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Cap. 6 – Transformadores para Instrumentos

Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI

Disciplina ELE505 – Medidas Elétricas

Prof. Fernando Belchior – Março/2014

Universidade Federal de Itajubá – UNIFEI

Prof. Dr. Fernando Nunes Belchior [email protected] [email protected]

Cap.6 – Transformadores para Instrumentos . TP – Transformador de Potencial

. TC – Transformador de Corrente





6.1. INTRODUÇÃO

CONSIDERAÇÕES INICIAIS

As principais funções dos transformadores para instrumentos

(TI’s) são:

Retratar condições reais de um sistema elétrico com a fidelidade

necessária;

Transformam o módulo da grandeza a ser medida sem alterar sua

natureza (forma de onda, defasagem);

Isolar o circuito primário do secundário.





Transformadores de potencial (TP's) – saída de tensão

padronizada em 115 [V];

Transformadores de corrente (TC's) – saída de

corrente padronizada em 5 [A].

6.1. INTRODUÇÃO

Há dois tipos de TI's:





TP – Transformador de Potencial

A. Introdução;

B. Diagrama Equivalente e Diagrama Fasorial;

C. Valores Nominais dos TP’s;

D. Classe de Exatidão;

E. Grupos de Ligação e Potência Térmica Nominal;

F. Determinação da Carga dos TP’s;

G. Polaridade e Marcação dos Terminais de TP’s;

H. Paralelogramos de Precisão e Classes de Exatidão;

I. Observações Práticas Importantes Sobre TP’s;

J. Representação das Tensões e Relações de Transformadores Nominais dos TP’s;

K. Ordem de Grandeza das Perdas da Bobina de Potencial.





Figura 1 – Exemplo de utilização de TP

6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP)

Primário do TP –

13,8kV fase-fase

(existem diferentes

níveis de tensão)

Secundário do TP –

Padronizado em

115V fase-fase





Os TP’s reduzem os níveis de tensões das instalações a valores mais baixos,

compatíveis com a segurança de operadores e das bobinas de tensões dos circuitos de

medição, controle ou proteção.


A. INTRODUÇÃO

- A sua instalação pode ser externa ou interna (abrigada).

- Ele alimenta a instrumentação de medição, proteção e controle.

- A representação da relação de transformação e, por exemplo:

Figura 2 - Polaridade do TP

𝑉1

𝑉2

= 𝑁

1

𝑁2

N1 N2





Figura 3 - Diagrama Equivalente do TP

(tal como um transformador convencional)


B. DIAGRAMA EQUIVALENTE E DIAGRAMA FASORIAL

A carga Z’ do TP é um

medidor: voltímetro

e/ou medidor de energia

elétrica e/ou wattímetro,

etc.





Figura 4 - Diagrama Fasorial do TP







Características dos TP´s: Projetados para suportarem sobretensões a níveis determinados em regime

permanente, sem que nenhum dano lhes seja causado;

Como são empregados para alimentar instrumentos de alta impedância

(voltímetros, reles de tensão, etc) a

corrente secundária é extremamente baixa.

Além disso, devem ter um erro mínimo na

relação de transformação e no ângulo de fase.



Figura 5 – Terminais secundários de um TP





Tipos de TP´s:

• Indutivos,

• Capacitivos (mais conveniente e econômico em circuitos de alta e

extra-alta tensão)

TP´s indutivos:

Mesmo princípio de funcionamento dos transformadores de potência,

variando-se a tensão primária haverá uma variação proporcional na

tensão secundária, ou seja curva relacionando as duas tensões deve

ser linear.







Os TP’s podem ter, considerando a quantidade de enrolamentos

secundários:

• Um enrolamento secundário: é o caso mais normal para TP’s de média e

baixa tensão. Amplamente utilizado na indústria em geral;

• Um enrolamento secundário com tap’s: utilizados onde se desejam dois ou

mais valores de tensão secundária;

• Dois secundários: possuem dois secundários em núcleo magnético comum

e possuem enrolamentos com ou sem tap’s. Naturalmente, cada

secundário é afetado pelas condições de carga do outro.







• Os valores nominais que caracterizam um TP, de acordo com a

NBR 6855/2009, são:

a) Tensão primária nominal e relação nominal;

b) Nível de isolamento;

c) Frequência nominal;

d) Carga nominal;

e) Classe de exatidão;

f) Potência térmica nominal.


