÇÃO... 1 1.3. OBJETIVO DO ESTUDO... 1 1.4. RELEVÂNCIA DO ESTUDO... 2 1.5. LIMITAÇÕES DO ESTUDO... 2 1.6. ORGANIZAÇÃO DO ESTUDO... 2 1.7. METODOLOGIA DA PESQUISA... 4 1.7.1 Introdução... 4 1.7.2. Etapas da Pesquisa... 4 1.7.3 Definição de Pesquisa... 4 1.7.4 Classificação e Tipos de Pesquisa... 5 2 REFERENCIAL TEÓRICO... 7 2.1 NORMAS... 8 2.2 ISOLAÇÃO de EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS... 8 2.3 MATERIAL ISOLANTE ELÉTRICO... 9 2.3.1 Termos e definições... 9 2.3.2 Escolha do Material Isolante Elétrico... 10 2.3.3 Classificação das Substâncias Isolantes Segundo a Natureza... 10 2.3.4 Classificação das Substâncias Isolantes Segundo as Classes a Temperatura 11 3 TRANSFORMADOR DE INSTRUMENTO... 12 3.1.TRANSFORMADOR DE CORRENTE... 13 3.2 FINALIDADES DO TC... 13 3.3 APLICAÇÃO DO TC... 13 4 ESPECIFICAÇÃO DE TRANSFORMADOR DE CORRENTE... 14

x 4.1 INSTALAÇÃO... 14 4.1.1 Condições Especiais de Instalação... 14 4.2 TIPO DE SERVIÇO... 15 4.2.1 TC de Proteção... 15 4.2.2 TC de Medição... 15 4.2.3 Diferença entre TC de Proteção e Medição... 16 4.3 TIPO DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA... 16 4.3.1 Primário Enrolado... 16 4.3.2 Tipo Barra... 17 4.3.3 Tipo Janela... 17 4.3.4 Tipo Bucha... 18 4.3.5 Tipo Núcleo Dividido... 18 4.3.6 Tipo com Vários Enrolamentos Primários... 19 4.3.7 Vários Núcleos... 20 4.3.8 Posição Livre... 20 4.3.9 Tipo Pedestal... 21 4.3.10 Tipo Invertido... 21 5 REPRESENTAÇÃO DE UM TRANSFORMADOR DE CORRENTE... 23 5.1 MARCAÇÃO DOS TERMINAIS... 24 6 CARACTERÍSTICAS PARA ESPECIFICAÇÃO DE TRANSFORMADOR DE CORRENTE... 27 6.1 CORRENTE PRIMÁRIA NOMINAL E RELAÇÃO NOMINAL... 27 6.2 TENSÃO MÁXIMA E NÍVEIS DE ISOLAMENTO... 31 6.3 FREQUÊNCIA NOMINAL... 33 6.4 CARGAS NOMINAIS PARA TRANSFORMADORES DE CORRENTE... 33 6.4.1 Tensão Secundária Nominal... 34 6.4.2 Cargas Nominais para Transformadores de Corrente Nomenclatura... 35

xi 6.5 CLASSE DE EXATIDÃO... 37 6.5.1 Transformadores de Corrente para Serviço de Medição... 37 6.5.2 Transformadores de Corrente para Serviço de Proteção... 42 6.5.3 Cálculo da Exatidão de um Transformador de Corrente... 43 6.5.4 Formas de Especificação da Classe de Exatidão... 44 6.6 Tensão Secundária Normalizada... 44 6.6.1 Classificação para Corrente Secundária Diferente de 5 A... 45 6.7 FATOR DE SOBRECORRENTE NOMINAL... 45 6.8 FATOR TÉRMICO NOMINAL... 45 6.9. LIMITE DE CORRENTE DE CURTA DURAÇÃO NOMINAL PARA EFEITO TÉRMICO... 46 6.10 LIMITE DE CORRENTE DE CURTA DURAÇÃO NOMINAL PARA EFEITO MECÂNICO... 47 6.11 TIPO DE INSTALAÇÃO... 48 7 TRANSFORMADOR DE POTENCIAL... 49 7.1 FINALIDADE... 49 7.2 TIPO... 49 8 TRANSFORMADOR DE POTENCIAL CAPACITIVO (TPC)... 51 8.1.VANTAGENS E DESVANTAGENS DO USO DO TPC... 51 8.2 CIRCUITO EQUIVALENTE... 53 9 TRANSFORMADOR DE POTENCIAL INDUTIVO... 55 9.1 CIRCUITO EQUIVALENTE DE UM TPI... 55 9.2.DESEMPENHO TRANSITÓRIO... 57 9.3 CONSTITUIÇÃO DOS TPI - ABNT NBR 6855... 58 9.4 FERRO-RESSONÂNCIA... 59 9.5 CARACTERÍSTICAS PARA ESPECIFICAÇÃO DE UM TRANSFORMADOR DE POTENCIAL. 60 9.6 CARACTERÍSTICAS NOMINAIS... 61 9.6.1 Tensão Primária Nominal e Relação Nominal ABNT... 61 9.6.2 Tensão Primária Nominal e Relação Nominal ANSI... 62

xii 9.6.3 Níveis de Isolamento... 69 9.6.4 Frequência Nominal... 70 9.6.5 Cargas Nominais... 70 9.6.6 Classe de Exatidão Nominal... 72 9.6.7 Fator de Sobretensão... 74 9.6.8 Potência Térmica Nominal Pterm... 75 9.7 CONDIÇÕES DE FUNCIONAMENTO... 76 9.7.1 Quanto à Exatidão... 76 9.7.2. Quanto a Elevação de Temperatura... 76 10 REPRESENTAÇÃO... 78 10.1 TENSÃO NOMINAL E RELAÇÕES NOMINAIS... 78 10.2 IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS... 80 11 CONCLUSÃO... 84 11.1 SUGESTÃO DE TRABALHOS FUTUROS... 84

1 1 INTRODUÇÃO 1.1. PROPOSTA Este trabalho visa atender à necessidade da consolidação do material didático para a disciplina de Equipamentos Elétricos, no tópico dos transformadores de potencial e de corrente. O trabalho busca apresentar ao aluno de engenharia elétrica um material prático com apresentação concisa e, também, facilitar a ação do professor, já que incorpora seus apontamentos de aula. 1.2. MOTIVAÇÃO Este trabalho foi motivado pela falta de material específico sobre esse assunto no mercado, e pela necessidade de organizar o material didático vigente na disciplina de equipamentos elétricos e pelo interesse do professor Jorge Nemésio Sousa em transformar este assunto em um tema para o PG - Projeto de Graduação. Foi motivado também pelo meu interesse sobre o assunto cursando a disciplina, e pela minha necessidade na pratica fazendo projetos onde necessito especificar esses equipamentos. 1.3. OBJETIVO DO ESTUDO O objetivo do presente trabalho é a consolidação do material didático que contribua na formação de engenheiros eletricistas fornecendo aos estudantes meios suficientes para compreender o funcionamento desses equipamentos e para determinar o mais adequado para cada tipo de instalação. Para isso, são fornecidos todos os valores normatizados, inclusive meios para especificação desses equipamentos conforme sua instalação, incluindo também suas características e funções. Além disso, são disponibilizados os tipos com seus respectivos componentes, o princípio de funcionamento e suas características.

2 1.4. RELEVÂNCIA DO ESTUDO A ideia básica por trás da disciplina de Equipamentos Elétricos é que os alunos tenham meios para conhecer e compreender bem os diferentes equipamentos elétricos ministrados ao longo de toda a sua formação. Os futuros engenheiros devem estar preparados para o dinamismo do mercado de trabalho e ter ciência de que não devem somente conhecer o funcionamento dos equipamentos, máquinas e circuitos, mas também entender sua complexidade de concepção e suas respectivas áreas de atuação. 1.5. LIMITAÇÕES DO ESTUDO O tema abordado neste trabalho é complexo, até mesmo para os profissionais mais experientes da área. A quantidade de material disponível é grande e está em constante atualização, para incorporar as novas tecnologias aplicáveis e incluir novas abordagens sobre o assunto. A vasta documentação existente permitiria que cada um dos capítulos apresentados neste trabalho pudesse ser estendido para a elaboração de um PG específico sobre o tema em questão. Boa parte do material é baseada nas informações contidas em norma, salvo algumas publicações, catálogos e estudos específicos sobre determinado assunto, conforme a bibliografia. 1.6. ORGANIZAÇÃO DO ESTUDO O trabalho está organizado em 11 capítulos, compostos da seguinte maneira: Capítulo 1 Introdução: apresenta os aspectos gerais dos assuntos contemplados no estudo, introduzindo a proposta, a motivação, as considerações iniciais, o objetivo, a relevância e as limitações do estudo. Capítulo 2 Referencial Teórico: aponta as principais fontes consulta das para a revisão bibliográfica da literatura disponível, que serviu como embasamento do estudo.

3 Capítulo3 Conceitos básicos dos transformadores de corrente: introduz o estudante nos primeiros conceitos sobre o TC. Neste capítulo são apresentados o tema, as finalidades e as aplicações desse equipamento. Capítulo 4 Especificação dos transformadores de corrente: apresenta as características de instalação desse equipamento, o serviço desempenhado pelo TC e os tipos existentes devido às diferentes construções mecânicas. Capítulo 5 Representação de um transformador de corrente: são apresentadas, de maneira didática, as formas de representar o TC e de fazer a marcação dos terminais. Capítulo 6 Nesse capítulo são apresentadas as características necessárias para a especificação do transformador de corrente. Capítulo 7 Conceitos básicos dos transformadores de potencial: introduz o estudante nos primeiros conceitos sobre o TP. São apresentadas as finalidades e as aplicações desse equipamento. Capítulo 8 Transformador de potencial capacitivo: são abordados os conceitos do TPC, apresentadas as vantagens e desvantagens de seu uso, os seus componentes e o circuito equivalente. Capítulo 9 Transformador de potencial indutivo: são abordados os principais conceitos e suas respectivas características. Capítulo 10 Representação de um transformador de potencial: são apresentadas de maneira didática as formas de representar o TP e identificação dos terminais Capítulo 11 Conclusão: apresenta uma análise conclusiva a respeito do trabalho desenvolvido e comentários a ele relacionados.

4 1.7. METODOLOGIA DA PESQUISA 1.7.1 Introdução A metodologia de pesquisa implementada para a elaboração desse projeto é mostrada nesse capítulo, com detalhamento das etapas desta pesquisa. A divisão se deu da seguinte forma: 1 Escolha do tema. 2 - Definição do objetivo do estudo. 3 - Revisão bibliográfica. 4 - Metodologia. 5 - Redação e elaboração do trabalho. 6 - Conclusão. 1.7.2. Etapas da Pesquisa A primeira etapa do estudo foi a escolha do tema a ser explorado. Na segunda, definiu-se o objetivo do estudo. A terceira fase deste processo foi a revisão bibliográfica, em que foram reunidos os materiais utilizados como fonte para sua realização. Cada uma dessas fontes é citada ao final do presente trabalho, na seção Referências Bibliográficas. A quarta etapa se constitui no desenvolvimento da metodologia implementada, que é o assunto tratado neste capítulo. O trabalho que se estende do capítulo 1 ao 10, consiste na quinta fase do projeto, a redação e elaboração. Finalmente, no capítulo 11 é apresentada a última etapa, a análise conclusiva do trabalho. 1.7.3 Definição de Pesquisa Antes de darmos continuidade à metodologia de pesquisa adotada, é importante esclarecer o que se entende por pesquisa, pois existem várias formas de definição.

5 Segundo SANTOS (apud SOARES, 2008), o ato de pesquisar é o exercício intencional da pura atividade intelectual, visando melhorar as condições práticas da existência. A pesquisa constitui-se em um conjunto de procedimentos que visam produzir um novo conhecimento e não reproduzir, simplesmente, o que já se sabe sobre um dado objeto em um determinado campo científico. Portanto, o ato da pesquisa engrandece não só o pesquisador, como também a humanidade, já que contribui para o avanço da ciência e para o desenvolvimento social. 1.7.4 Classificação e Tipos de Pesquisa A classificação de uma pesquisa pode ser realizada de diversas formas, de acordo com os critérios. As formas mais clássicas são feitas segundo a natureza, os objetivos, a finalidade e os meios. Segundo SILVA E MENEZES (apud OLIVEIRA, 2008), quanto à natureza, uma pesquisa pode ser classificada como básica ou aplicada. Pesquisa básica - tem por objetivo gerar conhecimentos novos úteis para o avanço da ciência sem aplicação prática prevista. Pesquisa aplicada - o conhecimento gerado possui aplicações práticas e são dirigidos à solução de um problema. Já em relação aos objetivos, GIL (apud OLIVEIRA, 2008) classifica a pesquisa como exploratória, descritiva ou explicativa. Pesquisa Exploratória tenciona uma maior familiaridade com o problema visando torna-lo explícito. Esse tipo de pesquisa utiliza levantamento bibliográfico; entrevistas com pessoas que tiveram experiências práticas com o problema pesquisado; análise de exemplos que estimulem a compreensão. Assume, em geral, as formas de pesquisas bibliográficas e estudos de caso. Pesquisa Descritiva Visa descrever as características de determinada população ou fenômeno. Utiliza técnicas padronizadas de coleta de dados: questionário e observação sistemática. Assume, em geral, a forma de levantamento. Pesquisa Explicativa tem por objetivo identificar os fatores que determinam ou contribuem para a ocorrência dos fenômenos. Aprofunda o conhecimento da

6 realidade porque explica a razão das coisas. Assume, em geral, as formas de pesquisa experimental e ex post facto. Já segundo GIL (apud OLIVEIRA, 2008), com relação aos procedimentos técnicos de coleta, a pesquisa pode ser do tipo bibliográfica, documental, experimental, levantamento, estudo de caso, ex-post facto, pesquisa ação e participante. Pesquisa Bibliográfica quando elaborada a partir de material já publicado e constituído principalmente de livros, artigos de periódicos e atualmente com material disponibilizado na Internet. Pesquisa Documental quando elaborada a partir de materiais que não receberam tratamento analítico. Pesquisa Experimental quando se determina um objeto de estudo e selecionam-se as variáveis que seriam capazes de influenciá-lo, definem-se as formas de controle e de observação dos efeitos que a variável produz no objeto. Levantamento quando a pesquisa envolve a interrogação direta das pessoas cujo comportamento se deseja conhecer. Estudo de caso quando envolve o estudo profundo e exaustivo de um ou poucos objetos de maneira que se permita o seu amplo e detalhado conhecimento. Pesquisa ex-post facto quando o 'experimento' se realiza depois dos fatos. Pesquisa Ação quando concebida e realizada em estreita associação com uma ação ou com a resolução de um problema coletivo. Os pesquisadores e participantes representativos da situação ou do problema estão envolvidos de modo cooperativo ou participativo. Pesquisa Participante quando se desenvolve a partir da interação entre pesquisadores e membros das situações investigadas. Portanto, podemos classificar o presente trabalho como uma pesquisa aplicada, quanto a natureza, pois se propõe a elaboração de material didático a partir do conhecimento gerado; descritiva, por proporcionar maior familiaridade com o tema, quanto ao objetivo; bibliográfica e documental, quanto aos procedimentos técnicos de coleta já que foi elaborada a partir de um material já publicado e não sofreu tratamento analítico.

