Baixe Transformadores para Instrumentos e outras Notas de estudo em PDF para Engenharia Elétrica, somente na Docsity! TRANSFORMADORES PARA INSTRUMENTOS MÓDULO I 25 Prof. Flávio Franco 1. Introdução A grande expansão dos sistemas elétricos exige o uso de correntes e tensões cada vez maiores. Hoje em dia é comum a operação das redes elétricas em níveis de corrente da ordem de centenas ou milhares de ampéres,e de muitos milhares de volts. Não existindo aparelhos de medição, de uso prático, que possam medir diretamente estas tensões e correntes, faz-se mister um dispositivo que possa reduzir, tantas vezes quanto necessário, os altos valores a serem medidos, até se adequarem aos aparelhos de medição normalmente usados. Ao mesmo tempo, este dispositivo deverá isolar os aparelhos de medição (os quais operam em níveis de isolamento baixos) das altas tensões existentes nos sistemas a serem medidos. O dispositivo em questão é o transformador para instrumentos (TI). Figura 1 – Transformador de Potencial (TP) O número de vezes que a grandeza é reduzida se denomina relação de transformação nominal. - Para um T.C. é dado por - Para um T.P. é dado por Onde: Kc= Relação de transformação do “T.C.” Kp= Relação de transformação do “T.P.” R.T.N.= Relação de transformação nominal. O poder do isolamento de resistir (sem se alterar) às altas tensões e, portanto, isolar os aparelhos de medição define o nível de isolamento. Os ensaios a que são submetidos os transformadores para instrumentos visam, antes de tudo, verificar essas duas características, podendo ser classificadas em duas categorias principais: ensaios de isolamento (dielétricos); ensaios de exatidão. A ocorrência inevitável de perdas no ferro, quedas de tensão nos enrolamentos, e corrente de extinção necessária para a magnetização do núcleo, torna impossível a obtenção de uma exatidão de 100%, em quaisquer condições. Não só a relação de transformação efetiva se afasta da nominal, como também surge um defasamento angular entre os valores primário e secundário da grandeza medida. O erro introduzido pelo transformador ao efetuar a transformação é, portanto, composto de dois elementos. 1. Um erro de relação de transformação (ERT) 2. um erro de ângulo de fase (EAF). TRANSFORMADORES DE CORRENTE: Praticamente, apenas duas grandezas são medidas diretamente através de transformadores para instrumentos: a corrente da linha e a tensão entre fases ou de fase para terra. Todas as outras grandezas – potência ativa, reativa e aparente, energia, ângulo de fase, freqüência, etc., são derivadas da tensão e da corrente medida. Em conseqüência, dividem-se os transformadores para instrumentos em dois tipos: os transformadores de corrente e os de potencial. Os transformadores de corrente são sempre monofásicos e dispõem, em geral, de dois terminais primários. O circuito cuja corrente se deseja medir é secionada e o transformador é inserido na linha, ligando-se cada um dos seus terminais primários a uma das extr4emidades do trecho secionado. Verifica-se , portanto, que o circuito primário do transformador é ligado em série como circuito a ser medido. Entre o circuito e a terra existe uma diferença de potencial que, em muitos casos, pode atingir a centenas de milhares de volts. Estando o circuito primário do transformador de corrente diretamente ligado à linha, será também submetido a esta mesma tensão. É indispensável, portanto, que esse circuito seja isolado do núcleo e do enrolamento secundário e que esse isolamento seja previsto para o mesmo nível de isolamento que a linha em que o transformador será ligado. O custo do transformador cresce a medida que aumenta seu nível de isolamento, razão pela qual normalmente não se de vê especificar um transformador de nível de isolamento