C. VALORES NOMINAIS DOS TPs





TENSÃO PRIMÁRIA E RELAÇÃO NOMINAL:

• A tensão primária nominal depende da tensão entre fases, ou entre fase e neutro, do

circuito em que o TP vai ser utilizado;

• A tensão secundária nominal é, aproximadamente, 115 Volts (fase-fase). Caso a ligação

seja fase-neutro, utiliza-se 115/√3 volts. Outras possibilidades de tensão no secundário

(não muito comum): 110[V], 120 [V], 125[V];

• A relação de transformação é definida como:

𝑅𝑇𝑃 =𝑈1𝑁

𝑈2𝑛

• U1N – é a tensão primária nominal, em [V]

• U2N – é a tensão secundária nominal, em [V].









TENSÃO PRIMÁRIA E RELAÇÃO NOMINAL:







FREQUÊNCIA NOMINAL:

60 [Hz] no Brasil.





CARGAS NOMINAIS:







Classe de exatidão é o valor máximo de erro, expresso em

porcentagem, que poderá ser causado pelo TP aos instrumentos a ele

conectados.

TP’s são enquadrados em uma ou mais das três seguintes classes de

exatidão: 0,3; 0,6 e 1,2.

A seleção da classe de precisão depende da aplicação a que se destina

o TP.


D. CLASSE DE EXATIDÃO





Tabela 4 – Aplicações dos TP’s conforme sua classe de exatidão


D. CLASSE DE EXATIDÃO





TP´s classificam-se em 3 grupos de ligação:

a) Grupo 1 - TP´s projetados para ligação entre fases;

b) Grupo 2 - TP`s projetados para ligações entre fases e neutro de

sistemas diretamentes aterrados;

c) Grupo 3 – TP´s projetados para ligações entre fases e neutro de

sistemas onde não se garanta a eficácia do aterramento.


E. GRUPOS DE LIGAÇÃO E POTÊNCIA TÉRMICA NOMINAL





• Potência térmica nominal é a maior potência aparente que um TP pode

oferecer em regime permanente e tensão e frequência nominais.

• Para os TP´s pertencentes aos grupos 1 e 2 a potência térmica deve ser

superior a 1,33 vezes a carga mais alta em [VA], referente a exatidão do TP,

com sobretensões de 15% continuamente.

• Para os pertencentes ao grupo 3 a potência térmica superior a 3,6 vezes a

carga mais alta em [VA] com sobretensões 90% continuamente.







A potência térmica é expressa por :

𝑃𝑡 > 𝐾 ∗ 1,21 ∗𝑈2

𝑍

Pt - potência térmica;

K - 1,33 (grupos 1 e 2) ou 3,6 (grupo 3);

U - tensão secundária em [V];

Z - impedância correspondente à carga

nominal em [Ω].



Tabela 5

Potências térmicas aceitáveis para secundário

normalizados em 115 e 66,45 [V]





Representação ABNT: 0,6P12,5 -> 0,6 – exatidão e

X-P.VA onde 12,5 – potência máxima VA

X é a classe de precisão.

VA a potência da carga acoplada ao secundário

Representação ANSI:

Designação por letras:;

a) 0,3WXY -> TP com cargas padronizadas W, X e Y acopladas ao

secundário, tem classe de exatidão 0,3;

b) 0,6Z -> Com carga padronizada Z acoplada ao secundário, tem

classe de exatidão 0,6.


F. DETERMINAÇÃO DA CARGA DOS TPs






F. DETERMINAÇÃO DA CARGA DOS TPs






G. POLARIDADE E MARCAÇÃO DOS TERMINAIS DE TPs





Os paralelogramos definem a área onde um determinado TP está dentro de uma classe de

exatidão.


H. PARALELOGRAMOS DE PRECISÃO E CLASSES DE EXATIDÃO





1. Se um TP alimenta vários instrumentos elétricos, estes devem ser ligados em

paralelo a fim de que todos eles fiquem submetidos à mesma tensão

secundária do transformador;

2. Estando um TP com carga e havendo a necessidade de retirá-la, é necessário que

o enrolamento secundário fique aberto. O fechamento do secundário de um

TP através de um condutor de baixa impedância provocará um curto-circuito;

em outras palavras, uma corrente secundária demasiadamente elevada, e em

consequência a primária, pode provocar a danificação do TP e, ainda, uma

possível perturbação no sistema do circuito principal;


I. OBSERVAÇÕES PRÁTICAS IMPORTANTES SOBRE TPs





3. Outro aspecto importante é o aterramento rígido, que deva haver entre carcaça e

circuito secundário dos TP’s do Grupo 1 e dos terminais do neutro dos TP’s dos

Grupos 2 e 3 à malha de terra da instalação; isto se deve aos seguintes fatores:

a) Contato ocasional entre primário, secundário e carcaça devido à falha ou defeitos

internos, resultando no aparecimento de potenciais perigosos a operadores;

b) Aparecimento de altos potenciais estáticos no enrolamento secundário, devido à

indução estática entre enrolamentos primário e secundário (funcionam, basicamente,

como as placas de um capacitor).