7 2 REFERENCIAL TEÓRICO O trabalho foi iniciado tomando como base o material didático já existente da disciplina, em conjunto com literatura disponível outros documentos que tratam do tema, e as normas aplicáveis, tendo como objetivo unir todas essas informações sobre TC e TP em um único material para a disciplina Equipamentos Elétricos. O material utilizado na disciplina encontrava-se defasado, necessitando atualização. Com essas fontes, o material foi expandido, enriquecido e organizado até que tomasse a forma aqui apresentada. O texto segue as normas de elaboração de trabalhos acadêmicos da ABNT, e a sequência de capítulos foi reorganizada de forma a facilitar a didática, respeitando a lógica em que o professor apresenta o tema. Novas imagens foram adicionadas para facilitar a compreensão, uma vez que determinados assuntos tornavam-se difíceis de ser compreendidos devido à falta de ilustrações que pudessem reforçar o que era abordado. A quantidade de material disponível sobre o assunto é grande e constantemente atualizada. À medida que novas tecnologias passam a ser exploradas e novas técnicas de abordagem são incorporadas, faz-se necessário rever a documentação disponível no mercado. O objetivo deste trabalho também foi fornecer aos estudantes os meios necessários para a compreensão do assunto e capacitá-los no momento de analisar e especificar um desses equipamentos. A maior dificuldade para a elaboração deste trabalho foi na delimitação do estudo. Ao mesmo tempo em que a documentação sobre o assunto é ampla, não é muito fácil encontrar no mercado publicações técnicas voltadas especificamente para este fim. Em alguns pontos procurou-se fazer uma abordagem bastante didática, incluindo exemplos para facilitar a compreensão do estudante. Por vezes este tipo de abordagem pode parecer repetitivo, mas julgou-se preferível favorecer a didática, mesmo comprometendo a fluidez do estudo em alguns pontos. O trabalho, de uma maneira geral, é dividido em partes concomitantemente independentes e interdependentes, pois ao mesmo tempo em que cada uma contempla um assunto, umas servem de base para outras, e ainda, alguns tópicos se reafirmam em outras partes.

8 2.1 NORMAS Para elaboração desse trabalho levamos como base algumas normas técnicas referentes ao TC e ao TP. Transformadores para instrumentação (Terminologia): ABNT NBR 6546 Transformadores de corrente - método de ensaio: ABNT NBR 6821 Transformadores de corrente - especificação: ABNT NBR - 6856 Transformadores de potencial - método de ensaio: ABNT NBR 6820 Transformadores de potencial: ABNT NBR - 6855 IEC C57.13 - Standards Requirements for Instruments Transformers IEC C93.2 - Standards Requirements for Power-line Coupling Capacitor Voltage Transformers 2.2 ISOLAÇÃO DE EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS A circulação de corrente elétrica entre corpos metálicos ocorre quando existe uma diferença de potencial elétrico entre os dois corpos metálicos separados e entre eles existe um terceiro corpo de material condutor. Já se a comunicação entre os dois primeiros corpos metálicos for estabelecida por um corpo isolante, não haverá circulação de corrente elétrica. Temos assim duas classes bem distintas de materiais: os condutores e os isolantes. Existem materiais que não podem ser incluídos em nenhuma destas duas classes: são os maus condutores e maus isolantes. Entre estes, existem alguns que adquiriram enorme importância: são os semicondutores, nos quais a condutibilidade elétrica varia extraordinariamente sob a influência de causas diversas.

9 2.3 MATERIAL ISOLANTE ELÉTRICO 2.3.1 Termos e definições MIE - Material Isolante Elétrico: segundo a NBR 7034, é um sólido com baixa condutividade elétrica, ou uma simples combinação desses materiais, usado para separar partes condutoras de diferentes potenciais elétricos em equipamentos elétricos. O termo material isolante pode ser usado, de forma mais ampla, para também designar líquidos e gases isolantes. Combinação simples de materiais isolantes elétricos: estrutura de dois ou mais Materiais Isolantes Elétricos (MIE) fisicamente unidos, utilizados em Sistemas Isolantes Elétricos (SIE). Os MIE combinados durante o processo de fabricação de um equipamento não constituem uma combinação simples. Por exemplo, um material flexível consistindo em papel laminado sobre filme de tereftalato de polietileno (IEC 60626) constitui uma combinação simples. Materiais isolantes podem ser impregnados ou revestidos, recebendo tratamento com substâncias apropriadas, tais como vernizes, resinas, massas ou outros, em grau suficiente para melhorar suas características dielétricas, mecânicas e outras. além de formar uma película superficial adequada que impeça a penetração de ar, umidade, poeira ou outros contaminantes num grau tal que assegure um perfeito comportamento para a classe térmica designada. SIE - Sistema Isolante Elétrico: sistema isolante contendo um ou mais MIE e/ou combinações simples destes associados com partes condutoras, utilizado em equipamentos elétricos. Classe Térmica: designação de um Material Isolante Elétrico (MIE/SIE) igual ao valor numérico da temperatura máxima utilizada, em graus Celsius, para o qual o MIE/SIE é apropriado. A descrição de um equipamento elétrico como sendo de uma classe térmica particular não significa que cada material isolante utilizado em sua construção tenha a mesma capacidade térmica. Pode então ser necessário atribuir classes térmicas diferentes para o mesmo MIE/SIE para condições de serviço diferentes. DTE - Durabilidade Térmica Estimada: valor numérico de temperatura, em graus Celsius, para o qual o material de referência possui desempenho satisfatório conhecido em serviço para a aplicação especificada. O valor da DTE para um mesmo material pode

10 variar conforme a aplicação. Algumas vezes refere-se como índice de durabilidade térmica absoluta. DTR - Durabilidade Térmica Relativa: valor numérico da temperatura em graus Celsius no qual o tempo estimado para o ponto final do material candidato é o mesmo tempo estimado para o ponto final do material de referência (DTE) Material Candidato: material para o qual é necessário estimar a durabilidade térmica relativa (DTR). A determinação é realizada por envelhecimento térmico simultâneo do material candidato e um material de referência. Material de Referência: material com DTE conhecido, de preferência por experiências do equipamento em serviço, usado para ensaios comparativos com material candidato. 2.3.2 Escolha do Material Isolante Elétrico Devem ser considerados, na escolha dos materiais isolantes, em face das propriedades e custos, os seguintes fatores: Propriedades Mecânicas - resistência à tração, compressão, cisalhamento, impacto, porosidade, absorção, absorção de umidade. Propriedades Elétricas - resistência elétrica, resistência de isolamento, resistência dielétrica. Propriedades Químicas - resistência aos ácidos, óleos, calor, ozônio, corrosão e umidade, combustabilidade. Propriedades Térmicas - resistência térmica, calor específico, coeficiente de dilatação, ponto de fusão. 2.3.3 Classificação das Substâncias Isolantes Segundo sua Natureza Gases Substâncias Isolantes Líquidos Sólidos Subdivisões e exemplos: Aplicados em estado líquido Aplicados em estado pastoso Aplicados em estado sólido Gases - ar, azoto, hexafluoreto de enxofre (SF6)

11 Líquidos - óleo mineral, dielétricos sintéticos (líquidos com alto ponto de combustão tais como, ascarel, óleo de silicone etc.), óleos vegetais, solventes empregados nos vernizes e compostos isolantes (álcool, benzeno, nafta, benzinas etc.). Sólidos Aplicados em Estado Líquido ou Pastoso - resinas e plásticos naturais, materiais asfálticos, goma laca, ceras (animal, vegetal, parafina), vernizes e lacas, resinas sintéticas, borracha sintética, silicone, compostos de celulose (termoplástico), acetato de celulose, plásticos moldados a frio. Sólidos - minerais (quartzo, mica, mármore), cerâmicas, porcelana, vidro, micalex, materiais da classe da borracha (borracha natural, neoprene etc.), materiais fibrosos, algodão, seda, papel, vidro, madeira, celofane. 2.3.4 Classificação das Substâncias Isolantes Segundo as Classes de Temperatura A NBR 7034 designa as classes de temperatura dos materiais isolantes elétricos (classificação térmica) ou da combinação destes materiais utilizados em máquinas, aparelhos e equipamentos elétricos com base na temperatura máxima que podem suportar em condições normais de operação durante a sua vida útil. Avaliação de Durabilidade Térmica e Classificação A classificação térmica para materiais isolantes não pode ser aplicada para um sistema de isolação do qual eles são componentes, a não ser que isso seja provado. Da mesma forma, a classificação térmica de um material não pode ser deduzida a partir da classe térmica de um sistema de isolação no qual ele é um componente. MIE - Material Isolante Elétrico Os materiais isolantes elétricos e as combinações simples de materiais isolantes elétricos devem ser avaliados de acordo com a IEC 60216-5 e IEC 60216-6, e referem-se às condições de serviço esperadas. SIE - Sistema Isolante Elétrico Os sistemas de isolação elétrica devem ser avaliados de acordo com a IEC 61857-1 e classificados de acordo com a IEC 62114.

12 Classe Térmica Considerando-se que a temperatura em equipamentos elétricos é um dos principais fatores que aceleram o envelhecimento dos materiais isolantes elétricos, são definidas classes térmicas reconhecidas internacionalmente, sendo que a classe térmica especificada para um material isolante elétrico representa a temperatura em graus Celsius para o qual o MIE é apropriado. A classe térmica atribuída ao material utilizado num sistema de isolação não implica automaticamente que a classe térmica do sistema é a mesma do material, ou para o material com a classe térmica mais baixa, no caso de mais de um material, com classes diferentes, estar sendo utilizado no sistema. DTR (ºC) Classe Térmica Designação Anterior (IEC 60085:2004) DTR < 90 70 90 DTR < 105 90 Y 105 DTR < 120 105 A 120 DTR < 130 120 E 130 DTR < 155 130 B 155 DTR < 180 155 F 180 DTR < 200 180 H 200 DTR < 220 200 N 220 DTR < 250 220 R DTR 250 250 C Tabela 2.1: Tabela de classe térmica [15] 3 TRANSFORMADOR DE INSTRUMENTO A grande expansão dos sistemas elétricos exige o uso de correntes e tensões cada vez mais elevadas. Para controlar e proteger esses sistemas é necessário que as informações sobre os valores de corrente e tensão sejam conhecidas. Com a impossibilidade de instrumentos que meçam diretamente essas grandezas, utilizamos transformadores de instrumento para obtermos valores de tensão e corrente que se adaptem aos instrumentos disponíveis. No caso da medida de tensão utilizamos os transformadores de potencial (TP) e para corrente, temos os transformadores de corrente (TC).

13 Os transformadores de instrumento têm a função de suprir de corrente e tensão os relés e medidores com grandeza proporcional aos circuitos de potência, contudo, suficientemente reduzidas de maneira que esses equipamentos possam ser fabricados de forma reduzida, do ponto de vista de seu isolamento. 3.1.TRANSFORMADOR DE CORRENTE A impedância do enrolamento primário dos transformadores de corrente é desprezível quando comparada com a do sistema ao qual está instalado. Assim o circuito de potência define a corrente que circula no primário dos TC. Os transformadores de corrente consistem em poucas espiras no primário com uma bitola apropriada para a corrente do circuito de força, conectado em série com este enrolamento, fazendo com que a corrente que flui para a carga circule pelo enrolamento primário. Já o secundário contém várias espiras de fio relativamente fino, adequado ao equipamento de medição a ele conectado. A impedância interna do equipamento conectado ao secundário do TC é pequena, fazendo com que o secundário esteja praticamente em curtocircuito. Logo, o TC opera como se fosse um transformador com o secundário em curtocircuito. 3.2 FINALIDADES DO TC Os transformadores de corrente são equipamentos elétricos projetados especialmente para alimentar instrumentos elétricos de medição, controle ou proteção. Esses equipamentos transformam correntes de um alto valor para um valor fácil de ser medido por relés e outros instrumentos. Eles proporcionam o isolamento do circuito de medição de primário na alta tensão do sistema. E também promovem possibilidade de padronização dos instrumentos e relés para alguns valores de correntes. 3.3 APLICAÇÃO DO TC Os transformadores de corrente são aplicados para que possamos ter corrente normalizada e fácil de manusear com precisão e segurança. São utilizados na medição do consumo de energia e potência (Wattímetros e medidores de energia) e na proteção dos sistemas elétricos (relés).

