1 Transformadores de Corrente

1 Transformadores de Corrente 1.1 Conceito Os transformadores de corrente são equipamentos que permitem aos instrumentos de medição e proteção funcionarem adequadamente sem que seja necessário possuírem correntes nominais de acordo com a corrente de carga do circuito ao qual são ligados. Na sua forma mais simples, eles possuem um primário, geralmente poucas espiras, e um secundário, no qual a corrente nominal transformada é, na maioria dos casos, igual a 5 A. Dessa forma, os instrumentos de medição e proteção são dimensionados em tamanhos reduzidos com as bobinas de corrente constituídas com fios de pouca quantidade de cobre. Os transformadores de corrente são utilizados para suprir aparelhos que apresentam baixa resistência elétrica, tais como amperímetros, relés de indução, bobinas de corrente de relés diferenciais, medidores de energia, de potência etc. Os TCs transformam, através do fenômeno de conversão eletromagnética, correntes elevadas, que circulam no seu primário, em pequenas correntes secundárias, segundo uma relação de transformação. A corrente primária a ser medida, circulando nos enrolamentos primários, cria um fluxo magnético alternado que faz induzir as forças eletromotrizes Ep e Es, respectivamente, nos enrolamentos primário e secundário. Dessa forma, se nos terminais primários de um TC, cuja relação de transformação nominal é de 20, circular uma corrente de 100 A, obtém-se no secundário a corrente de 5A, ou seja: 100/20 = 5A. 1.2 Características: Os enrolamentos primários têm geralmente poucas espiras, às vezes, uma única. Os enrolamentos secundários, ao contrário, têm muitas espiras. A eles são ligados os circuitos de corrente de medidores e/ou relés. Segundo a ABNT, os valores nominais que caracterizam os TCs, são: 1.3- Corrente nominal e relação nominal; 1.4 - Classe de tensão de isolamento; 1.5 - Freqüência nominal; 1.6 - Carga nominal; 1.7 - Fator de sobrecorrente; 1.8 - Classe de exatidão; 1.9 - Fator térmico; 1.10 - Limites de corrente de curta-duração para efeitos térmicos e dinâmicos. 1.11 - Limite de corrente de curta-duração para efeito dinâmico. 1.12 - Fenômenos da saturação 1.3 Corrente e relação nominais, segundo a ABNT: Corrente nominal secundária: normalizada em 5 A, às vezes 1 A ; Correntes nominais primárias: 5, 10, 15, 20, 25, 30, 40, 50, 60, 75, 100, 125, 150, 200, 250, 300, 400, 500, 600, 800, 1200, 1500, 2000, 3000, 4000, 5000, 6000 e 8000 A; Relações nominais: é indicado, por exemplo, da seguinte forma: 120:1, se o TC é 600-5 A Se há vários enrolamentos primários (série, série-paralela e paralelo), indica-se assim: 150 x 300 x 600 /5 A. 1.4 Classe de tensão de isolamento: É definida pela tensão do circuito ao qual o TC vai ser ligado (em geral, a tensão máxima de serviço). Os TCs usados em circuitos de 13,8kV, por exemplo, têm classe 15 kv. 1