4. Os TP’s, assim como outros transformadores monofásicos, devem ter polaridade

subtrativa.


I. OBSERVAÇÕES PRÁTICAS IMPORTANTES SOBRE TPs





As tensões primárias nominais e as relações nominais devem ser representadas em ordem crescente,

do seguinte modo:

a) Sinal de dois pontos (:) deve ser usado para representar relações nominais. Por exemplo: 120:1

b) Hífen (-) deve ser usado para separar relações nominais de enrolamentos diferentes.

Por exemplo: 700-1200:1

c) Sinal (x) deve se usado para separar tensões primárias nominais e relações nominais de

enrolamentos destinados a serem ligados em série ou paralelo. Por exemplo: 6900 x 13800[V]

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] → 60/70:1


J. REPRESENTAÇÃO DAS TENSÕES E RELAÇÕES DE TRANSFORMADORES NOMINAIS DOS TP’s





Tabela 9

Ordem de grandeza das perdas da bobina de potencial de instrumentos elétricos

empregados com TP´s de 115V, 60Hz.


K. ORDEM DE GRANDEZA DAS PERDAS DA BOBINA DE POTENCIAL





Ex.: Especificar um TP para medição de energia elétrica para faturamento a um consumidor

energizado em 69 kV, em que serão utilizados os seguintes instrumentos:

a) medidor de kWh com medidor de demanda;

b) medidor de kVArh sem medidor de demanda.

OBS.: Utilizar os maiores valores.


K. ORDEM DE GRANDEZA DAS PERDAS DA BOBINA DE POTENCIAL





TC – Transformador de Corrente

A. Introdução;

B. Diagrama Equivalente e Diagrama Fasorial;

C. Paralelogramos e Classes de Exatidão;

D. TC’s para Medidas e Proteção;

E. Tipos de TC’s conforme sua Construção;

F. Tipos de TC’s conforme seus Enrolamentos;

G. Valores Nominais dos TC’s;

H. Especificação de TC’s;

I. Polaridade e Marcação dos Terminais de TC’s;

J. Relação de Transformação;

K. Representação das Correntes e Relações de Transformação Nominais dos TC’s.

L. Ordem de Grandeza das Perdas da Bobina de Corrente.





• Reduz valores de corrente em outro de menores intensidades. Mais comum 5[A];

• O circuito primário é ligado em série com a alimentação de uma instalação ou equipamento

onde se deseja medições ou proteção;

• O circuito secundário alimenta as bobinas de corrente dos aparelhos destinados para tal

fim. Ex.: Amperímetro, bobina de corrente do wattímetro e do medidor de energia elétrica.

6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC)

A. INTRODUÇÃO





• Em TC´s a corrente primária que define a secundária,

independente do instrumento que esteja alimentando.

• Baixa impedância de primário para não influenciar o circuito

de alta corrente.

• Alta tensão de secundário.

• Inconveniente:


A. INTRODUÇÃO





“ Antes de qualquer operação com TC´s deve-se primeiro aplicar um

curto circuito através de um condutor de baixa impedância ou de chave

apropriada. ”


A. INTRODUÇÃO





TC para medição


C. PARALELOGRAMOS E CLASSE DE EXATIDÃO

CLASSE APLICAÇÃO

0,3 Medidas de precisão (laboratório e

faturamento)

0,6 Medidas de energia (faturamento)

1,2 Instrumentos de painel em geral

3,0 Amperímetros.





• Construção diferente para medição e proteção;

• TC´s para medição mais precisos e saturam em 150% da corrente

nominal;

• TC´s para proteção menos precisos e não devem saturar facilmente.

Saturam cerca de 20 a 25 x In (2000 % In , 2500 % In).


D. TCs PARA MEDIDAS E PROTEÇÃO





Tipo enrolado: enrolamento primário constituído por uma ou

mais espiras, envolve mecanicamente o núcleo do transformador;

Tipo barra: primário constituído por uma barra montada

permanentemente através do núcleo

do transformador.


E. TCs CONFORME SUA CONSTRUÇÃO





Tipo janela: sem primário próprio, construído por uma abertura

no núcleo, por onde passará o condutor primário,

Formando uma ou mais espiras.