14 4 ESPECIFICAÇÃO DE TRANSFORMADOR DE CORRENTE 4.1 INSTALAÇÃO De acordo com a NBR 6856, em condições normais os TC são projetados para operar em local com altitude não superior a 1.000 m, com temperatura máxima ambiente não superior a 40 ºC, média não superior a 30 ºC e mínima de -10 ºC, em qualquer período de 24 horas. Podem ser instalados em locais com condições diferentes, desde que os valores nominais sejam corrigidos. Quando o transformador de corrente solicitar valores permissíveis de fator térmico (item 6.8) para temperaturas fora das condições normais, deve ser fornecido pelo fabricante o valor máximo do fator térmico que o TC é capaz de suportar sem exceder os limites de elevação de temperatura. Podem ser construídos para uso externo ou interno. Por motivo de economia, de modo geral nas instalações de até 15 kv, são do tipo interno e para as demais tensões, são de uso externo. 4.1.1 Condições especiais de instalação Devem ser consideradas condições especiais as que podem exigir construção, revisão de algum valor nominal, cuidados especiais no transporte, instalação ou funcionamento do TC, e que devem ser levadas ao conhecimento do fabricante. Exemplos de condições especiais segundo ABNT NBR 6856. Instalação a alturas superiores 1.000 m. Temperatura do ar ambiente fora dos limites normalizados. Exposição a ambientes salinos, vapores, gases ou fumaça. Exposição a poeira excessiva Exposição a ambientes corrosivos Vibrações anormais - sísmicos Exposição a gases e vapores explosivos Transporte em condições precárias Instalação em locais úmidos, com possibilidade de formação de fungos

15 4.2 TIPO DE SERVIÇO executado. Os transformadores de corrente são classificados de acordo com o tipo de serviço a ser 4.2.1 TC de Proteção Esses equipamentos são utilizados para proteção de circuitos de alta tensão, são caracterizados pela baixa precisão (ex.: 10 % - 20 % de erro de medição) e elevada corrente de saturação (da ordem de 20 vezes a corrente nominal). Para um TC de proteção é importante que sua corrente secundária que alimenta os sistemas de proteção seja a mais fiel possível, principalmente durante os curtos-circuitos. As correntes de curto normalmente são bastante elevadas, o que pode levar o núcleo magnético do TC à saturação. Na operação normal do sistema, o TC trabalha dentro da região linear, portanto o erro do TC é pequeno. Durante uma falta, onde a corrente de curto é elevada, é preciso fazer a proteção atuar o mais rápido possível, dentro das limitações de operação e de coordenação, onde proteger o sistema elétrico passa a ser mais importante do que fazer sua medição. Admite-se então para a proteção, durante o curto, erros de até 10 % na corrente secundária do TC. 4.2.2 TC de Medição Esse tipo de TC é utilizado para medição de correntes em alta tensão, possui característica de boa precisão (ex.: 0,3 % - 0,6 % de erro de medição) e baixa corrente de saturação (4 vezes a corrente nominal). Esses devem retratar fielmente a corrente a ser medida, apresentar erros de fase e de relação mínimos dentro de suas respectivas classes de exatidão. Em caso de curto-circuito não há necessidade que a corrente seja transformada com exatidão. É melhor que em condições de curto-circuito o TC sature, proporcionando assim, uma autoproteção aos equipamentos de medição conectados no seu secundário.

16 4.2.3 Diferença entre TC de Proteção e Medição O transformador de corrente de medição deve manter sua precisão para correntes nominais, enquanto o TC de proteção deve ser preciso até o valor de Fator de Sobrecorrente (FS - Item 6.7) especificado pelo cliente. Outra diferença observada nesses dois tipos de TC são os núcleos magnéticos. O núcleo do TC de medição é de seção menor do que os de proteção para que saturem durante o curtocircuito quando a corrente primária atinge valores altos. 4.3 TIPO DE CONSTRUÇÃO MECÂNICA 4.3.1 Primário Enrolado Este tipo é usado quando são requeridas relações de transformações inferiores a 200/5. Possui isolação limitada e, portanto, se aplica em circuitos até 15 kv. Possui os enrolamentos primários e secundários completamente isolados e permanentemente montados no núcleo. É fabricado de tal modo que o enrolamento primário, constituído de uma ou mais espiras, envolve mecanicamente o núcleo do transformador. Características - NBR 6856 Nível de isolamento: 600 V; Corrente primária: 5 A até 400 A Figura 4.1: TC Tipo Primário Enrolado [4].

17 4.3.2 Tipo Barra Possui os enrolamentos primário e secundário completamente isolados e permanentemente montados no núcleo. O primário consiste em uma barra condutora no interior da janela do núcleo, e o transformador de corrente é fixado pelo primário. Figura 4.2: TC Tipo Barra [4]. 4.3.3 Tipo Janela Este transformador de corrente possui o secundário completamente isolado e permanentemente montado no núcleo, mas não possui enrolamento primário. É construído de maneira análoga ao tipo bucha, descrito a seguir, exceto, que o ar é usado para separar os enrolamentos primários e secundários. O enrolamento primário pode ser um barramento ou um condutor que passa por dentro da janela. Figura 4.3: TC Tipo Janela [4].

18 4.3.4 Tipo Bucha Tipo especial de TC janela, é construído e projetado para ser instalado no interior das buchas de um equipamento elétrico (transformador, disjuntor, reator etc.), fazendo parte integrante do seu fornecimento. Consiste de um núcleo toroidal (em forma de anel), com os enrolamentos secundários. O núcleo fica situado ao redor de uma bucha de isolamento, através da qual passa um condutor, que substituirá o enrolamento primário. Pelo seu tipo de construção e instalação, o circuito magnético deste modelo de TC é maior do que o dos outros, sendo mais preciso para correntes altas, pois possui menor saturação. Em baixas correntes, tem menor precisão em virtude da maior corrente de excitação, razão pela qual não é usado para medições com baixas correntes. Figura 4.4: TC Tipo Bucha [4]. 4.3.5 Tipo Núcleo Dividido Possui o enrolamento secundário completamente isolado e permanentemente montado no núcleo, mas, não possui enrolamento primário. Podendo ou não ter isolação para enrolamento primário. Parte do núcleo é separável ou articulada para permitir o abraçamento do condutor primário. Destina-se ao uso com enrolamento primário constituído de um condutor completamente isolado ou um condutor nu operando com tensão dentro da relação do transformador. Um tipo muito difundido de instrumento com núcleo dividido é o amperímetro alicate.

19 O amperímetro alicate representa uma variedade do transformador de corrente do tipo núcleo dividido que é utilizada para medidas sem interrupção do circuito elétrico. A peça principal destes transformadores é o núcleo secionado, composto de chapas finas, a fim de reduzir as perdas por histerese, sobre a qual se enrola o circuito secundário. As duas partes do núcleo são movimentadas mediante um mecanismo articulado, sendo que elas se apertam uma contra a outra através de um mecanismo acionado por mola. Neste caso o primário é constituído pelo condutor abraçado pelo alicate. No caso da corrente medida não ser suficiente para causar a deflexão do ponteiro de modo a se obter uma boa leitura, o procedimento recomendado é enrolar o circuito primário, dando tantas voltas quantas forem necessárias, fazendo com que a grandeza da corrente primária seja multiplicada pelo número de voltas dadas no enrolamento primário. Não se deve esquecer que a leitura oferecida no instrumento deve ser dividida pelo número de voltas dadas no enrolamento primário do TC. Figura 4.5: TC Tipo Núcleo Dividido [4]. 4.3.6 Tipo com Vários Enrolamentos Primários Transformador de corrente com vários enrolamentos primários distintos e isolados separadamente.

20 4.3.7 Vários Núcleos Possuí vários enrolamentos secundários isolados separadamente e montados cada um em seu próprio núcleo, formando um conjunto com um único enrolamento primário cujas espiras enlaçam todos os secundários. Figura 4.6: TC Tipo Vários Núcleos [4]. Os transformadores a seguir não são contemplados pela ABNT, porem são muito utilizados em subestações. 4.3.8 Posição Livre Os transformadores de corrente desse tipo são indicados para tensões de 765 kv e corrente acima de 3.000 A. Seu uso é justificado em todos os casos em que há necessidade de recombinação par obtenção de outras relações de transformação. Figura 4.7: TC Posição Livre [4].

21 4.3.9 Tipo Pedestal Os transformadores de corrente desse tipo têm sua massa concentrada na base do equipamento, proporcionando maior estabilidade mecânica e buscando compensar a altura elevada da bucha. O enrolamento primário é reforçado de forma a suportar os esforços mecânicos oriundos de corrente de curto circuito. 4.3.10 Tipo Invertido Figura 4.8: TC Tipo Pedestal [4]. Nesse tipo de transformados de corrente o enrolamento primário consiste em uma barra estacionária que é envolvido pelo enrolamento secundário em forma de toróide. O isolamento principal é colocado nos espaços deste toróide, que envolve as partes secundarias e a expansão tubular. Os terminais do secundário estão disponíveis em uma caixa de terminais. O transformador de corrente do tipo invertido é utilizado em altas correntes e tensões.

Figura 4.9: TC Tipo Invertido [4]. 22

23 5 REPRESENTAÇÃO DE UM TRANSFORMADOR DE CORRENTE Existem várias formas de representar os transformadores de corrente. Nesse item vamos descrever o método adotado pela ABNT. As correntes nominais primárias e secundárias devem ser expressas em amperes ou correntes primárias e secundárias na forma de relações nominal de correntes. As correntes primárias nominais e as relações nominais devem ser escritas em ordem crescente. Dois pontos (:) é usado para exprimir relações nominais. Ex.: 300:1. Hífen ( ) é usado para separar correntes nominais de enrolamentos diferentes. Ex.: 300 5A 300 300 5A (dois enrolamentos primários) 300 5 5 A (dois enrolamentos secundários) Xis (x) é usado para separar correntes primárias nominais, ou relações nominais duplas, como 300 x 600 5 A, correntes primárias nominais, cujos enrolamentos podem ser ligados em série ou paralelo. Barra (/) é usada para separar correntes primárias nominais ou relações nominais obtidas por meio de derivações, efetuadas tanto nos enrolamentos primários como nos secundários. Ex.: 300/400 5 A. Exemplo: 100 5 A Figura 5.1: Representação no Unifilar do Transformador de Corrente [4].

24 5.1 MARCAÇÃO DOS TERMINAIS Os terminais dos transformadores de corrente devem ser adequadamente identificados para facilitar a ligação correta, quer quando apenas as marcas de polaridade nos transformadores de dois enrolamentos sem derivações, quer usando além destas uma letra e algarismos em cada um dos terminais dos transformadores, de mais de dois enrolamentos, derivações ou relações múltiplas. Quando for usada marcação individual nos terminais, a letra distinguirá o enrolamento a que pertence o terminal. P (ABNT) Terminal do enrolamento primário. H segundo ANSI. S (ABNT) Terminal do enrolamento secundário. X segundo ANSI. Os algarismos, dispostos segundo a série natural dos números inteiros, serão usados como especificado na figura 5.2. Exemplo: Figura 5.2: Indicação de Polaridade de um Transformador de Corrente [4]. Quando antes da letra, o algarismo indicará a quantidade de enrolamentos, no caso de haver mais de um enrolamento primário ou secundário, ou as diferentes fases do conjunto de medição. Quando depois da letra, o mais baixo e o mais alto algarismo da série indicarão as derivações em sua ordem relativa. Os terminais de enrolamentos diferentes, marcados com o algarismo 1 (um), serão da mesma polaridade. Os terminais externos primários do conjunto de medição serão numerados com segue: 0 (zero) para terminal neutro de entrada. 1 (um), 2 (dois) e 3 (três) para os demais terminais de entrada. 4 (quatro), 5 (cinco) e 6 (seis) para os demais terminais de saída.

25 Quando o transformador de corrente for do tipo primário religável, deverão constar do próprio TC as ligações necessárias para sua correta execução. Exemplos típicos de marcação de terminais: Relação única Figura 5.3: marcação de terminais de relação única [4]. Transformador de corrente religável Dupla relação com primário em duas seções destinadas à ligação série paralelo. Figura 5.4: marcação de transformador de corrente religável [4]. Transformador de corrente com relações múltiplas Relação múltipla com primário em várias seções destinadas a ligação série-paralelo. Figura 5.5: marcação de terminais de relações múltiplas [4].

26 Duas relações com derivação no primário Figura 5.6: marcação de terminais com duas relações com derivação no primário [4]. Dois enrolamentos com múltiplas relações. Figura 5.7: marcação de terminais com dois enrolamentos e múltiplas relações [4]. Dois enrolamentos primários Figura 5.8: marcação de terminais com dois enrolamentos primários [4]. Dois enrolamentos secundários Figura 5.9: marcação de terminais com dois enrolamentos secundários [4].

27 6 CARACTERÍSTICAS PARA ESPECIFICAÇÃO DE TRANSFORMADOR DE CORRENTE Na especificação do TC, para consulta aos fabricantes, devem ser no mínimo indicados: Corrente(s) primárias nominal(is) e relação(ões) nominal(ais); Tensão máxima do equipamento e níveis de isolamento; Frequência nominal; Cargas nominais; Exatidão; Número de núcleos para medição e proteção; Fator térmico nominal; Corrente suportável nominal de curta duração; Valor de crista nominal da corrente suportável; Tipo de aterramento do sistema; Uso para interior ou exterior. 6.1 CORRENTE PRIMÁRIA NOMINAL E RELAÇÃO NOMINAL As correntes e relações nominais podem ser vistas nas próximas tabelas, que são padronizadas por norma (ABNT), sendo comuns as correntes secundárias normalizadas em 5 A ou 1 A. A seleção dos TC para serviço de medição deve ser de tal modo que a corrente de carga esteja entre 10% e 100% da corrente primária nominal, pois os paralelogramos de precisão são definidos para esta faixa. As tabelas de 6.1 a 6.3 mostram as relações nominais padronizadas para os transformadores de corrente.

28 Corrente primária nominal Relação nominal Relação Nominal Simples Corrente primária nominal Relação nominal Corrente primária nominal Relação nominal 5 1 : 1 100 20 : 1 1000 200: 1 10 2 : 1 150 30 : 1 1200 240 : 1 15 3 : 1 200 40 : 1 1500 300 : 1 20 4 : 1 250 50 : 1 2000 400 : 1 25 5 : 1 300 60 : 1 2500 500 : 1 30 6 : 1 400 80 : 1 3000 600 : 1 40 8 : 1 500 100 : 1 4000 800 : 1 50 10 : 1 600 120 : 1 5000 1000 : 1 60 12 : 1 800 160 : 1 6000 1200 : 1 75 15 : 1 8000 1600 : 1 Tabela 6.1: Relações nominais simples (ABNT) [12]. Corrente primária nominal (A) Relações Nominais Duplas - Ligação Série / Paralelo Relação nominal Corrente primária nominal (A) Relação nominal 5 x 10 1 x 2 : 1 800 x 1600 160 x 320 : 1 10 x 20 2 x 4 : 1 1000 x 2000 200 x 400 : 1 15 x 30 3 x 6 : 1 1200 x 2400 240 x 480 : 1 20 x 40 4 x 8 : 1 1500 x 3000 300 x 600 : 1 25 x 50 5 x 10 : 1 2000 x 4000 400 x 800 : 1 30 x 60 6 x 12 : 1 2500 x 5000 500 x 1000 : 1 40 x 80 8 x 16 : 1 3000 x 6000 600 x 1200 : 1 50 x 100 10 x 20 : 1 4000 x 8000 800 x 1600 : 1 60 x 120 12 x 24 : 1 5000 x 10000 1000 x 2000 : 1 75 x 150 15 x 30 : 1 6000 x 12000 1200 x 2400 ; 1 100 x 200 20 x 40 : 1 7000 x 14000 1400 x 2800 : 1 150 x 300 30 x 60 : 1 8000 x 16000 1600 x 3200 : 1 200 x 400 40 x 80 : 1 9000 x 18000 1800 x 3600 : 1 300 x 600 60 x 120 : 1 10000 x 20000 2000 x 4000 : 1 400 x 800 80 x 160 : 1 Tabela 6.2: Relações nominais duplas para ligação série/paralelo no enrolamento primário (ABNT) [12].