1.5 Freqüência nominal: 50 e/ou 60 Hz 1.6 Carga nominal: De acordo com a ABNT, as cargas padronizadas ensaio de classe de exatidão de TCs, são: C2, 5 ; C5,0 ; C7,5 ; C12,5 ; C25 ; C50 ; C75 ; C100 e C200. A letra C se refere a TC e o valor após, corresponde a potência aparente (VA) da carga do TC. Por exemplo, 5VA, 7,5VA, 12,5VA, etc. Todas as considerações sobre exatidão de TC estão condicionadas ao conhecimento da carga secundária do mesmo. 1.7 Fator de sobrecorrente nominal (FS): 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 normas internacionais, o valor máximo desse fator é igual a 20 vezes a corrente primária nominal. O FS é muito importante para dimensionar os TCs de proteção, tendo em vista que os mesmos devem responder, de acordo com sua classe de exatidão (±10%), a valores de corrente bastante severos nos seus primários (correntes de curtos- circuitos). 1.8 Classe de exatidão: A classe de exatidão empregada depende da aplicação (medição, controle e proteção): 1.8.1 TCs de medição Por norma (ABNT), têm as seguintes classes de exatidão: 0,3 0,6 e 1,2%%. A classe 0,3%% é obrigatória em medição de energia para faturamento. As outras são usadas nas medições de corrente, potência, ângulo, etc.. Em geral, a indicação da classe de exatidão precede o valor correspondente à carga nominal padronizada, por exemplo: 0,6-C2, 5. Isto é, índice de classe = 0,6%%, para uma carga padronizada de 2,5 VA. 1.8.2 TCs de proteção - É importante que os TCs retratem com fidelidade as correntes de defeito, sofrendo, o mínimo possível, os efeitos da saturação. Na Fig. 1, está representado o circuito equivalente de um TC, com todas as grandezas referidas ao secundário, onde: I1: Valor eficaz da corrente primária; N: N2/N1, relação de espiras secundárias para primárias ou RTC; I 1 =I1 /N: corrente primária referida ao secundário; Z2: Impedância do enrolamento secundário; Z1: Idem do enrolamento primário, referida ao secundário; Im: Corrente de magnetização ou excitação; Zm: Impedância de magnetização ou de excitação; E2: Tensão de excitação secundária; I2: Corrente secundária; VT: Tensão nos terminais do secundário (tensão na carga); ZC: Impedância da carga. Fig.1. 2

Do circuito equivalente, constata-se que parte da corrente primária é consumida na excitação do núcleo: I'1 = Im + I2. A f.e.m. secundária (E2) é função da corrente de excitação (Im), da impedância secundária (Z2) e da carga (Zc). Os erros dos TCs resultam da corrente de excitação. As curvas de excitação secundária E2 x Im (Fig. 3), são fundamentais para verificação da saturação de TC, elas permitem determinar a tensão secundária a partir da qual o TC começa a saturar: Ponto-de-Joelho (PJ). Fig.2. Curva de excitação (E2 x Im) do TC, na relação 100/5 A (curva superior): Curva de excitação (E2 x Im) do TC, na relação 50/5 A (curva inferior): 1.9 Fator térmico nominal (FT): É o valor numérico que se deve multiplicar a corrente primária nominal de um TC, para se obter a corrente primária máxima, que poderá suportar, em regime permanente, operando em condições normais, sem exceder os limites de temperatura especificados para a sua classe de isolamento. Segundo a ABNT, esses fatores são: 1,0, 1,3, 1,5 ou 2,0. 1.10 Limite de corrente de curta duração para efeito térmico: É o valor eficaz da corrente primária simétrica que o TC pode suportar por um tempo determinado (normalmente 1 s), com o enrolamento secundário curto-circuitado, sem exceder os limites de temperatura especificados para sua classe de isolamento. Em geral, é maior ou igual à corrente de interrupção máxima do disjuntor associado. 1.11 Limite de corrente de curta-duração para efeito dinâmico: É o maior valor eficaz de corrente primária s simétrica que o TC deve suportar durante determinado tempo (normalmente 0,1 s), com o enrolamento secundário curto-circuitado, sem se danificar mecanicamente, devido às forças eletromagnéticas resultantes. Segundo a norma VDE, vale 2,5 vezes o limite para efeito térmico, nas classes entre 10KV e 30 kv; e 3 vezes, nas classes entre 60kV e 220 kv. 1.12 Fenômenos da saturação: Quando um TC satura, surgem dois problemas: Erro elevado (superior a classe de exatidão); Distorção da forma de onda da corrente secundária; Saturação em TCs pode ser de dois tipos: 3