Tipo bucha: tipo especial de TC janela, instalado

sobre a bucha de um equipamento elétrico

fazendo parte dele.







TC núcleo dividido: tipo especial de TC janela em que parte

do núcleo é separável.







Objetivo: variação da relação de transformação. VÁRIOS ENROLAMENTOS PRIMÁRIOS

Ex.: TC com 4 enrolamentos primários que suportam 100A cada, tem-se:

Ligação série 100-5[A]

RTC – 20:1

Ligação série-paralelo 200-5[A]

RTC – 40:1

Ligação paralelo 400-5[A]

RTC – 80:1


F. TCs CONFORME SEUS ENROLAMENTOS

TC seria 100x200x400 – 5 [A]

(RTC = 20x40x80:1).





Objetivo: variação da relação de transformação.

VÁRIOS ENROLAMENTOS SECUNDÁRIOS EM NÚCLEOS DISTINTOS.

Os TC’s possuem dois tipos de enrolamentos secundários, um para medição e outro para

proteção. Por este fato, nota-se que, neste caso, deve haver dois núcleos diferentes e

independentes entre si devido às diferenças de saturação.


F. TCs CONFORME SEUS ENROLAMENTOS

Figura 9 – TC’s com vários enrolamentos

secundários






G. VALORES NOMINAIS DOS TCs





A. CORRENTE NOMINAL E RELAÇÃO

NOMINAL

• Corrente Primária: TC´s deve ser

escolhido de acordo com a corrente

máxima do circuito ao qual será

inserido;

• Corrente Secundária: No Brasil

padronizada 5[A], casos especiais

em proteção pode haver 2,5[A], 1[A].







B. NIVEL DE ISOLAMENTO:

Normalmente considera a tensão como sendo a imediatamente superior à nominal de

linha do circuito em que o TC será utilizado.



C. FREQUÊNCIA NOMINAL:

60 [Hz] no Brasil.





D. CARGA NOMINAL :

Designadas pela letra C seguida da carga em [VA] em 60 [HZ], corrente

secundária 5[A].

A resistência, indutância, das cargas nominais são obtidas multiplicando-se os

valores especificados na tabela 3 pelo quadrado da relação entre 5[A], e a

corrente secundária nominal do transformador.







E. CLASSE DE EXATIDÃO

TC´s Medição: Objetivo detectar a qualidade do TC´s .

NBR 6856/81 TC´s devem ser enquadrados nas seguintes classes de exatidão:

0,3; 0,6; 1; 2; 3.

TC´s e os instrumentos (destinados a serem ligados ao mesmo) devem apresentar a

mesma classe de exatidão.







TC´s proteção: NBR 6856/81 padronizou a classe de exatidão 5 ou 10% , para qualquer

corrente secundária, desde 1 a 20 vezes a corrente nominal, e qualquer carga igual ou inferior a

nominal.

A NBR 6856/81 admite que a corrente máxima deva ser 20 vezes a nominal, não citando o fator

de sobrecorrente.







G. FATOR TÉRMICO NOMINAL:

• É o fator que multiplicado pela corrente primária indica a corrente primária máxima que o

TC pode suporta em regime permanente.

• Os fatores térmicos são : 1,0; 1,2; 1,3; 1,5; 2.



H. CORRENTE TÉRMICA NOMINAL (Ith):

• É a maior corrente primária que um TC é capaz de suportar durante 1seg., com o

secundário curto-circuitado, sem exceder os limites de elevação de temperatura

correspondente a sua classe de isolamento.

I. CORRENTE DINÂMICA NOMINAL:

• É o valor da crista da corrente primária que um TC é capaz de suportar, durante o

primeiro ciclo com o secundário curto-circuitado. A NBR 6856 cita que o valor da crista é

normalmente 2,5 o valor da corrente térmica. Idin= 2,5 Ith





Medição: Verificar a aplicação do TC, para se determinar a classe de exatidão.

Depois determina-se as cargas em termos de suas potências consumidas

Representação da NBR:

X é a classe de exatidão e VA a potência.

Ex: 0,6C25

Representação ANSI:

X é a classe de exatidão e Z a impedância.

Para o TC do ex. anterior, com I2n=5A, P=Z.I2 -> Z=1Ω -> 0,6B1


H. ESPECIFICAÇÃO DE TCs





Proteção:

Maneira Antiga: ANSI e ABNT

A ANSI utilizava os seguintes termos:

Onde:

H – impedância secundária interna elevada (TC do tipo enrolado)

L – impedância secundária interna baixa (TC do tipo bucha ou janela)

X representa o máximo erro de relação especificado em porcentagem (valor 10 ou

2,5), V significa a máxima tensão terminal secundária.