29 Designação genérica Derivações Principais RM600 5A 100/150/400/600-5A RM1200 5A 200/300/800/ 1200-5A RM2000 5A 400/1200/1500/ 2000-5A Relações Nominais Múltiplas - RM Esquema Corrente Primária Nominal 50 100 150 200 250 300 400 450 500 600 100 200 300 400 500 600 800 900 1000 1200 300 400 500 800 1100 1200 1500 1600 2000 Relação Nominal 10:1 20:1 30:1 40:1 50:1 60:1 80:1 90:1 100:1 120:1 20:1 40:1 60:1 80:1 100:1 120:1 160:1 180:1 200:1 240:1 60:1 80:1 100:1 160:1 220:1 240:1 300:1 320:1 400:1 Derivações Secundárias S2 S3 S1 S2 S1 S3 S4 S5 S3 S4 S2 S4 S1 S4 S3 S5 S2 S5 S1 S5 S2 S3 S1 S2 S1 S3 S4 S5 S3 S4 S2 S4 S1 S4 S3 S5 S2 S5 S1 S5 S3 S4 S1 S2 S4 S5 S2 S3 S2 S4 S1 S3 S1 S4 S2 S5 S1 - S5

30 Designação genérica Derivações Principais Esquema Corrente Primária Nominal Relação Nominal Derivações Secundárias RM4000-5A 500/200/3000/ 400-5A RM5000-5A 300/100/400/200 /1500/2000/ 4000 5A RM6000-5A 1000/1500/4000/ 6000 5A 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 5000 500 1000 1500 2000 2500 3000 4000 4500 5000 6000 100:1 200:1 300:1 400:1 500:1 600:1 700:1 800:1 100:1 200:1 300:1 400:1 500:1 600:1 700:1 800:1 1000:1 100:1 200:1 300:1 400:1 500:1 600:1 800:1 900:1 1000:1 1200:1 S1 S2 S3 S4 S2 S3 S1 S3 S2 S4 S1 S4 S2 S5 S1 S5 S2 S3 S4 S5 S1 S2 S1 S3 S2 S4 S3 S5 S2 S5 S1 S4 S1 S5 S2 S3 S1 S2 S1 S3 S4 S5 S3 S4 S2 S4 S1 S4 S3 S5 S2 S5 S1 S5 Tabela 6.3: Relações nominais múltiplas obtidas por combinações e derivações no enrolamento secundário (ABNT) [12].

31 6.2 TENSÃO MÁXIMA E NÍVEIS DE ISOLAMENTO O nível de isolamento nominal é definido pela máxima tensão do circuito, que deve ser, no mínimo, a tensão mais elevada do sistema ao qual o transformador de corrente vai ser conectado e é padronizado pela NBR 6856. Os níveis de isolamento são mostrados nas tabelas de 6.4 a 6.7. NBI - Nível Básico de Isolamento Tensão Nominal do Sistema kv Tensão Máxima (fase terra) kv NBI e Tensão de Crista kv 0.6 0.38 10 2.4 1.53 45 4.8 3.06 60 8.32 5.29 75 13.8 8.9 110 ou 95 25.0 16.0 150 ou 125 34.5 22.0 200 ou 150 46.0 29.0 250 69.0 44.0 350 115.0 73.0 550 ou 450 138.0 88.0 650 ou 550 161.0 102.0 750 ou 650 230.0 146.0 1050 ou 900 Tabela 6.4: Nível Básico de Isolamento para transformadores de corrente (ABNT) [12]. Tensão máxima do equipamento kv (eficaz) Tensão suportável nominal de impulso atmosférico kv (crista) Tensão suportável nominal de impulso de manobra a frequência industrial kv (eficaz) Tensão suportável nominal de impulso atmosférico com impulso cortado kv (crista) 1.5 2 3 4 92.4 380 450 150 185 418 495 145 550 650 230 275 605 715 169 650 750 275 325 715 825 242 850 950 1050 360 395 460 935 1045 1155 Tabela 6.5: Níveis de isolamento para equipamento de tensão máxima não inferior a 92 kv e não superior a 242 kv (ABNT) [12].

32 Tensão máxima do equipamento kv (crista) 362 460 550 765 Tensão suportável nominal de impulso atmosférico kv (crista) 1050 1175 1300 1425 Tensão suportável nominal de impulso de manobra a frequência industrial kv (crista) 850 950 950 1050 1050 1175 1050 1175 Tensão suportável nominal de impulso atmosférico com impulso cortado kv (crista) 1155 1292 1430 1567 1550 1175 1705 1675 1175 1705 1425 1050 1175 1567 1550 1175 1300 1705 1300 1800 1425 1980 1800 1300 1425 1980 1950 2145 2100 2310 Tabela 6.6: Níveis de isolamento para equipamento de tensão máxima não inferior a 362 kv e não superior a 765 kv (ABNT) [12]. Tensão máxima do Tensão suportável nominal a equipamento frequência industrial kv (eficaz) kv (eficaz) 362 450 460 565 550 650 765 830 Tabela 6.7: Tensão suportável nominal à frequência industrial para transformador de corrente de tensão máxima não inferior a 362 kv e não inferior a 765 kv (ABNT) [12].

33 6.3 FREQUÊNCIA NOMINAL A frequência nominal é mais conhecida como frequência industrial. No Brasil o valor estabelecido pela NBR é de 60 Hz, podendo variar de 58 a 62 Hz. É um fator importante para o transformador de corrente, pois para a sua especificação, o critério adotado é sua carga, que terá valores diferentes para diferentes frequências. Os transformadores devem ser usados na frequência especificada em sua placa de característica, para não ocasionar problemas de exatidão, perdas internas etc. 6.4 CARGAS NOMINAIS PARA TRANSFORMADORES DE CORRENTE Todas as considerações sobre precisão dos transformadores de corrente requerem conhecimento das cargas que os mesmos alimentam. A carga externa, também chamada de burden (soma das impedâncias), pode ser expressa em termos de impedância com os componentes de resistência e reatância ou em termos de potência e fator de potência, ou seja, em Volt-Ampère (VA), que representam o que é consumido na impedância da carga com corrente secundária nominal. Assim, uma carga de 0,5 Ω, pode ser expressa, também, como 12,5 VA, assumindo uma corrente secundária nominal de 5 A. Os catálogos e publicações dos diversos fabricantes mostram as cargas dos relés, medidores, etc. que, junto com as impedâncias dos condutores, permitem o cálculo da carga total imposta ao TC. Para uma melhor compreensão das cargas nominais a serem impostas aos transformadores de corrente de medição e proteção vamos observar as curvas típicas de magnetização dos dois tipos. Para os transformadores de corrente de instrumentação e medição é necessária uma precisão elevada na faixa de 10 % a 120 % da corrente nominal, quando conectados a carga nominal. Já os TC para serviço de proteção, possuem uma característica linear até a tensão secundária que corresponde à máxima corrente de defeito que circula na carga conectada.

34 6.4.1 Tensão Secundária Nominal É a tensão que aparece nos terminais da carga nominal imposta ao transformador de corrente, quando circula uma corrente 20 vezes a corrente secundária nominal, sem que o erro da relação exceda o valor especificado. Esses valores são baseados para a corrente secundária nominal de 5 A. A figura 6.1, mostra as características dos dois tipos de transformadores de corrente com a mesma carga nominal, porém um para instrumentação e outro para proteção. A figura mostra que cada um dos dois TC tem características distintas. Caso seja necessário um transformador de corrente para propósito de medição e proteção, ele terá que ter características duplas. Em geral aparecem dificuldades no projeto, principalmente no que se referem às suas dimensões. As diversas normas técnicas existentes indicam classes de precisão e cargas para transformadores de corrente destinados à medição e proteção e possibilitam uma escolha direta do tipo e característica dos transformados de corrente requerido para uma determinada finalidade. Cada uma das normas mais utilizadas (ABNT, ANSI e IEC) apresenta métodos ligeiramente diferentes, que, de modo geral, levam ao mesmo resultado aproximado. Figura 6.1: Gráfico Is x Vs [4].

35 6.4.2 Cargas Nominais para Transformadores de Corrente Nomenclatura Nomenclatura segundo a ABNT A carga na qual se baseiam os requisitos de exatidão para a qual o TC foi fabricado são definidas de acordo com a tabela 6.8. É designada pela ABNT por caracteres formado pela letra C seguida do número que indica a carga em Volt-Ampére (VA) correspondente a corrente secundária nominal 5 A e frequência de 60 Hz. Designação Potência Aparente (VA) Resistência ( ) Reatância Indutiva ( ) Fator de potência fp = 0,90 Impedância ( ) Tensão a 20 x 5 A (V) C 2,5 2,5 0.09 0,044 0,1 10 C 5,0 5,0 0,18 0,087 0,2 20 C 12,5 12,5 0,45 0,218 0,5 50 C 22,5 22,5 0,81 0,392 0,9 90 C 45 45 1,62 0,785 1,8 180 C 90 90 3,24 1,569 3,6 360 Tabela 6.8: Cargas nominais para TC com 5A de corrente secundária e fp 0,9 pela ABNT [12]. Designação Potência Aparente (VA) Resistência ( ) Reatância Indutiva ( ) Fator de potência fp = 0,50 Impedância ( ) Tensão a 20 x 5 A (V) C 25 25 0,5 0,866 1,0 100 C 50 50 1,0 1,732 2,0 200 C 100 100 2,0 3,464 4,0 400 C 200 200 4,0 6,928 8,0 800 Tabela 6.9: Cargas nominais para TC com 5A de corrente secundária e fp 0,5 (ABNT) [12]. Para correntes secundárias diferentes de 5 A, os valores de resistência, reatância indutância e impedância das cargas nominais são obtidos multiplicando-se os valores desta tabela pelo quadrado da relação entre a corrente nominal secundária de 5 A e a nova corrente de secundário. Os valores do fator de potência e da potência permanecem inalterados Nomenclatura segundo ANSI Na nomenclatura seguindo a norma ANSI, utiliza-se a letra 'B' (Burden - carga externa) seguida pelo número indicando a impedância em referente à carga, como mostra a tabela 6.10.

36 Designação da Carga Resistência Indutância (mh) Impedância Metering Burdens Potência Aparente Fator de Potência B-0.1 0,09 0,116 0,1 2,5 0,9 B-0.2 0,18 0,232 0,2 5,0 0,9 B-0.5 0,45 0,580 0,5 15,5 0,9 B-0.9 0,81 1,04 0,9 22,5 0,9 B-1.8 1,62 2,08 1,8 45,0 0,9 Relaying Burdens B-1 0,5 2,3 1,0 25 0,5 B-2 1,0 4,6 2,0 50 0,5 B-4 2,0 9,2 4,0 100 0,5 B-8 4,0 18,4 8,0 200 0,5 Tabela 6.10: Cargas nominais para TC de 5A de corrente secundária pela ANSI [14]. Para correntes secundárias diferentes de 5 A, os valores de resistência, indutância e impedância das cargas nominais são obtidos multiplicando-se os valores desta tabela pelo quadrado da relação entre a corrente de 5 A e a nova corrente de secundário. Os valores do fator de potência e da potência permanecem inalterados. Estas padronizações são estabelecidas para facilitar a comparação de diferentes transformadores de corrente numa unidade básica. Note-se, por exemplo, que a designação, B- 2, corresponde a norma ANSI, a uma impedância de 2 Ω, a 60 Hz. Já na norma ABNT a impedância de 2 Ω a 60 Hz corresponde ao C 50. Na tabela 6.11 temos a comparação das designações pelas duas normas.

