Os sistemas de referências do Inmetro em alta tensão e alta corrente Procurou-se nesse trabalho apresentar as aracterísticas básicas e incertezas dos equipamentos de calibração em alta tensão e em alta corrente disponíveis no Inmetro: sistema de medição em alta tensão alternada até 200 kv, sistema de medição em alta corrente alternada até 5 ka e sistema de medição em alta tensão contínua até 150 kv [Patrícia Cals de O. Vitorio, Ademir Martins de França, Marco Aurélio Soares, Luiz Napoleão Pereira, Danielli Guimarães Costa1 e Paulo Roberto Mesquita Nascimento] Em 2010, após o Peer Review ocorrido no laboratório, a faixa de medição do sistema de alta corrente, 60 Hz, foi aumentada de 2 ka para 5 ka. Os principais serviços de calibração realizados pelo Latra são: Transformadores de corrente (TC) e fonte de corrente, na faixa de 50 ma a 5 ka, com incertezas de 0,0024 % ; 0,12 ; Amperímetros, na faixa de 1 A a 2 ka, com incertezas de 0,050 %; Bobinas de corrente ou laço de corrente, na faixa de 1A a 2 ka, com incertezas de 0,060 %. A Figura 1 apresenta o sistema de medição de alta corrente alternada, que é composto por uma fonte de alta corrente CA com valor nominal de 6 ka, um transformador de corrente padrão, e uma ponte medição, que indica o erro de relação (em FCR ou %) e o erro de ângulo (em crad ou min). Figura 1 Sistema de medição de alta corrente alternada Figura 2 Sala de controle do sistema de medição de alta tensão alternada Figura 3 Sistema de medição de alta tensão alternada hall O método utilizado na calibração é o comparativo e a freqüência é 60 Hz. As figuras 2 e 3 apresentam, respectivamente, a sala de controle e a área de medição do sistema de alta tensão alternada. O Sistema de Referência de Alta Tensão Alternada (SIRAT CA) é composto por uma fonte de alta tensão CA de 200 kv, um divisor 58 www.banasqualidade.com.br Junho 2012
eletrônico, um capacitor-padrão a gás SF6 de 200 kv e 100 pf, dois capacitores a ar de 10nF de 1kV e um capacitor a ar de 2nF de 1kV. Os principais serviços de calibração realizados por esse sistema são: Transformadores de potencial (TP), na faixa de 100 V a 200 kv, com incertezas de 0,0040 %; 0,35 ; Relação de transformação (TTR), na faixa de 120 V a 1 kv, com incertezas de 0,0020 %; Divisores resistivos e capacitivos, fonte de alta tensão, ponta de prova e quilovoltímetros, na faixa de100 V a 200 kv, com incertezas de 0,010 %. A calibração de divisores resistivos, capacitivos ou mistos de alta tensão CA requer a medição de tensões eficazes e de pico, bem como a análise de possíveis distorções por harmônicos. Há também necessidade de se garantir a simultaneidade das medições no equipamento em calibração e no de referência, de forma a compensar os efeitos de eventuais variações da fonte de tensão. Diante da indisponibilidade de instrumentos comerciais que atendam a todos esses requisitos, o Inmetro optou pelo desenvolvimento do software Osciloscópio Virtual com Dois Canais para Medições de Alta Exatidão [1], criado em linguagem C, utilizando o aplicativo LabWindows/CVI da National Instruments, de forma a permitir a medição sincronizada das tensões fornecidas pelo equipamento em calibração (cliente) e pelo padrão Inmetro. Os multímetros já disponíveis no laboratório, modelo 3458A da Hewlett-Packard ou Agilent Technologies, são usados pelo algoritmo na aquisição e amostragem do sinal, que em seguida é reconstituído e tem a forma de onda traçada na tela, conforme mostra a Figura 4. Assim, o programa funciona como um osciloscópio virtual, mas sem exibição em tempo real. Figura 4 - Tela principal do Osciloscópio Virtual de Dois Canais A tela principal do programa exibe os gráficos do sinal e valores medidos de tensões de pico e eficazes. Há botões e controles para seleção do modo de operação e entrada de parâmetros de acordo 60 www.banasqualidade.com.br Junho 2012
com o modo escolhido (exemplos: repetições, tempo de aquisição, harmônicos a analisar, abertura de amostragem, etc). O método utilizado na calibração é o comparativo e a freqüência é 60 Hz. A figura 5 apresenta o sistema medição que realiza a calibração de capacitância e de fator de dissipação de capacitores de alta tensão alternada, na faixa de 1 a 200 kv, de 10 a 100.000 pf, com incertezas de 0,018 % e tan δ +-0,000060. Sistemas de medição de Alta Corrente e Alta tensão Alternada, respectivamente. Figura 6 Diagrama de rastreabilidade dos Sistemas de Alta Corrente e Alta Tensão Alternada Figura 5 Sistema de medição de capacitância e fator de dissipação de capacitores de alta tensão alternada Este sistema é composto por uma ponte de medição de capacitância e fator de dissipação, conforme mostra a figura 5, além do capacitor- padrão a gás SF6 de 200 kv e 100 pf, dois capacitores a ar de 10nF de 1kV e um capacitor a ar de 2nF de 1kV, também utilizados no sistema de medição de alta tensão alternada. O método utilizado na calibração é o comparativo e a freqüência é 60 Hz. A figura 6 mostra o diagrama de rastreabilidade dos www.banasqualidade.com.br Junho 2012 61