O mesma é válido para a letra L.







Maneira atual: A NBR 6856/2009 modificou a especificação de TC´s de proteção.

É necessário indicar se o TC de proteção deve ser de classe A(alta impedância) ou B

(baixa impedância) e também a tensão secundária nominal







Polaridade: sentido das tensões induzidas no primário e secundário.


I. POLARIDADE E MARCAÇÃO DOS TERMINAIS DE TCs

As diversas normas internacionais

especificam que os TC’s devem ser

subtrativos e os terminais marcados como

mostrado na tabela a seguir.






I. POLARIDADE E MARCAÇÃO DOS TERMINAIS DE TCs





Procura-se aplicar a corrente primária I com um valor mais próximo possível dos

nominais do TC. Efetuadas as medidas calcula-se os erros.


J. RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO





Hífen (-): separar as correntes nominais

Dois pontos (:): exprimir as relações nominais

(X): separar as corrente primárias ou relações obtidas e enrolamentos cujas bobinas

devem ser ligadas em série ou paralelo

Barra (/): separar correntes primárias ou relações obtidas por meio de derivações.


J. REPRESENTAÇÃO DAS CORRENTES E RELAÇÕES DE TRANSFORMAÇÃO NOMINAIS DOS TCs






L. ORDEM DE GRANDEZA DAS PERDAS DA BOBINA DE CORRENTE






ESPECIFICAÇÃO DE TCs

. O cálculo de potência ê idêntico ao cálculo feito para o TP.

. Os condutores secundários devem entrar no cálculo de carga;

. Os TC's fornecem isolamento também;

. Tipos de TC´s: - Enrolamento: primário enrolado; - Barra: circ. primário é uma barra; - Janela; - Bucha; -

Núcleo dividido: alicate amperímetro.

. As cargas devem ser ligadas em série;

. I secundária (5A);

. I primária;

. Classe de exatidão;

. Carga nominal;

. Fator térmico - FT x In (Para atingir temperatura limite mantendo-se dentro da precisão) - 1,0; 1,2; 1,3;

1,5; 2,0

. Nível de Isolamento;

. Corrente térmica nominal → chegar à temperatura limite para determinada corrente em 1s;

. Corrente din. nominal → 2,5 x Ith para não destruir o TC, aplicação = 0,5 ciclo;

. Polaridade;

. Utilização e tipo (externo. interno/janela, bucha, etc.)

. Há TC's: - Vários núcleos; - Múltipla relação de transformação (vários primários); - Derivação no

secundário; - Mixtos.

. O aumento de carga se dá pelo aumento da impedância da carga secundária (analisar I2= constante).





Especificar um TC para medição de energia elétrica para faturamento a um consumidor energizado em 69

kV, cuja corrente na linha chegará em 80 A no 1º ano de operação, podendo atingir cerca de 160 A, no 2º

ano. Os instrumentos elétricos que serão empregados, abaixo indicados, ficarão a 25m do TC e serão

ligados ao 2º deste através de fio de cobre 2,5 mm2. O medidor de kWh com indicador de demanda

máxima tipo mecânico apresenta consumo de 1,4 W e 0,8 VAr. O medidor de kVArh, específico para

energia reativa, sem indicador de demanda máxima com consumo de 1,4 W e 0,8 VAr. O condutores

conduzindo 5 A apresentam um consumo de 6,6 W.

Especificar um TC para medição de energia elétrica e controle, sem finalidade de faturamento, sabendo

que a tensão entre fases do circuito é de 13,8 kV e que a corrente na linha chegará no máximo a 80 A. Os

instrumentos elétricos que serão empregados são:

Medidor de kWh com indicador de demanda máxima, consumo 1,4 W, e 0,8 VAr;

Medidor de kWh, sem indicador de demanda máxima, acoplado a um autotransformador de

defasamento, utilizado para medir kVArh, consumo 1,4 W, e 0,8 VAr;

Wattímetro com consumo de 0,7 W e 2,0 VAr;

Varmetro com consumo de 0,7 W, e 2,0 VAr;

Amperímetro com consumo de 1,5 W, e 0,7 VAr;

Fasímetro 2,5 W e 2,0 VAr.

Os instrumentos estão instalados a uma distância média de 25 m do TC, com condutor de 2,5 mm2.

EXERCÍCIOS





Obrigado pela atenção !!

FIM

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