37 ANSI Designação ABNT Resistência Ω Indutância mh Potência Aparente VA Fator de Potência Impedância Ω B-0,1 C 2,5 0,09 0,116 2,5 0,90 0,1 B-0,2 C 5,0 0,18 0,232 5,0 0,90 0,2 B-0,5 C 12,5 0,45 0,580 12,5 0,90 0,5 B-1 C 25 0,50 2,3 25 0,50 1,0 B-2 C 50 1,0 4,6 50 0,50 2,0 B-4 C 100 2,0 9,2 100 0,50 4,0 B-8 C 200 4,0 18,4 200 0,50 8,0 Tabela 6.11: Quadro Comparativo das Cargas Nominais e Normas (ANSI e ABNT) [12e14]. 6.5 CLASSE DE EXATIDÃO A classe de exatidão do transformador de corrente está diretamente relacionada à função que o equipamento está submetido. Portanto, a determinação da classe de exatidão do transformador de corrente devido às características intrínsecas de cada tipo (serviços de medição e proteção) será enfocada em duas partes: Classe de precisão para TC de serviço de medição. Classe de precisão para TC de serviço de proteção. Porém, independentemente da função ao qual o transformador de corrente está submetido, ele e os equipamentos a ele ligados devem apresentar classe de exatidão semelhante. 6.5.1 Transformadores de Corrente para Serviço de Medição Se fosse possível construir um transformador de corrente perfeito, ou seja, um equipamento sem perdas nos enrolamentos e no núcleo, sem queda de tensão nos enrolamentos

38 e sem corrente de excitação para magnetização do núcleo, a corrente no enrolamento secundário estaria defasada exatamente de 180º da corrente primária (supondo polaridade subtrativa) e a relação de transformação seria exatamente igual à relação das espiras secundária para primária, em todas as condições de corrente primária de carga. Em outras palavras, não haveria erro de ângulo de fase nem erro de relação de transformação. Os transformadores de corrente para serviço de medição, que alimentarão medidores inclusive para faturamento, logo sendo importante que estes retratem com exatidão a corrente de serviço normal do circuito devem apresentar erros de relação mínimos dentro de cada classe, para correntes nominais entre 10% e 120% da corrente nominal. Já em caso de curto circuito não é necessário que esta corrente seja transformada com precisão pelos transformadores de corrente para serviço de medição. Muito pelo contrário, a ação desta corrente provocará a saturação do núcleo do transformador o que proporcionará autoproteção dos instrumentos conectados ao seu secundário. Em outras palavras, considera-se que um transformador de corrente para serviço de medição está dentro de sua classe de exatidão nominal, quando os pontos determinados pelos Fatores de Correção da Relação (FCR) e pelos ângulos de fase (ß) estiverem dentro do paralelogramo de exatidão, onde FCR é o fator que multiplicado pela relação nominal de placa do TC fornece a relação real de transformação do equipamento. Onde: FCR = I 1 I 2 x I k = (I 2 + I e I 2 ) I1 = Valor eficaz da corrente primária (A). I2 = Corrente secundaria fluindo pela carga (A). Ie = Corrente de excitação referida ao secundário. K = Relação de espiras secundária para a primária. Quando um transformador de corrente for usado somente na medição de corrente, seu erro de relação precisa ser considerado. Entretanto, quando são feitas medições em que a relação de fase entre a tensão e corrente estiver envolvida, o erro de fase (ß) da transformação da corrente deve ser levado em consideração. Isso se faz necessário, porque um erro no ângulo de fase da corrente constitui uma defasagem entre a corrente primária e a corrente secundária. Este erro acarreta uma mudança na relação de fase entre a corrente e a tensão do circuito secundário, quando comparada com a relação de fase entre a corrente e a tensão no circuito primário, o que induzirá a um erro de medição.

39 O outro fator de correção é o chamado Fator da Correção de Transformação (FCT) que leva em conta o efeito combinado do erro de relação de ângulo de fase (ß) na medição de potência ou similares. O FCT deve ser entendido como o fator pelo qual se deve multiplicar a leitura do wattímetro para se corrigir o efeito do erro de relação de ângulo de fase de um transformador de corrente. Os valores de FCT padronizados pelas normas ANSI e ABNT são mostrados na tabela 6.12, de acordo com o fator de potência da carga que estiver sendo medida. Se o fator de potência do circuito primário estiver fora desta faixa, o FCT do transformador de corrente poderá estar também fora da faixa especificada. Classe de Exatidão Limites do Fator de Correção da Relação (FCR) e do Fator de Correção de Transformação (FCT) 100 % de I nominal 10 % de I nominal Máximo Mínimo Máximo Mínimo Limites do Fator de Potência (atrasado) da Carga Medida 1,2 0,988 1,012 0,976 1,024 0,6 1,0 0,6 0,994 1,006 0,988 1,012 0,6 1,0 0,3 0,997 1,003 0,994 1,006 0,6 1,0 Tabela 6.12: FCT - Fatores de correção de relação padronizados pelas normas (ANSI e ABNT) [12 e 14]. A Tabela 6.12 refere-se apenas as classes de exatidão referentes aos transformadores de corrente destinados aos serviços de medição para faturamento e medidas de laboratório; para as normas ANSI e ABNT. Para qualquer FCR conhecido, para um transformador de corrente específico os valores limites (positivos e negativos) do ângulo de fase (ß), em minutos pode ser obtido por: ẞ = 2600 x (FCR FCT) Onde FCT Valores máximos e mínimos da tabela acima FCR Valores calculados nas condições de análise Para os transformadores de corrente da classe 3, significa estar dentro da classe de exatidão quando se tem o FCR entre 0.97 e 1,03.

40 Figura 6.2: Limites das classes de exatidão 0,3, em TC para serviço de medição [12] Figura 6.3: Limites das classes de exatidão 0,6, em TC para serviço de medição [12].

41 Figura 6.4: Limites das classes de exatidão 1,2, em TC para serviço de medição [12]. Classe de Exatidão 0,1 0,3 0,6 1,2 Aplicação Para aferição e calibração dos instrumentos de medida de laboratório. Alimentação de medidores de demanda e consumo ativo e reativo para fins de faturamento. Alimentação de medidores para fins de acompanhamento de custos industriais. Alimentação de amperímetros indicadores, registradores gráficos, relés de impedância, relés diferenciais, reles de distância, relés direcionais etc. Alimentação de reles de ação direta, por exemplo, aplicados em 3,0 disjuntores primários de subestações de consumidor. Tabela 6.13: Tabela de classe de exatidão (ABNT) [12].

42 6.5.2 Transformadores de Corrente para Serviço de Proteção Segundo a ABNT os transformadores de corrente para serviço de Proteção se subdividem em duas classes: Classe A com alta impedância interna, isto é, aquele cuja reatância de dispersão do enrolamento secundário possui valor apreciável. Classe T segundo a norma ANSI. Classe B com baixa impedância interna, isto é, aquele cuja reatância de dispersão do enrolamento secundário possui valor desprezível. Entre estes podem ser citados os transformadores de corrente com núcleo toroidal com enrolamento secundário uniformemente distribuído. Classe C segundo a norma ANSI. Estes transformadores são enquadrados pela ABNT nas seguintes classes de exatidão: 5 e 10. Pela norma ANSI o valor da exatidão é 10, e é classificado como C ou T. O C indica que a relação de transformação pode ser calculada e o T indica que esta deve ser determinada através de ensaio. Os TC de proteção devem estar dentro de sua classe de exatidão para as tensões secundárias nominais e as cargas secundárias nominais. Consideramos que um TC está dentro de sua classe de exatidão quando, o seu erro percentual de relação não for superior ao valor especificado (5% ou 10%) desde o valor de Isec. nominal até o valor de 20 vezes o valor de Isec. nominal. O erro percentual da relação pode ser calculado como: Onde: Is = Valor eficaz da corrente secundária considerada Ie = Valor eficaz da corrente de excitação correspondente É necessário se ter em mente que os instrumentos ligados a estes transformadores de corrente devem possuir classe de exatidão semelhante.

43 6.5.3 Cálculo da Exatidão de um Transformador de Corrente A figura 6.5 mostra o circuito equivalente de um transformador de corrente. A corrente primária (IH) é transformada sem erros de relação, ou de ângulo de fase na corrente (IH/n) que é chamada geralmente, de corrente primária referida ao secundário. Figura 6.5: Circuito equivalente de um Transformador de Corrente [4]. Parte desta corrente é consumida na excitação do núcleo, e esta corrente é chamada de corrente de excitação secundária (Ie). A diferença entre elas é a verdadeira corrente secundária (IL). A corrente de excitação secundária (Ie) é função da tensão de excitação secundária (EL) e da impedância de excitação secundária (Xm). A curva que relaciona a tensão de excitação secundária (EL) com a corrente de excitação secundária (Ie) é chamada 'curva de excitação secundária é mostrada na figura 6.6. Figura 6.6: Curva de exatidão de um transformador de corrente tensão secundária x corrente de exatidão [4].

44 Se a curva de exatidão secundária e a impedância do enrolamento secundário são conhecidas, a exatidão da relação de transformação pode ser determinada. 6.5.4 Formas de Especificação da Classe de Exatidão A indicação da classe de exatidão de um transformador de corrente é feita como a seguir. Para o TC de medição registra-se a classe de medição conforme o item 6.5.1, seguida do símbolo de maior carga nominal, conforme o item 6.4.2 com a qual se verifica essa classe de exatidão. Sendo que cada enrolamento secundário deve ter indicada sua classe de exatidão, seguida da carga nominal correspondente. Exemplos: 0,3C2,5 (ABNT) e 0,3B0,1 (ANSI). Já para o TC de proteção deve-se registrar a classe de medição, conforme o item 6.5.2, a classificação do transformador de corrente quanto à impedância interna, de acordo com o item 6.4.2, seguida a tensão secundária que aparece nos terminais do TC quando circula pela sua carga secundária 20 vezes a corrente secundária nominal. Exemplos: 5A200 ou 10A200 (ABNT) e T200 (ANSI); 5B200 ou 10B20 (ABNT) e C400 (ANSI). Pela norma ANSI pode-se omitir o valor da exatidão na especificação dos transformadores de corrente já que todos têm valor igual a 10. Porém, na ABNT essa informação não é omitida, pois isso não ocorre. 6.6 TENSÃO SECUNDÁRIA NORMALIZADA Para o cálculo dessa tensão, foi considerada uma corrente secundaria nominal de 5 A, com a carga de valor normalizado. Tensões Secundárias Normalizadas (V) 10 20 50 90 100 180 200 360 400 800 Tabela 6.14 - Tensão secundária normalizada [4].

45 6.6.1 Classificação para Corrente Secundária Diferente de 5 A O cálculo da carga ôhmica em TC com corrente secundaria diferente de 5 A será realizado da mesma forma. Isso significa que, quando a corrente secundária é diferente de 5A, os valores da impedância das cargas devem ser obtidos multiplicando-se os valores da tabela pelo quadrado da relação entre 5A e a nova Isec. nominal. Exemplo: Com uma corrente secundária de 1 A, a carga correspondente para B-2 será 2 vezes 25 (*), ou seja, 50 Ω, e a tensão nos terminais dos secundários será: V sec = 50x20x1 = 1000 V (*) será 2 vezes 25, pois ( 5 1 )2 = 25 6.7 FATOR DE SOBRECORRENTE NOMINAL Expressa a relação entre a máxima corrente com a qual o TC mantém a sua classe de exatidão e a corrente nominal. Segundo a ABNT e as normas internacionais, o valor máximo desse fator é 20 vezes a corrente primária nominal. Esse fator é muito importante para o dimensionamento do TC de proteção, tendo em vista que esses devem responder, de acordo com sua classe de exatidão (10%), a valores de corrente bastante severos nos seus primários (correntes de curtos-circuitos). 6.8 FATOR TÉRMICO NOMINAL O fator térmico (FT) determina a corrente máxima que o TC deve suportar em regime permanente, operando em condições normais e com maior carga especificada, sem exceder os limites de elevação de temperatura correspondentes à sua classe de isolamento, impostos pela norma pela qual foi especificado. É o fator pelo qual se deve multiplicar a corrente primária nominal do sistema de um TC para se obter a corrente primária máxima que o transformador deve suportar.

46 Os fatores térmicos podem variar em função do fabricante e da norma, como exemplificado na tabela 6.15. Fatores Térmicos Nominais ABNT ANSI 1,0 1,0 1,2 1,33 1,3 1,5 1,5 2,0 2,0 3,0 4,0 Tabela 6.15: Fatores térmicos nominais (ABNT e ANSI) [12 e 14]. Podemos calcular a corrente máxima que um transformador de corrente suporta, em regime permanente sob condições normais, sem exceder os limites de temperatura especificados para a sua classe de isolamento, com a fórmula abaixo. 6.9. LIMITE DE CORRENTE DE CURTA DURAÇÃO NOMINAL PARA EFEITO TÉRMICO CORRENTE TÉRMICA Valor eficaz da maior corrente primária que o TC pode suportar por efeito Joule (com enrolamento curto-circuitado), durante 1 segundo, sem sofrer avarias e perda da vida útil e sem exceder os limites de temperatura especificados para sua classe de isolamento. Esse tipo de corrente surge devido a faltas ou falhas ocorridas no sistema. Esta corrente deve ser definida no ponto de instalação do transformador de instrumento. Para instalação com circuitos protegidos por disjuntor, o limite de corrente de curta duração para efeito térmico (It) do TC pode ser relacionado como: I t > I (corrente de interrupção máxima do disjuntor). (limitado a 40 ka)

47 Onde: Ith = corrente térmica. Inom = corrente nominal. Se o tempo de duração for diferente de 1segundo, usa-se a fórmula abaixo: Ith ( 1seg ) Ith( t) * t Onde: 0,5 t 5 seg. Observar que existe a possibilidade do transformador de corrente suportar maiores elevações de temperatura, em função da temperatura de operação na qual está inserido. Para suportar os efeitos térmicos da Icc, os enrolamentos devem ser projetados para trabalhar durante 1 segundo, a uma densidade máxima de corrente de 160 A/mm 2, pelas normas ABNT e IEC, e 143 A/mm 2, pela norma ANSI. 6.10 LIMITE DE CORRENTE DE CURTA DURAÇÃO NOMINAL PARA EFEITO MECÂNICO CORRENTE DINÂMICA Valor de pico da primeira amplitude da corrente primária (valor eficaz) que o transformador de corrente pode suportar durante determinado tempo (normalmente 0,1 segundo), com o enrolamento secundário curto-circuitado sem sofrer avarias elétricas ou mecânicas pelo resultado das forças eletromagnéticas (forças de atração e repulsão). Idin 1,8 * 2 * Ith 2,5 * Ith Onde, Idin = corrente dinâmica. Ith = corrente térmica.

48 6.11 TIPO DE INSTALAÇÃO Uso interno ou externo: No caso de equipamento para uso interno é aquele instalado abrigado de intempéries. O equipamento de uso externo é aquele instalado ao ar livre, sem abrigo contra as intempéries. Condições especiais: Altitudes superiores a 1.000 m; Exposição a poeira excessiva, ambiente salino e ou corrosivo; Sujeito a vibrações anormais - sísmicos.