superior àquele do circuito em que será ligado. Em volta do núcleo são aplicadas as espiras secundárias. Caso o transformador disponha de mais de um núcleo, cada enrolamento de baixa tensão é aplicado sobre o próprio núcleo, sendo que o circuito primário é comum a todos os núcleos. Os núcleos geralmente são aterrados, e como os circuitos secundários operam com uma pequena diferença de potencial em relação à terra (não mais de 600V) o isolamento entre eles e os respectivos núcleos é projetado para o menor nível de isolamento, a classe 0,6kV. Para se assegurar que os circuitos e aparelhos de medição manterão o seu potencial em relação à terra, próximo deste valor, costumam eles ser solidamente aterrados em um só ponto. Sendo a corrente a ser medida geralmente superior a 5 ampéres, normalmente os transformadores de corrente têm seu circuito primário formado por poucas espiras de fio grosso. O secundário, por outro lado, disporá de muitas espiras de fio fino. Não existe, praticamente, tensão entre espiras no transformador de corrente. A tensão secundária é determinada pela carga aplicada no secundário, uma vez que a corrente secundária só depende da corrente primária. Assim, se tivermos um TC de relação 200-5A com uma corrente de 160A circulando no primário e uma carga de 0,5ohms aplicada aos bornes secundários, a corrente secundária será: 160/40=4A e a tensão entre bornes de BT será: 4x0,5=2volts. O erro introduzido pelos transformadores de corrente na transformação é devido à corrente de excitação necessária para magnetizar o núcleo. Essa corrente aumenta à medida que cresce a densidade de fluxo do núcleo, aumentando também o erro. Por essa razão, é indispensável manter a densidade de fluxo e, portanto, a tensão entre os bornes secundários próximo aos valores projetados, a fim de evitar que o erro ultrapasse os valores garantidos. Sendo a tensão secundária resultado do produto I2.Z a corrente secundária pela impedância dos aparelhos ligados aos bornes secundários, verifica-se que o aumento indevido de qualquer um destes fatores introduzirá um erro excessivo na transformação. Tanto uma corrente muito superior à nominal, motivada por sobrecarga ou curto-circuito na linha primária, quanto um aumento na carga secundária, devido ao uso de muitos aparelhos, ou aparelhos de grande impedância, ocasionarão erros superiores aos previstos na transformação. Devido a relação existente entre a carga secundária e o erro, a Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT, padronizou uma série de cargas, cada uma com um valor definido de resistência e indutância, em constantes da tabela I. Sendo fixa a indutância da carga, sua reatância dependerá da freqüência de voltampéres e de cos em 60Hz. Tabela 1 - Cargas nominais padronizadas para ensaios de TC´s Cargas nominais Características Designação ABNT Designação ANSI Potência aparente VA Fator de potência Resistência Indutância Impedância (1) (1º) (2) (3) (4) (5) (6) C2,5 B-0,1 2,5 0,90 0,09 0,116 0,1 C5,0 B-0,2 5,0 0,90 0,10 0,2323 0,2 C12,5 B-0,5 12,5 0,90 ,045 0,580 0,5 C25 B-1 25 0,50 0,50 2,3 1,0 C50 B-2 50 0,50 1,0 4,6 2,0 C100 B-4 100 0,50 2,0 9,2 4,0 C200 B-8 200 0,50 4,0 18,4 8,0 (Corrente secundária nominal de 5 A) Também as classes de exatidão foram normalizadas pela ABNT, tendo sido padronizadas as classes 0,3 – 0,6 e 1,2. Esses números definem o maior erro de transformação em % que o transformador poderá introduzir durante normal. Assim, a designação 0,3 C 25 indica que, para cargas iguais ou inferiores à C 25, o erro de transformação do transformador não excederá ± 0,3%. As tabelas trans-formação ( em % da relação nominal ) e do ângulo de fase, possibilitando a correspondência de designações. É também normalizada a classe de exatidão 3, sem