Transformadores de Corrente

Transformadores Para
Instrumentos
Prof. Carlos Roberto da Silva Filho, M. Eng.
Sumário
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1. Tipos de Transformadores.
2. Transformadores de Corrente - TCs.
3. Transformadores de Potencial – TPs.
4. Ligação para Medição de Energia.
5. Considerações finais.
6. Exemplo de aplicação de medição de
energia.
Introdução
Introdução
Introdução
Tipos de Transformadores
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Transformador de alimentação;
Transformador de áudio;
Transformador de distribuição;
Transformador de potencial;
Transformador de corrente;
Transformador de rádio freqüência;
Transformadores de pulso;
Autotransformadores.
Transformador Industrial
Transformadores
Transformadores
Transformadores
Transformadores
Transformadores
Transformador Ideal
Transformadores
Histerese
Transformadores
Transformadores
Transformadores
Transformadores
Bobinas BT e AT
Transformadores
Transformador de Distribuição
Transformadores
Transformadores
Transformadores
Transformadores para Instrumentos
• São dispositivos utilizados de modo a tornar
compatível as faixas (escalas) de atuação
dos instrumentos de medição, controle e
fornecer a devida proteção dos mesmos.
• Função importante dos transformadores é a
isolação, permitindo a atuação com nível de
tensão diferente do circuito com o dispositivo.
Transformadores de Corrente
• Definição:
• São transformadores destinados a operar
com seus secundários sobre cargas com
impedância reduzidíssima, como bobinas de
amperímetros, bobinas de corrente de relés,
etc (SIMONE, 1998).
Transformadores de Corrente
Transformadores de Corrente
Transformadores de Corrente
• Aspectos Construtivos:
• Consiste em poucas espiras no primário e
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.
Transformadores de Corrente
• Aspectos Construtivos:
• O secundário contém várias espiras de fio
relativamente fino, adequado ao equipamento
de medição conectado a ele.
• A impedância interna do equipamento
conectado ao secundário do TC é pequena,
de modo a fazer com que o secundário esteja
praticamente em curto-circuito.
• Isto “significa” que um TC opera como se
fosse um transformador com o secundário
em curto-circuito.
Transformadores de Corrente
Transformadores de Corrente
• Aspectos Construtivos:
• As bobinas dos instrumentos são conectadas
em série e a impedância total deve ser a
menor possível (menor que 1 Ω).
• A tensão do secundário do TC é aplicada
sobre a pequena impedância do(s)
instrumento(s) de medida e dos condutores
que fazem conexão com ele é da ordem de
alguns Volts.
Transformadores de Corrente
• Aspectos Construtivos:
• Como um pequeno valor de tensão
corresponde a um pequeno valor de FEM
(E2), isto leva a um pequeno fluxo magnético
mútuo.
• Neste caso pode-se desprezar as perdas no
ferro, corrente de excitação e de
magnetização e a corrente do primário tende
a ser proporcional a corrente do secundário.
Transformadores de Corrente
Transformadores de Corrente
• Aspectos Construtivos:
• Como foi desprezadas as perdas, a
constante (k) de proporção entre a corrente
do primário em ralação a corrente do
secundário do TC é a própria relação de
transformação.
• Neste caso, temos:
Transformadores de Corrente
• Aspectos Construtivos:
• Portanto, a relação de transformação é
constante se for desprezada a corrente de
magnetização.
• Na prática, em função das propriedades dos
materiais magnéticos usados para a
construção dos TCs, ocorrem algumas
imprecisões (erros) de medição que devem
ser considerados.
Transformadores de Corrente
• Aspectos Construtivos:
• Estas peculiaridades dos TCs faz com que o
enrolamento primário tenha poucas espiras e
no caso de grandes correntes, o enrolamento
primário não passa de uma barra ou um
condutor cilíndrico que passa por uma janela
do núcleo de aço-silício.
• A tensão do primário de um TC é da ordem
de milivolts, enquanto o secundário é da
ordem de alguns Volts.
Transformadores de Corrente
Transformadores de Corrente
Transformadores de Corrente
Transformadores de Corrente
Transformadores de Corrente
Transformadores de Corrente
Transformadores de Corrente
Transformadores de Corrente
Transformadores de Corrente
TC – Correntes Nominais
• As correntes nominais primárias e as
relações devem ser compatíveis com a
corrente de carga do circuito primário.