49 7 TRANSFORMADOR DE POTENCIAL 7.1 FINALIDADE O Transformador de Potencial (TP) é um equipamento usado principalmente para sistemas de medição de tensão, tanto para baixa tensão (a partir de 0,6 kv) como para alta tensão, sendo capaz de reduzir a tensão do circuito para níveis compatíveis com a máxima tensão suportável pelos instrumentos de medição. Sua principal aplicação é na medição de tensões com valores elevados, ou seja, seu circuito primário é conectado a tensão a ser medida, sendo que no secundário será reproduzida uma tensão reduzida e diretamente proporcional à do primário. Assim, com menor custo e maior segurança, pode-se conectar um instrumento de medição, como voltímetro e wattímetro, no secundário. A tensão reduzida do circuito secundário do TP também é usada para alimentar, de forma igualmente segura, os circuitos de proteção e controle das instalações elétricas. Dessa forma os instrumentos de proteção e controle são dimensionados em tamanhos reduzidos com bobinas e demais componentes de baixa isolação. Os transformadores de potencial são equipamentos utilizados para suprir instrumentos que apresentam elevada impedância, tais como voltímetros, relés de tensão, bobinas de tensão de medidores de energia e etc. No seu dimensionamento não há necessidade de se considerar todos os fatores observados no dimensionamento dos transformadores de corrente, pois sua ligação em paralelo com a rede faz com que a corrente de curto não tenha a mesma influência como nos TC. Logo, a precisão das medições deve ser mantida em todas as leituras, mas esta condição é satisfeita facilmente, pois a faixa de variação de tensão é bem menor do que a de corrente. 7.2.TIPO Para uso em sistema de potência os transformadores de potencial podem ser divididos em dois tipos: TPI - Transformador de Potencial Indutivo TPC - Transformador de Potencial Capacitivo

50 Já para uso em circuitos de ensaio e pesquisa em laboratório os transformadores de potencial podem ser divididos em divisores capacitivos, resistivos e mistos. Para determinar qual o melhor tipo de transformador de potencial a ser utilizado devemos levar em consideração as seguintes informações: Custo do equipamento Utilização de 'carrier', também conhecido pela sigla OPLAT (Onda Portadora Sobre Linhas de Alta Tensão). Em nosso país, é ainda o meio de comunicação mais utilizado para esquemas de teleproteção, em vista do baixo custo. Há o aproveitamento dos próprios cabos de energia da Linha de Transmissão como meio físico de propagação do sinal, interligando subestações e usinas. Esses fatores atuam de forma harmônica, pois em tensões inferiores a 69 kv geralmente não se utiliza carrier e os TPI tem um custo menor para esse nível de tensão em relação ao TPC. Logo, há um predomínio na utilização dos TPI para esses níveis de tensão. Para as tensões compreendidas entre 69 kv e 138 kv o fator preponderante é a utilização do PLC - Power Line Carrier, tecnologia que consiste em transmitir dados e voz em banda larga pela rede mais utilizada em todo o mundo, a de energia elétrica. Como utiliza uma ferramenta já disponível, não necessita de instalações especiais para ser implantada. No nível de tensão de 138 kv podemos observar a utilização dos dois tipos de TP em uma mesma subestação, pois é comum usar os TPC nas linhas de transmissão onde há carrier, e os TPI nas barras, já que esses possuem um melhor custo para esse nível de tensão e nessa posição os equipamentos não empregam nenhum tipo de comunicação por onda. Já para níveis de tensão superiores a 138 kv, os dois fatores citados levam a utilização dos TPC. Tensão Tipo de Transformador de Potencial 600 V até 69 kv Predominantemente são utilizados os TPI 69 kv até 138 kv TPI ou TPC* Acima de 138 kv São utilizados os TPC *É necessário o uso do TPC nos sistemas que utilizam PLC. Tabela 7.1: Tipo de transformador de potencial [2].

51 8 TRANSFORMADOR DE POTENCIAL CAPACITIVO (TPC) O transformador de potencial capacitivo é um equipamento cuja finalidade é reproduzir em seu circuito secundário um sinal de tensão proporcional à tensão do circuito primário, normalizado e adequado ao uso de instrumentos de medição, controle ou proteção. É ainda adequado ao sistema de telecomunicação via circuito de alta tensão. Para tensões acima de 138 kv os transformadores de potencial capacitivo são mais utilizados, como foi dito. Estes são constituídos basicamente de dois capacitores (C1 e C2) os quais desempenham a função de divisor de tensão e acoplador da comunicação via carrier ao sistema de potência. A captação da informação do secundário para os equipamentos de controle, proteção e medição é realizada por um transformador indutivo de tensão primária de classe 15 kv. Este executa a função de dois equipamentos, um TPI e um capacitor de acoplamento (que atua como um divisor capacitivo de tensão) economizando estruturas e, com isso, espaço. Figura 8.1: Exemplificação de um TPC - capacitor de acoplamento + TPI [6] 8.1.VANTAGENS E DESVANTAGENS DO USO DO TPC Se utilizados para medição ou proteção são mais econômicos que os TPI para a classe de tensão igual ou superior a 230 kv. Possuem o sistema de acoplamento para equipamentos de comunicação, porém uma resposta secundária mais lenta comparada aos TPI.

52 Podemos observar nas figuras 8.2 a 8.3 os elementos principais de um TPC. Figura 8.2: Circuito com os componentes de um TPC [7] Figura 8.3: Componentes do TPC [7].

53 Esquema elétrico: Figura 8.4: Esquema elétrico do TPC [6]. 8.2 CIRCUITO EQUIVALENTE Em condições normais, quando um TPC está conectado ao sistema de potência, pode-se representar o conjunto sistema / TPC, em regime permanente, pelo circuito equivalente da figura 9.5.

54 Figura 8.5: Circuito equivalente de um TPC [4]. Onde: Rp, Xp Resistência e reatância de dispersão do enrolamento primário Rs, Xs Resistência e reatância de dispersão do enrolamento secundário Xm Reatância de magnetização do núcleo Rfe Resistência representativa das perdas no ferro Zb Carga secundária Es Gerador equivalente do sistema a relação de transformação (N1/N2) Is Corrente secundária Xc1, Xc2 Reatâncias capacitivas de C1 e C2 XL Reator de compensação

55 9 TRANSFORMADOR DE POTENCIAL INDUTIVO O TPI - Transformador de Potencial Indutivo, é constituído apenas de uma ou mais unidades eletromagnéticas, cuja relação de transformação é definida primordialmente pela relação de espiras de seus enrolamentos (N1/N2). Os transformadores de potencial indutivo são usados para transformar altas tensões (kv) em baixos valores mensuráveis (Volts). Esses podem ter vários enrolamentos de proteção e medição, podendo ser projetado para fornecer qualquer tensão desejada de saída a partir do enrolamento secundário. 9.1 CIRCUITO EQUIVALENTE DE UM TPI Um TPI pode ser considerado como sendo um transformador de força conectado com uma pequena carga (Zb). Nesse tipo de equipamento, na medida em que a tensão nominal vai aumentando, o número de espiras necessário para se estabelecer a densidade de campo magnético desejada também aumenta. Por outro lado, a corrente primária nominal diminui. Isto significa construir, para níveis de tensões elevadas, transformadores de potencial com enrolamento primário dotado de um número muito grande de espiras de um fio muito fino, capaz de suportar uma corrente primária nominal cada vez menor. Do ponto de vista construtivo isto significa maiores custos pela dificuldade de execução da tarefa, sem esquecer a natural necessidade de um maior nível de isolamento. Em decorrência desse elevado número de espiras do enrolamento primário, os valores da impedância de dispersão são bem altos. E os erros de medição introduzidos pelo TPI são produzidos pela corrente responsável pela magnetização do núcleo e pela dispersão primária e secundária.

56 Zb Figura 9.1: Circuito equivalente de um TPI a frequência industrial (58 a 62 Hz) [4]. Onde: Rp, Xp - Resistência e reatância de dispersão do enrolamento primário Rs, Xs - Resistência e reatância de dispersão do enrolamento secundário Rfe - Resistência representativa das perdas no ferro Zb - Carga secundária Es - Gerador equivalente do sistema Lm - Indutância de magnetização do núcleo

57 9.2.DESEMPENHO TRANSITÓRIO O desempenho transitório do TPI na ocorrência de um curto circuito próximo ao equipamento deve ser levado em consideração, pois leva a erros consideráveis nas medições de tensão. Figura 9.2: Exemplo de um Sistema [4]. Temos que o fluxo máximo no secundário do TPI durante o curto circuito é: E Z / bmax max L a Z Onde Emáx. - Valor de pico da tensão do sistema equivalente a = N1/N2 (relação de transformação nominal) Z L R L 2 f jx L - Impedância da linha de transmissão (ZL), vale Comparando-se o valor de ψbmáx com a amplitude do fluxo em regime permanente antes do defeito (ψrp), onde ψrp = E máx. / a x, verifica-se que ψbmáx é menor que ψrp. Concluindo, pode-se afirmar que para TPI a saturação do núcleo durante a ocorrência de curto-circuitos não é motivo para maiores preocupações. Entretanto, como citado para curtocircuitos próximos aos terminais da barra onde está conectado o TPI, o valor de ψbmáx será tão

58 pequeno que poderá induzir a erros consideráveis nas medições de tensão. Este fato se explica pela avaliação da curva B x H (figura 9.3) do material ferromagnético do TPI. Figura 9.3: Característica típica B x H de um material ferromagnético [4]. A região corrida pela reta de inclinação 1 apresenta uma permeabilidade relativa (µr) próxima a unidade, caracterizando, assim, a saturação do material. Pela inclinação 2, temos µr elevado, caracterizando uma região de alta indutância de magnetização e consequentemente um baixo erro de medição. Para a região caracterizada pela inclinação 3, µr assume valor baixo, o que significa que a indutância de magnetização decresce consideravelmente, o que caracteriza uma passagem fácil para a corrente de magnetização e, portanto o aumento do erro na medição. 9.3 CONSTITUIÇÃO DOS TPI - ABNT NBR 6855 De acordo com a ligação para a qual são projetados, os TPI se classificam em três grupos: Grupo 1: São os TPI projetados para ligação entre fases. Eles são basicamente utilizados nos sistemas de até 34,5 kv. Os transformadores enquadrados neste grupo devem suportar continuamente 10% de sobrecarga.

59 Grupo 2: São os TPI projetados para ligação entre fase e neutro de sistema diretamente aterrados: RZ / Xp 1, onde Rz é a resistência de sequência zero do sistema e Xp é a reatância de sequência positiva do sistema. Grupo 3: São os TPI projetados para ligação entre fase e neutro de sistemas onde não se garante a eficácia do aterramento. Figura 9.4: Exemplificação dos três grupos de TPI pela ABNT [6]. 9.4. FERRO-RESSONÂNCIA Ferro-ressonância é um fenômeno não linear complexo, ocasionado por um circuito capacitivo ressonante, com indutores não lineares presentes em transformadores e que provoca sobretensões cuja forma de onda é irregular e possui elevado conteúdo harmônico. Estas tensões elevadas provocam danos à isolação podendo ocasionar a queima e explosão desses equipamentos. A ressonância série ou paralela conhecida ocorre para um valor especifico de capacitância, já a ferro-ressonância pode ocorrer para uma ampla faixa. A frequência das formas de onda de tensão e corrente na ferro-ressonância podem ser diferentes da frequência da fonte de alimentação.

60 Várias condições podem deflagrar a ferro-ressonância, pois, muitas situações que são normais na condição linear, são perigosas na condição não linear. Algumas condições são necessárias para a ocorrência de ferro-ressonância, mas podem não ser suficientes, como a presença simultânea de capacitância e indutâncias não lineares, e a existência de pelo menos um ponto em que o potencial de terra não fica fixado (neutro não aterrado, chaveamento monofásico, abertura de fusível etc.). Para mitigar esse efeito deve-se criar um ponto de aterramento no trecho do sistema que está sujeito a esse fenômeno. Porém, quando isso não é possível, a solução para atenuar esse fenômeno em transformadores de potencial é instalar circuitos supressores de ferro ressonância no TP. 9.5 CARACTERÍSTICAS PARA ESPECIFICAÇÃO DE UM TRANSFORMADOR DE POTENCIAL Para especificação de um TP são necessárias as seguintes informações: Normas Aplicadas Tensão Máxima do Sistema Níveis de Isolamento Tensão Suportável à Frequência Industrial Tensão Suportável de Impulso Atmosférico Tensão Suportável de Impulso de Manobra (quando aplicável) Tensão Primária Nominal Fator de Sobretensão Tensão Secundária Nominal Frequência nominal (TPC) Classe de exatidão Carga de exatidão Potencia térmica Capacitância nominal Uso - interno ou externo

61 9.6 CARACTERÍSTICAS NOMINAIS 9.6.1 Tensão Primária Nominal e Relação Nominal ABNT A norma ABNT dispõe de valores tabelados de tensão primária e relação de tensão, conforme os grupos de ligação. As tensões primárias e as relações nominais são especificadas de acordo com a tabela 9.1 e devem ser representadas em ordem crescente utilizando os sinais de acordo com a tabela 10.1. Grupo 1 Ligação Fase para Fase Tensão Primária Nominal (V) Relação Nominal 115 1:1 230 2:1 402,5 3,5:1 460 4:1 Grupos 2 e 3 - Ligação de Fase para Neutro Tensão Primária Nominal (V) Relação nominal Aprox. 115/3 115/ 3 Aprox. 115 2300 20:1 2300/ 3 36:1 20:1 12:1 3450 30:1 3450/ 3 52,5:1 30:1 17,5:1 4025 35:1 4025/ 3 60:1 35:1 20:1 4600 40:1 4600 / 3 72:1 40:1 24:1 6900 60:1 6900/ 3 105:1 60:1 35:1 8050 70:1 8050/ 3 120:1 70:1 40:1 11500 100:1 11500/ 3 180:1 100:1 60:1 13800 120:1 13800/ 3 210:1 120:1 70:1 23000 200:1 23000/ 3 360:1 200:1 120:1 34500 300:1 34500/ 3 525:1 300:1 175:1 46000 400:1 46000/ 3 720:1 400:1 240:1 69000 600:1 69000/ 3 1050:1 600:1 350:1 138000/ 3 2100:1 1200:1 700:1 230000/ 3 3600:1 2000:1 1200:1 Tabela 9.1: Tensões primárias nominais e relações nominais (ABNT) [13]. Nota: As relações nominais de TPI com tensões primárias nominais superiores a 69 kv para o grupo 1, e a 230 kv para os grupos 2 e 3, devem ser especificados pelo comprador.