O sistema de medição de alta corrente contínua é composto por uma fonte de alta corrente CC com valor nominal de 200 kv e um divisor resistivo de alta tensão, adquirido junto ao National Measurement Institute (NMI) Australian Government. A Figura 7 mostra o sistema de medição de alta tensão contínua e a figura 8 mostra a unidade de controle remoto do sistema. A demanda por ensaios e calibrações em divisores puramente resistivos e outros equipamentos de corrente contínua tem sido crescente ao longo dos últimos anos, tornando evidente a necessidade de um padrão nacional de alta tensão em corrente contínua. O Inmetro, para cobrir essa lacuna e atender às necessidades da Rede Brasileira de Calibração (RBC) e dos demais setores envolvidos no processo metrológico brasileiro, elaborou, através do Laboratório de Transformadores (Latra), a implantação do SIRAT CC (Sistema de Referência em Alta Tensão CC), que hoje já permite colocar à disposição dos laboratórios da RBC e demais interessados, serviços de calibração em alta tensão contínua, na faixa de 100 V a 150 kv e incerteza de 0,0050% a 0,01%. [2] e [3]. Figura 7 Fonte de alta tensão alternada e divisor padrão Um divisor resistivo de alta tensão, foi adquirido junto ao National Measurement Institute (NMI) Australian Government [4], conforme mostra a figura 9. Sua construção tem resistores estáveis de algumas partes por milhão com coeficiente da temperatura de 0,0010%/oC. O divisor é apropriado para implementação da rastreabilidade no Brasil e consequentemente para execução dos serviços em CC, que tem atualmente uma demanda crescente em nossos laboratórios. Figura 8 Multímetros e unidade de controle remoto Figura 9 Divisor resistivo de tensão 150 kv CC Sua construção é dividida em duas partes básicas: a) Módulo de alta tensão: coluna composta por 150 resistores fixos de 1,5 MΩ cada, montados dentro de tubos de teflon acomodados em um arranjo helicoidal. A resistência total é 225 MΩ, com uma tensão nominal de 150 kv Os tubos possuem a finalidade de isolar eletricamente os resistores e servir de suporte mecânico. b) Módulo de baixa tensão: consiste de 4 resistores e 2 spark gaps alojados dentro de uma caixa metálica e 3 conectores BNC ligados externamente. A caixa, feita de alumínio fundido, é fixada mecanicamente à superfície superior da base de apoio do divisor e conectada eletricamente a essa base. Os principais serviços de calibração realizados por esse sistema são divisores e fontes de alta tensão, pontas de prova e quilovoltímetros, na faixa de 100 V a 150 kv e incerteza de 0,0050% a 0,01%. A figura 10 exibe o diagrama de rastreabilidade do Sistema de medição de alta tensão contínua. Como conclusão, pode-se dizer que a padronização e a disseminação da grandeza tensão e corrente CA (para altos valores), realizada pelo Laboratório de Transformadores (Latra), atende a todos os parâmetros requeridos pelos melhores laboratórios de metrologia e com uma incerteza compatível com as necessidades nacionais. Além disso, atende à demanda dos laboratórios 62 www.banasqualidade.com.br Junho 2012
Figura 10 Diagrama de rastreabilidade do Sistema de Alta Tensão Contínua acreditados pela Rede Brasileira de Calibração (RBC) quanto à exatidão das faixas de medição e incertezas associadas aos processos de calibração. Com a implantação e implementação do Sistema de Referência em Alta Tensão CA e CC, o Inmetro cobre uma lacuna até então existente e assegura a rastreabilidade nacional no atendimento às necessidades da RBC e dos de- mais setores envolvidos no processo metrológico brasileiro com serviços de calibração na faixa de 100 V a 150 kv em CC e 100 V a 200 kv em CA. REFERÊNCIAS [1] P.C.O.Vitorio, A.M. França, M.A.Soares, L.N.Pereira, D.G.Costa, G.C. Moreira, P.R.M. Nascimento, Osciloscópio Virtual com Dois Canais para Medições de Alta Exatidão, 8º Semetro, João Pessoa PB, 2009 [2] P.R.M. Nascimento, A.M. França, L.N. Pereira, M.A. Soares, P.C.O.Vitorio, D.G. Costa, G.C. Moreira, Comissionamento do Sistema de Referência em Alta Tensão em Corrente Contínua Inmetro Relatório Técnico Dimci, RTD 2607/2008. [3] A.M. França, P.C.O. Vitorio, M.A. Soares, L.N. Pereira, D.G. Costa, G.C. Moreira, P.R.M. Nascimento, Implantação e Implementação do Sistema de Referência em Alta tensão em Corrente Contínua (SIRAT CC) na Faixa de 100 V a 150 kv, 8º Semetro, João Pessoa PB, 2009 [4] Australian Government National Measurement Institute, Operating Manual Precision DC High Voltage Divider Model CA150. Patrícia Cals de O. Vitorio, Ademir Martins de França, Marco Aurélio Soares, Luiz Napoleão Pereira, Danielli Guimarães Costa e Paulo Roberto Mesquita Nascimento são servidores do Inmetro latra@inmetro.gov.br www.banasqualidade.com.br Junho 2012 63