limitação de ângulo de fase. Por não ter limitação do ângulo de fase, esta classe de exatidão não deve ser usada em serviço de medição de potência ou de energia. Ao contrário dos transformadores comuns, o transformador de corrente, por ser ligado em série com a linha, não sofre efeitos prejudiciais ao serem curto-circuitados seus terminais secundários. A corrente secundária, dependendo apenas da corrente primária e da relação de transformação, não será influenciada por essa ligação, que equivale à aplicação de uma carga de valor nulo no secundário. Por outro lado, a abertura do circuito secundário (que equivale a uma carga de valor infinito) acarreta graves conseqüências. Não havendo ampéres – espiras secundárias para compensar os ampéres – espiras primárias, toda a corrente primária age como corrente de magnetização do núcleo. Nessas condições a densidade de fluxo no núcleo pode atingir valores que excedem o nível de saturação.Surge, então entre os terminais secundários uma tensão de valor elevado,que pode danificar o transformador e pôr em perigo o operador. Por essa razão os transformadores de corrente nunca devem ser ligados com o secundário aberto. Embora se saiba que a operação com corrente muito superior à nominal faça crescer desmesuradamente o erro, muitas vezes necessário que o transformador opere nessas condições e que seu erro não ultrapasse um valor especifico. É o caso dos transformadores ligados a sistemas de proteção, que b) Limite da classe de exatidão 0,6 (com 100% e 10% da corrente nominal) Limites das classes de exatidão 0,3 – 0,6 – 1,2 em transformadores de corrente para serviço de medição. c) Limites da classe de exatidão 1,2 (com 100% e 10% da corrente nominal). Especificação: Para a aquisição de um transformador de corrente é indispensável fornecer, no mínimo as seguintes informações: Nível de isolamento; Corrente primárias e secundária; Tipo de serviço (medição ou relés); Classes de exatidão com cargas normalizadas; Tipo de isolamento (seco, em óleo ou massa isolante); Uso (abrigado ou ao tempo). Caso circunstâncias especiais de aplicação justifiquem, outras características deverão ser especificadas, tais como: nível de isolamento para impulso, fator térmico (sobrecarga permanente), limite térmico (sobrecarga admissível em um segundo), religação primária, secundário múltiplo, freqüência, etc. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL: Em primeira aproximação, transformador de potencial poderá ser definido, simplificadamente, como um transformador de força ou distribuição ao qual se atribui uma nominal muito inferior ao valor real. Com efeito, aplicando-se uma carga aos terminais secundários de um transformador de distribuição, a corrente solicitada pela carga provocará uma queda de tensão no transformador. Essa queda de tensão, motivada pela circulação da corrente através da resistência e reatância internas do transformador, faz com que a tensão entre os bornes de BT se afaste do valor teórico (tensão primária dividida pela relação nominal). A queda de tensão é diretamente proporcional à corrente e pode ser reduzida a valores muito pequenos se a corrente (e portanto a carga ) for proporcionalmente reduzida. Quando a queda de tensão, isto é, o erro ocorrido na transformação, atinge um valor aceitável para o fim em vista, o aparelho estará funcionando como um transformador de potencial. É de se notar, por conseguinte, que fundamentalmente um transformador de potencial trabalha de maneira análoga à de um transformador convencional de força ou distribuição, ou seja, é ligado em “paralelo” com a linha, possui tensão entre os bornes aproximadamente constante e independente da carga, e a corrente em seus enrolamentos varia diretamente com a carga aplicada ao