62 9.6.2 Tensão Primária Nominal e Relação Nominal ANSI De acordo com a norma ANSI os TP são classificados em diferentes grupos conforme as características descritas. Grupo 1 - Características a) transformadores de potencial para uso com 100% da tensão primária nominal aplicada ao enrolamento primário, quando conectados entre fase-fase ou fase-terra. b) Os transformadores deste grupo devem ser capazes de operar com 125% da tensão nominal, em regime de emergência, tomando-se o cuidado de evitar que a carga a ele imposta em volt-amperes, na tensão nominal, ultrapasse 64% da carga térmica nominal, sem exceder a uma elevação de temperatura de 75ºC. Isso resulta em uma diminuição da expectativa de vida útil de 0.2% por dia. c) Os transformadores de potencial do grupo 1, também devem ser capazes de operar continuamente com 110% da tensão primária nominal desde que a carga em volt-amperes nesta tensão não ultrapasse a carga térmica nominal. d) Os transformadores conectados entre fase e terra em um sistema não aterrado não devem ser considerados como um transformador de aterramento e consequentemente não devem operar com os secundários ligados em delta ( ), pois em caso de curto-circuito correntes elevadas podem circular. e) A tensão de ligação em Y pode ser igual a 3 vezes a tensão para o equipamento ligado em como mostra a figura 9.5. Para atender ao requisito acima, os transformadores de potencial do grupo 1 devem ter isolamento pleno. Sistema nominal trifásico Figura 9.5: Sistema a 2,4 kv neutro não aterrado [4]. Os transformadores da figura 9.5 podem ser conectados na tensão de linha de 2,4 kv.

63 Figura 9.6: Sistema a 4,16 kv neutro aterrado ou a 4 fios [4]. Tensão Primária (fase-fase) Relação de Transformação Nível Básico de Isolamento (kv crista) 120 / 208 Y 1:1 10 240 / 416 Y 2:1 10 300 / 520 Y 2,5:1 10 480 / 832 Y 4:1 30 600 / 1040 Y 5:1 30 2400 / 4160 Y 20:1 60 4200 / 7280 Y 35:1 75 4800 / 8320 Y 40:1 75 7200 / 12470 Y 60:1 110 ou 95 8400 / 14560 Y 70:1 110 ou 95 Tabela 9.2: Tabela de tensões nominais do grupo 1 [ANSI] [14]. Nota: Os transformadores de potencial conectados em fase terra não aterrados não podem ser considerados como transformadores aterrados e também não podem ser operados com os secundários em delta ( ) devido à excessiva corrente que circula no delta. Grupo 2 - Características a) Transformadores de potencial projetados para serviço entre fase-fase. Podem ser usados entre fase-terra ou fase-neutro desde que seja aplicada ao enrolamento primário a tensão nominal dividida por 3. Para atender as características o transformador deve ter isolamento pleno. b) Os transformadores de potencial do grupo 2 devem ser capazes de operar continuamente com 110% da tensão primária nominal desde que a carga em volt-amperes nesta tensão não ultrapasse a carga térmica nominal.

64 As figuras 9.7 e 9.8 mostram a ligação do transformador de potencial entre fase-fase e fase-terra, respectivamente. Figura 9.7: Sistema a 2,4 kv neutro aterrado ou não aterrado [4]. Os transformadores da figura 9. 7 podem ser conectados na tensão de linha de 2,4 kv, mas até o limite do isolamento. Figura 9.8: Sistema a 2,4 kv neutro aterrado ou não aterrado [4]. Tensão Primária Relação de NBI - Nível Básico de (fase-fase) Transformação Isolamento (kv crista) 120/120Y 1:1 10 240/240Y 2:1 10 300/300 Y 2,5:1 10 480/480 Y 4:1 10 600/600 Y 5:1 10 2400/2400 Y 20:1 45 4800/4800 Y 40:1 60 7200/7200 Y 60:1 75 12000/12000 Y 100:1 100 ou 95 14400/14400 Y 120:1 100 ou 95 24000/24000 Y 200:1 150 ou 125 34500/34500 Y 300:1 200 ou 150 46000/46000Y 400:1 250 69000/69000Y 600:1 350 Tabela 9.3: Tabela de tensões nominais do grupo 2 (ANSI) [14].

65 Nota: Os transformadores de potencial conectados em fase terra não aterrados não podem ser considerados como transformadores aterrados e também não podem ser operados com os secundários em delta ( ) devido à excessiva corrente que circula no delta. Grupo 3 - Características a) Os transformadores de potencial deste grupo são projetados para serem usados somente entre fase-terra e tendo sempre dois enrolamentos secundários. Eles podem ser usados em sistemas com o neutro aterrado ou isolado, como pode ser visto na figura 9.8. b) Os TP deste grupo para tensão primária de 9,2 kv e uso em sistemas de 161 kv Y aterrado (por exemplo), devem ser capazes de suportar uma tensão igual a 3 vezes a tensão nominal durante 1 minuto, sem exceder uma elevação de temperatura de 175 ºC. c) Os TP com tensão nominal de 138 kv, para uso em sistema de 230 kv Y aterrado e acima, devem ser capazes de operar a 140% da tensão nominal com a mesma limitação de tempo e temperatura. d) Os transformadores de potencial do grupo 3 devem ser capazes de operar continuamente com 110% da tensão primária nominal, desde que a carga em volt-amperes, nesta tensão, não ultrapasse a carga térmica nominal. e) Os transformadores conectados entre fase-terra em um sistema não aterrado não devem ser considerados como um transformador de aterramento e consequentemente não devem operar com os secundários ligados em delta ( ), pois em caso de curto-circuito correntes elevadas podem circular. Figura 9.9: Ligação do transformador de potencial entre fase-terra [4]. Sistema de 69 kv com neutro aterrado ou isolado. O terminal primário de cada transformador não é totalmente isolado e conectado à terra.

66 Tensão Primária Nominal / Tensão Primária Nominal (fase-fase) Relação de Transformação Nível Básico de Isolamento (kv crista) 14400 / 25000 Gnd Y 120/200 e 120/200:1 150 ou 125 20125 / 34500 Gnd Y 175/300 e 175/300:1 200 27600 / 46000 Gnd Y 240/400 e 240/400:1 250 40250 / 69000 Gnd Y 350/600 e 350/600:1 350 69000 / 115000 Gnd Y 600/1000 e 600/1000:1 550 ou 450 80500 / 138000 Gnd Y 700/1200 e 700/1200:1 650 ou 550 92000 / 161000 Gnd Y 800/1400 e 800/1400:1 750 ou 650 138000 /230000 Gnd Y 1200/2000 e1200/2000:1 1050 ou 900 207000 /362000 Gnd Y* 1800/3000 e1800/3000:1 1300 ou1175 287500 /550000 Gnd Y* 1800/3000 e1800/3000:1 1800 ou1675 341250 /800000 Gnd Y* 3750/ 6250 e 3750/6250:1 2050 Tabela 9.4: Tensões nominais do grupo 3 (ANSI) [14]. As tensões de 362 kv, 550 kv e 800 kv são as máximas tensões primárias nominais destinadas ao uso em sistemas de extra-alta tensão, pela ANSI C92. Notas: (1) A dupla tensão nominal é usualmente conseguida pelo tap no secundário, no caso de terminais monopolares do terminal do enrolamento terá um terminal comum. (2) Os transformadores de potencial conectados em fase terra não aterrados não podem ser considerados como transformadores aterrados e também não podem ser operados com os secundários em delta ( ) devido à excessiva corrente que circula no delta. Grupo 4 - Características a) Os transformadores de potencial do grupo 4 são projetados para serem usados somente fase-terra, podendo ter terminal de neutro isolado ou aterrado. b) São projetados somente para uso interno. c) Devem ser capazes de operar com 110 % da tensão nominal primária nominal, desde que a carga em volt-amperes nesta tensão não ultrapasse a carga térmica nominal. d) Devem também ser capaz de operar com 125 % da tensão primária, em regime de emergência, desde que a carga em volt-amperes na tensão nominal não ultrapasse 64 % da carga nominal, sem exceder a elevação de temperatura de 75 ºC. Isso resultará em uma diminuição da expectativa de vida do transformador de potencial em 0,2 % por dia. e) Os TP conectados entre fase-terra em um sistema não aterrado não devem ser considerados como um transformador de aterramento e, consequentemente, não podem operar

67 com os secundários em delta ( ), pois em caso de curto-circuito correntes elevadas podem circular nesses enrolamentos. As figuras 9.10 e 9.11 mostram ligações típicas do grupo 4A e grupo 4B, respectivamente. Figura 9.10: Sistema fase-neutro 4,16 kv, aterrado ou a 4 fios [4]. Figura 9.11: Sistema neutro aterrado ou isolado. Fase e neutro conectados na mesma tensão (2,4 kv) [4]. Tensão Primária Nominal / Tensão Primária Nominal (Fase-Fase) Relação de Transformação Nível Básico de Isolamento (kv crista) Grupo 4A Operação próximo a 100% da tensão nominal 2400 / 4160 Gnd Y 20:1 60 4200 / 7200 Gnd Y 35:1 75 4800 / 8320 Gnd Y 40:1 75 7200 / 12470 Gnd Y 60:1 110 ou 95 8400 / 14560 Gnd Y 70:1 110 ou 95

68 Tensão Primária Nominal / Tensão Primária Nominal (Fase-Fase) Relação de Transformação Nível Básico de Isolamento (kv crista) Grupo 4B Operação próximo a 58% da tensão nominal 4200 / 4160 Gnd Y 35:1 60 4800 / 8320 Gnd Y 40:1 60 7200 / 7200 Gnd Y 60:1 75 12000 / 12000 Gnd Y 100:1 110 ou 95 14400 / 14400 Gnd Y 120:1 110 ou 95 Tabela 9.5: Tensões nominais do grupo 4 (ANSI) [14]. Os transformadores de potencial conectados em fase terra não aterrados não podem ser considerados como transformadores aterrados e também não podem ser operados com os secundários em devido à excessiva corrente que circula no delta. Grupo 5 - Características a) Os transformadores de potencial do grupo 5 são projetados para serem usados somente entre fase-terra. Podem ter terminal fase-terra. Podem ter terminal para neutro isolado ou neutro aterrado. b) São projetados para uso externo. c) Devem ser capazes de operar continuamente com 110 % da tensão primária nominal, desde que a carga em volt-amperes nesta tensão não ultrapasse a carga térmica nominal. d) Os transformadores de potencial devem ser capazes de operar em uma tensão igual a 140% da tensão nominal por 1 minuto sem exceder 175 ºC de elevação de temperatura. A figura 9.12 representa a ligação típica do grupo 5. Figura 9.12: Sistema de 69 kv com neutro aterrado ou isolado, onde o terminal primário de cada transformador não é totalmente isolado e conectado a terra [4].

69 Tensão Primária Nominal / Tensão Primária Nominal (fase-fase) Relação de Transformação Nível Básico de Isolamento 7200 / 12470 Gnd Y 60:1 110 8400 / 14560 Gnd Y 70:1 110 12000 / 20800 Gnd Y 100:1 150 ou 125 14400 / 25000 Gnd Y 120:1 150 ou 125 20125 / 34500 Gnd Y 175:1 200 ou 150 Tabela 9.6: Tensões nominais do grupo 5 (ANSI) [14]. 9.6.3 Níveis de Isolamento Os níveis de isolamento estão especificados nas tabelas 9.7 e 9.8. Tensão máxima do Equipamento Vmáx 242 (kv) Tensão suportável nominal à frequência industrial durante 1 min (kv) 0,6 4 Tensão Suportável Nominal de Impulso Atmosférico (kv crista) 1,2 10 30 7,2 20 15 34 24,2 50 36,2 70 40 60 95 110 125 150 150 170 200 72,5 140 350 92,4 185 450 145 242 230 275 360 395 550 650 850 950 Tabela 9.7: Níveis de isolamento para Vmáx 242 kv (ABNT) [13]. Nota: Nos casos particulares de utilização de Vmáx = 25,8 kv e de 38 kv, devem ser adotados os mesmos níveis de isolamento normalizados para as tensões Vmáx = 24,2 kv e Vmáx = 36,2 kv, respectivamente.

70 Tensão Máxima do Equipamento Vmáx 362 (kv) Tensão Suportável Nominal a Frequência Industrial Durante 1 min (kv) 362 450 Tensão Suportável Nominal de Impulso de Manobra (kv crista) 850 950 Tensão Suportável Nominal de Impulso Atmosférico (kv crista) 950 1050 1175 460 620 1050 1425 550 650 1050 1175 1425 1550 740 1300 1675 870 1425 1950 800 960 1550 2100 Tabela 9.8: Níveis de Isolamento para Vmáx 362 kv (ABNT) [13]. 9.6.4 Frequência Nominal As frequências nominais em que um transformador de potência deve operar são: 50 Hz 60 Hz (ABNT) 50 / 60 Hz No caso de dupla frequência os transformadores de potencial devem satisfazer às condições de temperatura, para estas duas frequências, quando a potência nominal e a carga nominal máxima forem as mesmas nas duas frequências. 9.6.5 Cargas Nominais Carga, ou carga secundária nominal de um instrumento, são as impedâncias ligadas aos seus terminais, cujo valor corresponde à potência para exatidão garantida. Consideramos como carga todos os instrumentos ligados aos terminais do transformador de potencial, bem como, os cabos que interligam o TP e os instrumentos, em caso de grandes distâncias. De Acordo com a Norma ANSI Para fins de dimensionamento, as cargas devem ser expressas em volt-amperes e fator de potência conforme a tabela 9.9. As cargas nominais são baseadas em duas tensões secundárias: 120 e 69,3 V.