• As correntes nominais primárias podem ser
de 5 A a 8000 A e a corrente secundária via
de regra é 5 A, podendo em alguns casos ser
de valor 1 A, 500mA, 300mA e 100 mA ou
menos, dependendo do emprego do TC.
TC – Correntes Nominais
• A NBR6856 adota as seguintes simbologias
para definir as relações de corrente.
• Dois pontos(:) é usado para exprimir relações
nominais. Ex.: 300:1;
• Hífen(-) é usado para separar correntes
nominais de enrolamentos diferentes. Ex.:
300-5A, 300-300-5 (dois enrolamentos
primários) e 300-5-5 (dois enrolamentos
secundários);
TC – Correntes Nominais
• O x é usado para separar correntes primárias
nominais, ou relações nominais duplas, como
300x600-5A, 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.: 300/400-5A, ou 300-5/5.
TC – Polaridade
• Os TCs destinados ao serviço de medição de
energia, relés de potência, fasímetros, etc.
são identificados nos terminais de ligação
primário e secundário por letras que indicam
a polaridade para a qual foram construídos e
que pode ser positiva ou negativa.
• São empregados as letras com seus índices,
P1, P2, e S1, S2.
TC – Polaridade
• Um TC tem polaridade subtrativa, quando a
onda de corrente, num determinado instante,
percorre o circuito primário de P1 para P2 e a
onda de corrente correspondente no
secundário assume a trajetória de S1 para
S2.
• Caso contrário, diz-se que o TC tem
polaridade aditiva.
TC – Polaridade
• A maioria dos TCs tem polaridade subtrativa,
sendo inclusive indicada pela NBR6856.
• Somente sob encomenda são fabricados
transformadores de corrente com polaridade
aditiva.
TC – Classe de Exatidão
• De acordo com os instrumentos a serem
ligados aos terminais secundários do TC,
devem ser as seguintes as classes de
exatidão deste equipamento:
• Para ajuste e calibração dos instrumentos de
medidas de laboratórios: 0,1%;
• Alimentação de medidores de demanda e
consumo ativo e reativo para fins de
faturamento, 0,3%;
TC – Classe de Exatidão
• Alimentação de medidores para fins de
acompanhamento de custos industriais,
0,6%;
• Alimentação de amperímetros indicadores,
registradores gráficos, relés de impedância,
relés diferenciais, relés de distância, relés
direcionais, 1,2%;
• Alimentação de relés de ação direta, por
exemplo, aplicado em disjuntores primários
de subestações de consumidores, 3,0%.
Transformadores de Potencial
• Definição:
• São transformadores desenvolvidos para
operar com os terminais do secundário com
cargas de elevadas impedâncias, como é o
caso da bobina de voltímetros, bobinas
voltimétricas dos relés, etc (SIMONE, 1998).
Transformadores de Potencial
Transformadores de Potencial
Transformadores de Potencial
Transformadores de Potencial
Transformadores de Potencial
Transformadores de Potencial
• Aspectos Construtivos:
• O enrolamento primário de um TP consiste
de um número elevado de espiras adequado
a tensão operacional da rede à qual será
conectado.
• O enrolamento secundário, entretanto, possui
um número de espiras menor, adapta-se a
tensão do equipamento ou dispositivo que
será conectado ao enrolamento secundário.
Transformadores de Potencial
• Aspectos Construtivos:
• Por norma, a tensão secundária é de 115 V,
nos TPs empregados em medição.
• As condições de operação normal de um TP
correspondem
a
operação
de
um
transformador em vazio.
• O TP é usado para conectar, voltímetros,
freqüêncímetros, e bobinas de aparelhos
eletrodinamométricos (como Wattímetros,
Wattímetro integrador e Cossímetro).
Transformadores de Potencial
Transformadores de Potencial
• Aspectos Construtivos:
• Os TPs são conectados diretamente a rede
de alimentação e são fabricados para todas
as Classes de Tensão de Isolamento
previstas na norma NBR 5410.