1.12.1 Saturação por corrente alternada. Acontece quando a componente fundamental da corrente primária é de magnitude superior ao fator de sobrecarga vezes a corrente primária nominal: I> FS x Ip, nom. 1.12.2 Saturação por corrente DC. Ocorre pela componente DC da corrente primária (componente exponencial), comumente presente nos primeiros ciclos das correntes de curtos-circuitos. Esta componente estabelece um fluxo de polarização no núcleo do TC, sobre o qual as variações de fluxo da componente simétrica se sobrepõem, resultando em um valor muito elevado que provocará a saturação do TC. 2 Transformadores de Potencial: 2.1 Conceito Os transformadores de potencial são equipamentos que permitem aos instrumentos de medição e proteção funcionarem adequadamente sem que seja necessário possuir tensão de isolamento de acordo com a da rede á qual estão ligados. Na sua forma mais simples, os transformadores de potencial possuem um enrolamento primário de muitas espiras e um enrolamento secundário através do qual a tensão desejada, normalmente padronizada em 115 v ou 115/ 3 V. Dessa forma os instrumentos de proteção e medição são dimensionados em tamanhos reduzidos com bobinas e demais componentes de baixa isolação. Os transformadores de potencial são equipamentos utilizados para suprir aparelhos que apresentam elevada impedância, tais como voltímetros, reles de tensão, bobinas de tensão de medidores de energia, etc. 2.2 Características Elétricas: Os transformadores de potencial são caracterizados por dois erros que cometem ao reproduzir no secundário a tensão a que estão submetidos no primário. Estes erros são: erro de relação de transformação e o erro do ângulo de fase. 2.3 Características Construtivas O enrolamento primário é constituído de uma bobina de varias camadas de fio, submetida a uma esmaltação em geral dupla, enrolada em um núcleo de ferro magnético sobre o qual também se envolve o enrolamento secundário. Já o enrolamento secundário é de fio de cobre duplamente esmaltado e isolado do núcleo e do enrolamento primário por meio de fitas de papel especial. Se o transformador é constituído em e pox o núcleo com as respectivas bobinas é encapsulado através de processos especiais de modo a evitar a formação de bolhas no seu interior, o que, para tensões elevadas, se constitui num fator de defeito grave. Nestas condições, esse transformador torna-se compacto, de peso relativamente pequeno, porem descartável ao ser danificado. Se o transformador for de construção em óleo o núcleo comas respectivas bobinas são secos sob vácuo e calor. O transformador, ao ser completamente montado é tratado a vácuo para em seguida ser preenchido com óleo isolante. 2.4 Erro de relação de transformação: Esse tipo de erro é registrado na medição de tensão com TP, onde a tensão primária não corresponde exatamente ao produto da tensão lida no secundário pela relação de transformação de potencial nominal. Este erro pode ser corrigido pelo fator de correção ( FCR ). O produto entre a relação de transformação de potencial nominal ( RTP ) e o fator de correção de relação resulta na relação de transformação de potencial real ( RTP ). 4

Logo o erro pode ser calculado pela equação: 2.4.1 Erro ângulo de fase; É o ângulo que mede a defasagem entre a tensão vetorial primária e a tensão secundaria de um transformador de potencial. 2.5 Classe de exatidão: A classe de exatidão exprime normalmente o erro do transformador de potencial, levando em conta o erro de relação de transformação e o erro de defazamento angular entre as tensões primaria e secundaria. Este erro é medido pelo fator de correção de transformação. Considera-se que um TP está dentro de sua classe de exatidão quando os pontos determinados pelos fatores de correção de relação ( FCR ) e pelos ângulos de fase estiverem dentro do paralelogramo de exatidão. Para determinar essa exatidão são realizados ensaios, cada ensaio corresponde à carga padronizada é efetuado para as seguintes condições: - ensaio sobre tensão nominal - ensaio a 90 % da tensão nominal - ensaio a 110% da tensão nominal. 5