71 Assim, para transformadores de potencial tendo relações que resultem em tensões secundárias de 115 e 66,4 V, a carga em volt-amperes na tensão nominal será reduzida a 91,8% dos valores da tabela 10.9, pois: ( 115 120 )2 = 0,918 ou ( 66,4 69.3 )2 = 0,918 Características das Cargas Tabeladas Características na Base de 120V Características na Base de 69.3V Designação VA FP Resist. Resist. L (H) Z (Ω) (Ω) (Ω) L (H) Z (Ω) W 12.5 0.10 115.2 3.04 1152 38.4 1.01 384 X 25 0.70 403.2 1.09 576 134.4 0.364 192 Y 75 0.85 163.2 0.268 192 54.4 0.0894 64 Z 200 0.85 61.2 0.101 72 20.4 0.0335 24 Z 400 0.85 30.6 0.0503 36 10.2 0.0168 12 M 35 0.20 82.3 1.07 411 27.4 0.356 137 Tabela 9.9: Carga nominal (ANSI) [14]. Nota: Precisão normalizada para transformadores de potencial estabelece limites de 90% a 110 % da tensão nominal, que frequentemente corresponde a 120 ou 115 volts secundários. Quando um transformador de potencial é operado a 58% da tensão nominal, a precisão será diferente que a 100 %. As cargas normalizadas nesta tabela têm impedâncias diferentes a 120 e 69,3 V de tensão secundária, logo para valores de tensão diferentes desses não se terá precisão. De Acordo com a ABNT As cargas nominais estabelecidas pela ABNT são as mesmas da norma ANSI. As designações, entretanto, são formadas pela letra P, seguida da potência em VA correspondente às tensões de 120 a 69,3V. Na tabela 9.10 temos a classificação segundo a norma ABNT. Designação Potência Aparente (VA) Características a 60 Hz e 120 V Fator de potência Resistência (Ω) Reatância Indutiva (Ω) Impedância (Ω) P 12,5 12,5 0,10 115,2 1146,2 1152 P 25 25 0,70 403,2 411,3 576 P 35 3,5 0,20 82,5 402,7 411 P 75 75 0,85 163,2 101,1 192 P 200 200 0,85 61,2 37,9 72 P 400 400 0,85 30,6 19,0 36 Características a 60 Hz e 69,3 V

72 Designação Potência aparente (VA) Fator de potência Resistência (Ω) Reatância Indutiva (Ω) Impedância (Ω) P 12,5 12,5 0,10 38,4 382,0 384 P 25 25 0,70 134,4 137,1 192 P 35 3,5 0,20 27,4 134,4 137 P 75 75 0,85 54,4 33,7 64 P 200 200 0,85 20,4 12,6 24 P 400 400 0,85 10,2 6,3 12 Tabela 9.10: Cargas nominais (ABNT) [13]. Nota: As características a 60 Hz e 120 V são válidas para tensões secundárias entre 100 e 130 V; e as características a 60 Hz e 69,3 V, são válidas para tensões secundárias entre 58 e 75 V. Em tais condições, as potências aparentes são diferentes das especificadas. 9.6.6 Classe de Exatidão Nominal Pela norma ABNT Os transformadores de potencial indutivos devem ser enquadrados em uma das seguintes classes de exatidão: 0,3 0,6 1,2. Considera-se que um TPI está dentro de sua classe de exatidão, nas condições especificadas em 9.7.1 quando nestas condições, os pontos determinados pelos fatores de correção de relação (FCR) e pelo ângulo de fase (γ) estiverem dentro do paralelogramo de exatidão, especificado na figura 9.12, correspondente à(s) sua(s) classe(s) de exatidão. A classe de exatidão 3 deve ser considerada sem limitação de ângulo de fase. Logo não pode ser utilizada para serviço de medição de potência de energia. Neste caso, considera-se a classe de exatidão atendida quando o fator de correção da relação (FCR) estiver entre os limites 1,03 e 0,97. Para os enrolamentos de tensão residual, destinados a ligação em delta aberto, é suficiente a classe de exatidão 3, tendo em vista tratar-se de enrolamento destinado apenas à proteção. Neste caso, a carga deste secundário não deve ser considerada no cálculo da carga simultânea.

73 Figura 9.12: Limites das classes de exatidão 0,3-0,6-1,2 em TPI [4]. Pela norma ANSI Para os TPI a serviço de medição mantendo as classes de exatidão da tabela 9.11 e carga de 0 a 100% da nominal. São as seguintes classes de precisão: 0,3 0,6 1,2. Classe Relação de tensão (%) Ângulo de fase (minutos) 0,3 ± 0,3 ± 16 0,6 ± 0,6 ± 32 1,2 ± 1,2 ± 63 Tabela 9.11: Classes de exatidão (ANSI) [14].

74 Pela norma IEC Para os TP a serviço de medição mantendo a classe de exatidão da tabela 10.12, com carga entre 20 % e 100 % da nominal e fator de potência (fp) igual a 0,8 atrasado. Relação de Tensão Ângulo de Fase Classe (%) (minutos) 0,1 ± 0,1 ± 5 0,2 ± 0,2 ± 10 0,5 ± 0,5 ± 20 1,0 ± 1,0 ± 40 3,0 ± 3,0 Não especificado Tabela 9.12: Classes de exatidão TP de medição (IEC) [4]. Quanto à especificação do TP, pode-se dizer que a classe 0,1 é utilizada para TP de laboratório, a classe 0,2 para medição de precisão, a classe 0,5 para medição comercial, a classe 1,0 para medição industrial e a classe 3,0 em instrumentação. Para os TP a serviço de proteção, os desvios da tensão nominal para os enrolamentos secundários mantendo a classe de exatidão da tabela 9.13, com carga entre 20% e 100% da nominal e fator de potência (fp) igual a 0,8 atrasado. Classe Relação de Tensão (%) Ângulo de Fase (minutos) 3 P ± 3,0 ± 120 6 P ± 6,0 ± 240 Tabela 9.13: Classes de exatidão TP de proteção (IEC) [4]. 9.6.7 Fator de Sobretensão Fator aplicado à tensão primária nominal, para se obter a tensão primária na qual o TPI satisfaz, por tempo determinado, os requisitos térmicos especificados. Os valores do fator de sobretensão são mostrados na tabela 9.14. Grupo de Ligação Contínuo Fator de Sobretensão 30 segundos 1 1,15 1,15 2 1,15 1,5 3 * 1,9 1,9 Tabela 9.14: fator de sobretensão (ABNT) [13].

75 *Esse fator de sobretensão torna-se necessário, em virtude de que este nível de tensão pode ocorrer em um sistema trifásico não aterrado, durante faltas de fase para a terra. Por não ser possível definir a duração de tais falhas, esta condição deve ser considerada como regime contínuo. Embora esta especificação exija que os TPI pertencentes ao grupo de ligação 3 sejam capazes de suportar em regime contínuo tal condição, isso não significa que eles possam ser instalados em circuitos cuja tensão nominal exceda 115% da tensão primária nominal do TPI. 9.6.8 Potência Térmica Nominal Pterm Pela Norma ABNT A potência térmica nominal mínima, em VA, deve ser igual ao produto do quadrado do fator de sobretensão contínuo (Fstcont.) pela maior carga nominal especificada, ou carga simultânea, para TPI com dois ou mais secundários, nos quais a potência térmica é distribuída pelos secundários proporcionalmente à maior carga nominal de cada um deles. Transformadores de potencial dos grupos de ligação 1 e 2 a potência térmica não deve ser inferior a 1,32 vezes a carga mais alta em VA, referente a exatidão do TP. Transformadores de potencial do grupo de ligação 3 a potência térmica não deve ser inferior a 3,61 vezes a carga mais alta em VA, referente à exatidão do TP. Pela Norma ANSI A potência térmica nominal de um TP é especificada como a maior carga que o transformador pode suportar com a tensão nominal no secundário sem exceder a elevação de temperatura estabelecida pela tabela 9.15. ANSI Temperatura Ambiente (10 ºC) Temperatura Ambiente (40 ºC) Elevação de Temperatura Temperatura Média do Enrolamento - ºC (Método da Resist.) Ponto mais Quente do Enrolamento Temperatura Média do Enrolamento - ºC (Método da Resist.) Ponto mais Quente do Enrolamento 55ºC 55 65 30 40 80ºC - Seco 80 110 55 85 Tabela 9.15: Elevação de temperatura (ANSI) [14]. Obs.: A elevação de temperatura das outras partes metálicas não deve exceder a temperatura do ponto mais quente.

76 9.7.CONDIÇÕES DE FUNCIONAMENTO 9.7.1 Quanto à Exatidão Os transformadores de potencial com um único enrolamento devem estar dentro da sua classe de exatidão nas seguintes condições: a) Para tensões entre 90 % e 110 % da tensão nominal 60 HZ. b) Para todos os valores de cargas nominais, desde vazio até a carga nominal especificada. c) Para todos os valores de fatores de potência entre 0,6 e 1,0 indutivo de carga medida no primário do transformador de potencial, estes valores definem o traçado dos paralelogramos. Em TPI com dois ou mais enrolamentos secundários, cada enrolamento deve estar dentro de sua classe de exatidão, nas condições mencionadas nas condições a, b e c deste item, com o(s) outro(s) secundário(s) alimentando cargas padronizadas, desde que a soma das cargas não ultrapasse a carga simultânea especificada; mantendo a exatidão especificada para cada secundário. Num TPI com enrolamento provido de derivações, as classes de exatidão devem ser especificadas separadamente para cada derivação, caso sejam diferentes. Caso contrário, as derivações devem estar dentro da classe de exatidão do enrolamento total. 9.7.2. Quanto a Elevação de Temperatura A elevação de temperatura dos enrolamentos e outras partes do TPI não deve exceder os limites especificados na tabela 9.16, em quaisquer das seguintes condições. Energizado à tensão primária nominal, com carga igual a potência térmica nominal, distribuída pelos secundários proporcionalmente às maiores cargas nominais indicadas em cada um deles, em regime contínuo. Energizado a Fst30s vezes a tensão primária nominal por 30 segundos, depois de estabilizada a temperatura a Fstcont vezes a tensão primária nominal, alimentando a carga simultânea, distribuída pelos secundários, proporcionalmente às maiores cargas nominais indicadas para cada um deles.

77 Tipo de TPI Designação Antiga da Classe de Temperatura e Classe Térmica (D) Método da Variação de Resistência Dos Enrolamentos Método do Ponto Mais Quente Limites de Elevação de Temperatura (A) Do Líquido Isolante Em Contato com Partes Adjacentes à Isolação Partes Metálicas Outras Partes Com isolação líquida e com conservador ou gás inerte sobre líquido isolante Com isolação líquida e sem conservador ou gás inerte sobre líquido isolante A (105 ºC) 55 ºC 65 ºC 50 ºC (B) A (105 ºC) 55ºC 65 ºC 50 ºC (C) Não devem atingir a temperatura superior a máxima especificada para o ponto mais quente da isolação adjacente. Não devem atingir temperatura excessiva que possa prejudicara isolação Com isolação sólida A (105 ºC) E (120 ºC) B (130 ºC) F (155 ºC) H (180 ºC) 55 ºC 70 ºC 80 ºC 105 ºC 130 ºC Tabela 9.16: Limite de elevação de temperatura (ABNT) [13]. 65 ºC 80 ºC 90 ºC 115 ºC 140 ºC OBS.: (A) OS TPI de uma classe de temperatura especificada podem usar, na sua isolação, combinações de materiais das classes A e H (105 ºC a 180ºC, desde que tais combinações sejam usadas em locais do TPI não sujeitos a elevação de temperatura superiores às permitidas para material de classe mais baixa da combinação. (B) Medida próxima à base superior do tanque (C) Medida próxima à superfície. (D) Nova classificação térmica exemplificada na tabela 2.1. - - - - -

78 10 REPRESENTAÇÃO 10.1.TENSÃO NOMINAL E RELAÇÕES NOMINAIS As tensões primárias e as relações nominais devem ser representadas em ordem crescente utilizando os sinais conforme a tabela 10.1. Sinal Função : Representar relações nominais. - Separar tensões nominais e relações nominais de enrolamentos diferentes. X Separar tensões nominais e relações nominais obtidas por religação série ou paralelo. / Separar tensões nominais e relações nominais obtidas por derivação. Tabela10.1: Sinais para separação de tensões nominais e relações nominais (ABNT) [13]. Exemplos: 1. TPI com um enrolamento primário e um secundário: 120 : 1 13.8kV 115V 2. TPI com enrolamento primário e dois enrolamentos secundários com derivações: 70 / 120 : 1 : 1 1 ou 70 / 120 70 / 120 : 13.8kV 3 115V 115V 3 115V 115V 3 3. TPI com enrolamento primário e um enrolamento secundário, com derivação em um deles: 60 / 70 : 1 11.5kV 3 13.8k \ V 3 115V

79 4. TPI com um enrolamento primário para religação série ou paralelo e um enrolamento secundário: 60x120 : 1 5. TPI com enrolamento primário com derivação e dois enrolamentos secundários, sendo um com derivação: 6.9kVx 13.8kV 115V 60 / 70 60 / 70 / 100 / 120 : 1 11.5kV 13.8kV 115V 115V 115V 3 3 3 6. TPI com enrolamento primário para religação série ou paralelo e dois enrolamentos secundários, sendo um com derivação: 35x70 35 / 60x70 /120 : 1 6.9kV 13.8kV 115V x 115V 115V 3 3 3 7. TPI com enrolamento primário e dois enrolamentos secundários, sendo um de tensão residual: 120 210 : 1 13800 3 115 3 115 3

80 10.2 IDENTIFICAÇÃO DOS TERMINAIS Os terminais devem ser adequadamente identificados, para facilitar sua ligação correta, usando as marcas de polaridade e, além destas, uma letra e algarismos em cada um dos terminais. A identificação deve ser feira da seguinte forma: A letra distingue o enrolamento a que pertence o terminal: a. H Terminal de enrolamento primário. b. X Terminal de enrolamento secundário. Os algarismos são dispostos conforme a série natural dos números inteiros e usados como indicado a seguir: a. Quando antes da letra, o algarismo indica o número do enrolamento primário ou secundário, ou as diferentes fases nos conjuntos de medição. b. Quando depois da letra, o mais baixo e o mais alto algarismo da série indicam o enrolamento completo, e os intermediários sindicam as derivações em sua ordem relativa. Os terminais externos primários dos conjuntos de medição são numerados como segue: a. O número 0, para o terminal de neutro de entrada. b. Os números 1, 2 e 3 para os demais terminais de entrada. c. Os números 3, 4 e 5 para os terminais de saída. Os terminais secundários e os terminais internos dos conjuntos de medição são marcados de acordo com os tópicos 1 e 2 deste item. Quando um TPI for religável, devem constar da placa de identificação as indicações necessárias para a execução correta do religamento. Os exemplos típicos de marcação dos terminais são demostrados nas figuras 10.1 e 10.2 e na tabela 10.2.

81 Figura 10.1: Marcação de terminais de conjunto de medições com três transformadores de potencial e três de corrente [4]. Figura 10.2: Marcação de terminais de conjunto de medições com dois transformadores de potencial e dois de corrente [4].

82 Denominação Transformador de Potencial indutivo Esquema De relação única De relação dupla, com primário em duas seções, destinadas a ligação série paralelo De duas relações, com derivações no primário De duas relações, com derivações no secundário De dois enrolamentos secundários Tabela 10.2: Exemplos de marcação de terminais TPI (ABNT) [13].