secundário. Diferentemente do transformador de corrente, o transformador de potencial precisa Ter não só os seus enrolamentos isolados entre si e do núcleo, mas também as próprias bobinas, camadas e espiras de cada enrolamento precisam ser devidamente isolados umas das outras, devido à grande diferença de potencial existente entre os bornes do circuitos primário. Diferem os transformadores de potencial e de distribuição na potência nominal, que no primeiro é ditada por considerações de exatidão, ao passo que no segundo é definida pelo limite de temperatura atingido pelo ponto mais quente. Daí decorre que, do ponto de vista térmico, o transformador de potencial pode suprir uma carga muito maior do que aquela para qual é projetada, sem sofrer danos, embora nessas condições seu erro ultrapasse os valores garantidos. Também as perdas no ferro e no cobre, a impedância e a corrente de magnetização adquirem importância secundária no transformador de potencial, do qual se exige, antes de tudo, uma transformação fiel e exata da tensão. Diretamente do transformador de corrente, que tem na sua corrente de excitação a principal causa do erro que introduz na medição, o transformador de potencial tem sua exatidão dependendo essencialmente de uma pequena queda de tensão interna . Por esta razão seu erro cresce à medida que aumenta a carga aplicada a seus bornes secundários. Com a finalidade de comparar o desempenho dos transformadores, a Associação Brasileira de Normas Técnicas padronizou uma série de cargas, cada uma com um valor definido de resistência e indutância, constantes da tabela III. Sendo fixa a indutância da carga, sua reatância dependerá da freqüência, razão pela qual cada carga tem valor de voltampéres e de fator de potência 60 Hz. Tabela 4 - Cargas Normalizadas para Transformadores de Potencial – Norma Brasileira Cargas nominais Características Características 60Hz – 120V a 60Hz e 69,3V Designação Potência Aparente VA Fator de Potência Resistência Efetiva Indutância mH Impedância Resistência Efetiva Indutância mH Impedância 1 2 3 4 5 6 7 8 9 P 12,5 12,5 0,10 115,2 3042 1152 38,4 1014 384 P 25 25 0,70 403,2 1092 576 134,4 361 192 P 75 75 0,85 163,2 268 192 54,4 89,4 64 P 200 200 0,85 61,2 101 72 20,4 33,6 21 P 400 400 0,85 30,6 50,4 36 10,2 16,8 12 NOTA: As características a 60 Hz e 120v são válidas para tensões secundárias entre 100 e 130v, e as características 60 Hz e 69,3v são válidas para tensões secundárias entre 58 e 75v. Em tais condições, as potências aparentes serão diferentes das especificadas. Analogamente aos transformadores de corrente, foram padronizadas para os transformadores de potencial as classes de exatidão 0,3 – 0,6 e 1,2, significando a designação 0,3P50, por exemplo, que o erro do transformador não ultrapasse ± 0,3% com carga igual ou inferior à P50. Para cada classe de exatidão, os limites do erro de relação e do ângulo de fase constam da tabela III. É também normalizada a classe de exatidão 3, sem limitação do ângulo de fase. Por não ter limitação de ângulo de fase, esta classe de exatidão não deve ser usada em serviço de medição de potência ou de energia. Os transformadores de potencial são aferidos em laboratório de ensaios, medindo-se o erro de relação e ângulo de fase. O erro de relação e o ângulo de fase com qualquer outra carga poderão ser determinados mediante a construção do gráfico exemplificado na figura 4. As tabelas III e IV indicam para cada classe de exatidão os valores limites da relação de transformação (em % relação nominal) e do ângulo de fase, possibilitando a correspondência de designações. 