• O TP é similar em construção a um pequeno
transformador de potência, onde o primário
com várias espiras, é conectado ao lado de
alta tensão, enquanto o secundário é
conectado ao voltímetro.
Transformadores de Potencial
• Aspectos Construtivos:
• Os TPs tem enrolamentos concêntricos e o
enrolamento de alta envolve o enrolamento
de baixa, à semelhança dos transformadores
de potência.
• Todos os instrumentos de medida são
conectados em paralelo ao mesmo
secundário, atuando sobre todos os
instrumentos simultaneamente.
Transformadores de Potencial
Transformadores de Potencial
• Aspectos Construtivos:
• As resistências dos voltímetros, em geral,
são da ordem de milhares de Ohms, de modo
que o TP opere em condições similares ao
transformador de potência com o secundário
em aberto.
Transformadores de Potencial
• Aspectos Construtivos:
• Devido a isto, as quedas de tensão internas
aos mesmos, dadas por suas resistências e
suas
reatâncias
equivalentes,
são
relativamente
pequenas,
e
pode-se
considerar que:
Transformadores de Potencial
• Aspectos Construtivos:
• Portanto a relação de transformação é a
própria constante de proporção entre o
primário e o secundário do TP.
• A tensão do secundário tem fase oposta a
tensão do primário e a polaridade do
enrolamento deve ser avaliada quando se
necessita da fase do sinal.
Transformadores de Potencial
• Aspectos Construtivos:
• A correta transmissão da fase do sinal de
primário é de vital importância para
instrumentos como um registrador integrador
(Wattímetro hora).
• Se um voltímetro estiver permanentemente
ligado, a escala do aparelho é projetada para
aparecer no visor a tensão de alta tensão,
sem a necessidade de conhecer a relação de
transformação.
Transformadores de Potencial
• Aspectos Construtivos:
• Por segurança, um dos terminais do
secundário do TP, a carcaça e principalmente
o núcleo magnético devem ser aterrados no
mesmo ponto.
• Isto evita que uma fuga de corrente pela
isolação dos enrolamentos, ou um transitório
de sinal, que gere um pulso de alta tensão,
venha a danificar o equipamento ou alcançar
o operador.
TPs Indutivos
• Os TP indutivos são construídos segundo
três grupos:
• Grupo 1 - são aqueles projetados para
ligação entre fases.
• São basicamente os do tipo utilizados nos
sistemas de até 34,5 kV.
• Os transformadores enquadrados neste
grupo devem suportar continuamente 10% de
sobrecarga;
TPs Indutivos
• Grupo 2 - são aqueles projetados para
ligação entre fase e neutro de sistema
diretamente aterrados, isto é: onde Rz é a
resistência de seqüência zero do sistema; e
Xp é a reatância de seqüência positiva do
sistema.
• Grupo 3 - são aqueles projetados para
ligação entre fase e neutro de sistemas onde
não se garante a eficácia do aterramento.
TPs Indutivos
TPs Capacitivos
• Os transformadores capacitivos basicamente
utilizam-se de dois conjuntos de capacitores
que servem para fornecer um divisor de
tensão e permitir a comunicação através do
sistema carrier.
• São construídos normalmente para tensões
iguais ou superiores a 138 kV.
TPs Capacitivos
• O esquema básico do TP, onde se vê que o
primário constituído por um conjunto C1 e C2
de elementos capacitivos em série.
• É ligado entre fase e terra, havendo uma
derivação intermediária B, correspondente a
uma tensão V da ordem de 5 kV a 15 kV,
para alimentar o enrolamento primário de um
TP tipo indução intermediário, o qual
fornecerá a tensão V2 aos instrumentos de
medição e de proteção ali instalados.
TPs Capacitivos
TPs Capacitivos
• Notação adotada pela NBR6855:
• Dois pontos(:) é usado para representar
relações nominais como por exemplo 120:1
(13800 para 115 V);
• Hífen (-) é usado para separar relações
nominais de enrolamentos diferentes, como
por exemplo 13.800-115 volts;
TPs Capacitivos
• Sinal x é usado para separar tensões
primárias nominais e relações nominais de
enrolamentos destinados a serem ligados em
série ou paralelo, como por exemplo
69000x13800-115 volts;
• A barra (/) é usada para separar tensões
primárias nominais e relações nominais
obtidas por meio de derivações, seja no
enrolamento primário ou no secundário, por
exemplo, TP grupo 2:
TPs Capacitivos
• Condições de Instalação:
• Queda de tensão no circuito de não deve
ultrapassar a 5%, em regime intermitente;
• Carga
a
ser
computada
para
o
dimensionamento
do
transformador
de
potencial deve levar em consideração a
potência das lâmpadas de sinalização, a carga
consumida continuamente pelas bobinas e a
sua potência de operação;
TPs Capacitivos
• Condições de Instalação:
• No cálculo da carga total deve-se levar em
consideração tanto as cargas ativas como as
cargas reativas das bobinas em regime
contínuo e em regime de operação.
Ligação
Dados de Especificação
• Destinação: medição, proteção ou automação;
• Uso: interior, exterior, conjunto de manobra;
• Carga
instalada
(especificação
dos
instrumentos
e
dispositivos)
(Potência
nominal);
• Não empregar como fonte de carga auxiliar
• Classe de exatidão (finalidade);
• Classe de tensão (nível de isolamento);
Dados de Especificação
• Números de enrolamentos secundários ou
derivações;
• Relação de transformação;
• Valor nominal das correntes e tensões
(primárias e secundárias);
• Grupo de ligação (TP);
• Fator térmico;
• Tensão aplicada (Suportáveis e impulso)
• Tipo de encapsulamento (epóxi, imerso, seco).
Considerações Finais
• Os TPs e TCs servem também como
elementos
de
isolamento
entre
os
instrumentos ligados no secundário e o circuito
de alta tensão, reduzindo assim o perigo para
o operador e tornando desnecessário uma
isolação especial para tais instrumentos.
• Assim, é que há TCs de 5- 5 A, mas com nível
de isolamento para alta tensão;
Considerações Finais
• Um mesmo instrumento elétrico, utilizado com
TCs ou TPs de diferentes relações nominais,
podem servir para um campo muito largo de
medições graças à padronização dos valores
secundários deles, 5A para os TCs e 115 volts
para os TPs.
• Deve-se ter o cuidado de ligar à terra o
secundário e o núcleo dos TCs e TPs por
medida de segurança.
Considerações Finais
• Além disso, os TCs para alta tensão são
construídos normalmente com camadas de
material condutor envolvendo o enrolamento
primário para uniformização da distribuição
dos potenciais.
• Estas camadas são ligadas entre si e também
a um terminal externo, o qual deve ser ligado
ao terra.
• Os TCs e TPs têm todos os terminais
primários e secundários providos de marcas
indeléveis.
Considerações Finais
• Estas marcas permitem ao instalador a rápida
identificação dos terminais de mesma
polaridade.
• O instalador somente precisa se preocupar
com a polaridade no momento em que for ligar
ao secundário dos TCs ou TPs os
instrumentos elétricos que têm bobinas
providas de polaridades relativa, tais como
wattímetros, medidores de energia elétrica,
fasímetros, etc.
Considerações Finais
• A entrada das bobinas destes instrumentos
deve ser ligada ao terminal secundário do TC
ou TP que corresponde ao terminal primário
que foi utilizado como entrada.
• É aconselhável, antes de instalar os TCs e
TPs verificar pelo menos a "relação de
transformação nominal" e a polaridade.
Considerações Finais
• O núcleo dos TPs e TCs é feito de chapas de
ferro silício.
• Para os de melhor qualidade, emprega -se
ferro silício de grãos orientados, laminado a
frio, conseguindo-se bons resultados quanto à
permeabilidade magnética e menores perdas.
Considerações Finais
• Os TCs especiais, os que serão utilizados
como padrão por exemplo, para os quais se
exige excelente classe de exatidão, tem o
núcleo feito de chapas de ligas especiais de
ferro níquel.
• Estas ligas têm alta permeabilidade magnética
e perdas reduzidas, mas o seu custo é bem
maior.
BIBLIOGRAFIA
• Simone, Gilio Aluísio. Transformadores. São
Paulo: Érica, 1998.
• WEG. Catálogo de Transformadores. 2009.