3.2. Tabela IV (Norma ANSI) CARGAS NORMALIZADAS PARA TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (NORMA ANSI) Designação de carga Voltampéres secundários Fator de Potência de carga W X Y Z ZZ 12,5 25 75 200 400 0.10 0.70 0.85 0.85 0.85 3.3. Figura 4 Limites de classes de exatidão 0,3 - 0,6 - 1,2 em Transformadores de Potencial Fator de Correção da relação (FCR) 1,014 1,012 1,010 1,008 1,006 1,004 1,002 1,000 0,998 0,996 0,994 0,992 0,990 0,988 0,986 classe 1 classe 1,2 classe 1 -70 -60 -50 -40 -30 -20 10 O +10 +20 +30 +40 450 +60 +70 atrasado adiantado Ângulo de fase (Y ) em minutos Tabela 5 - Níveis de isolamento – Espaçamentos mínimos no ar – Tensões de linha. Nível de isolamento Tensão de Linha (valor eficas em V) Espaçamentos mínimos no ar De fase para terra (mm) De fase para fase (mm) 1 2 3 4 0,6 Até 600 - - 1,2 Até 1.320 25 25 5 1.321 a 5.500 65 65 8,7 5.501 a 9.570 90 100 15-B 15 9.571 a 16.500 130 150 140 170 25 16.501 a 26.250 200 230 34,5 26.251 a 36.225 300 330 46 36.226 a 48.300 380 430 69 48.301 a 72.450 600 650 92 72.451 a 96.600 750 850 138-B 138 96.6601 a 144.900 950 1.100 1.050 1.250 161-B 161 966.601 a 169.050 1.100 1.300 1.250 1.450 230-B2 230-B1 230 169.051 a 241.500 1.500 1.600 1.950 1.650 1.800 2.150 345-B2 345-B1 345 241.501 a 362.250 Ainda não normalizados 440-B2 440-B1 440 262.251 a 462.000 Ainda não normalizados 3.7. Representação de Transformadores de Potencial: As tensões primárias nominais e as relações nominais devem ser representadas em ordem crescente, do seguinte modo: a) O sinal de dois pontos ( : ) deva ser usado para representar relações nominais. Por exemplo: 120 : 1 b) O hífen ( ─ ) deve ser usado para separar relações nominais de enrolamentos secundários. Por exemplo: 700 ─ 1200 : 1 c) O sinal ( x ) deve ser usado para separar tensões primárias nominais e relações nominais de enrolamentos destinados a serem ligados em série ou em paralelo. Por exemplo: 6900 x 13800 v 60 x 120: 1 d) A barra (/) deve ser usada para separar tensões primárias nominais e relações nominais obtidas por meio de derivações, seja no enrolamento primário ou seja no enrolamento secundário. Por exemplo: - Um enrolamento primário com derivação, e um enrolamento secundário: 6900 / 8050 v 60 / 120 : 1 - Um enrolamento primário, e um enrolamento secundário com derivação: 700 / 1200 : 1 Tabela 6 - Tensões primárias nominais e relações nominais para TP´s Grupo 1 Para ligação de fase para fase Grupos 2 e 3 Para ligação de fase para neutro Tensão primária nominal ( V ) Relação nominal Tensão primária nominal ( V ) Relações nominais Tensão secundária de 115/3V Tensão secundária aproximada 115V ( 1 ) ( 2 ) ( 3 ) ( 4 ) ( 5 ) 115,0 1:1 - - - 230,0 2:1 230/3 2:1 1,2:1 402,5 3,5:1 402,5/3 3,5 2:1 460,0 4:1 460/3 4 2,4:1 575,0 5:1 575/3 5 3:1 2300,0 20:1 2.300/3 20 12:1 3450,0 30:1 3.450/3 30 17,5:1 4025,0 35:1 4.025/3 35 20:1 4600,0 40:1 4.800/3 40 24:1 6900,0 60:1 6.900/3 60 35:1 8060,0 70:1 8.050/3 70 40:1 11500,0 100:1 11.500/3 100 60:1 13800,0 120:1 13.800/3 120 70:1 23000,0 200:1 23.000/3 200 120:1 34500,0 300:1 34.500/3 300 175:1 45000,0 400:1 46.000/3 400 240:1 69000,0 600:1 69.000/3 600 350:1 88.000/3 800 480:1 115.000/3 1000 600:1 138.000/3 1200 700:1 161.000/3 1400 800:1 196.000/3 1700 1.000:1 230.000/3 2000 1.200:1 NOTAS: 1.ª) As relações nomiansi de TP´s, com tensões primárias nominais superiores a 230kV, estão sujeitas a acordo entre fabricante e comprador. 2.ª - a) Grupo 1: TP´s projetadas para ligação entre fases - b) Grupo2: Tp´s projetadas para ligação entre fase e neutro de sistemas diretamente ou eficazmente aterrados. - c) Grupo 3 : TP´s projetadas para ligação entre fase e neutro de sistemas onde não se garante a eficácia do aterramento Tabela 7 - Tensões máximas de operação dos TP´s (kV) 0,6 25,8 92,4 362 1,2 38,0 145,0 460 7,2 48,3 169,0 550 12,0 72,5 242,0 765 15,0 Ligação TC – Sistema Triângulo Ligação TC – Sistema Estrela: