B-1

Apêndice B TRANSFORMADOR DE CORRENTE PARA PROTEÇÃO

B.1 Introdução Os relés e medidores de grandezas elétricas, geralmente são conectados ao sistema de

potência através de transformadores de corrente (TCs) e/ou potencial (TPs). Dispositivos de acoplamento capacitivo, atuando como divisores de tensão (divisores capacitivos ou TPCs), e acopladores lineares, são também usados (TCs óticos).

Embora todos os TCs tenham o mesmo princípio de funcionamento, há de se considerar as características de projeto que diferenciam os TCs de proteção dos de medição. As diferenças básicas, são : • TCs de medição têm classe de exatidão 0,3 , 0,6 e 1,2 % , determinadas de acordo com os

paralelogramos de exatidão, onde são levados em conta os erros de relação e fase; • TCs de proteção têm classe de exatidão 10% , onde é levado em consideração somente o erro de

relação. De acordo com a ABNT, considera-se que um TC de proteção está dentro de sua classe de exatidão, em condições especificadas, quando o seu erro se mantém dentro dos 10% , para valores de corrente até 20 vezes a corrente nominal do mesmo ;

• Os núcleos dos TCs de medição são feitos de materiais de alta permeabilidade magnética

(pequena corrente de magnetização, consequentemente pequenas perdas e pequenos erros), entretanto entram em saturação rapidamente quando uma corrente no enrolamento primário atinge um valor próximo de 4 vezes corrente nominal primária ;

• Os núcleos dos TCs de proteção são feitos de materiais que não têm a mesma permeabilidade

magnética dos TCs de medição, no entanto só irão saturar para correntes primárias muito superiores ao seu valor nominal ( da ordem de 20 vezes), refletindo consequentemente em seu secundário uma corrente cerca de 20 vezes o valor nominal desta (Fig. 1).

4I1n 20I1n

4I2n

20I2n

Curva de Excitaçãode TC de Medição

Curva de Excitaçãode TC de Proteção

Corrente Primária (A)

Corrente Secundária (A)

Fig. 1 – Curvas de saturação de TCs de proteção e medição

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B.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: a) Corrente nominal e relação nominal; b) Classe de tensão de isolamento; c) Freqüência nominal; d) Carga nominal; e) Fator de sobrecorrente; f) Classe de exatidão; g) Fator térmico; h) Llimites de corrente de curta-duração para efeitos térmico e dinâmico. a) 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-paralelo e paralelo), indica-se assim:

150 x 300 x 600 /5 A. b) 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. c) Freqüência nominal : 50 e/ou 60 Hz. d) 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 está condicionada ao conhecimento da carga secundária do mesmo. Os catálogos dos fabricantes de relés e medidores fornecem as cargas que os mesmos solicitam aos TCs . e) 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

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exatidão (±10%), a valores de corrente bastante severos nos seus primários (correntes de curtos-circuitos). d) Classe de exatidão A classe de exatidão empregada, depende da aplicação (medição, controle e proteção): 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. 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. 2, 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.

Zc

Z2N2Z1

Zm

Im

I1

I2E

H1

H2

X1

X2

Vt2

I1'

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.

Fig. 2 – Circuito equivalente de um TC

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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).

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): ______ Fig. 3 – Curvas tensão secundária x corrente de excitação

Dependendo das características construtivas dos TCs , a reatância de dispersão do enrolamento secundário será maior ou menor. Na prática eles são ditos de baixa mpedância (classe B, segundo a ABNT, ou L, segundo a ASA) ou tipo bucha, e de alta impedância (classe A, segundo a ABNT, ou H segundo a ASA) ou de enrolamento concentrado.

Segundo a norma ASA, admitindo-se que o TC esteja suprindo 20 x In, sec , ele é classificado na base da máxima tensão eficaz que pode manter em seus terminais secundários, sem exceder o erro especificado de 10%. Assim, a ASA padroniza os TCs com as seguintes tensões secundárias nominais: 10, 20, 50, 100, 200, 400 e 800 V, que correspondem às impedâncias: 0,1, 0,2, 0,5, 1,0, 2,0, 4 e 8 Ω , respectivamente.

Por, exemplo: ZV

In

n

=×

=×

=,sec

,sec

,20

1020 5

0 1Ω

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Para fixação do conceito carga nominal, considere-se o exemplo abaixo:

Seja um TC com os seguintes dados de placa: B10 F20 C100. Significa que tem: baixa impedância; erro máximo de 10% ; fator de sobrecorrente 20 (20 x In,prim ); potência nominal 100 VA .

Segundo a ASA , este TC tem a seguinte designação: 10L400

Impedância de carga nominal ( Zn ):

ZS

IZ FS I Vn

n

nn n= = = = × × = × × =2

10025

4 4 20 5 400,sec

,secΩ Vsec

Isto implica que apresenta um erro máximo de 10% , se a queda de tensão máxima no seu

secundário for 400V.

Por exemplo, se no secundário do TC estiver ligado uma carga Zc = 8Ω , a corrente limite secundária, que o TC ainda mantém a sua classe de exatidão (10%) , será:

IV

ZAn

clim,sec

,sec= = =4008

50

Se o TC 10L400 , possuir , por exemplo, duas relações: 50 x 100/5, a queda de tensão

nominal secundária (400V) ou carga nominal (4Ω), são dadas , geralmente para a maior relação. Para a menor relação, a tensão nominal secundária é dada por:

V VI

In n maior reln prim menor rel.

n prim maior rel.,sec ,sec, .

, (

, ( para rel. menor

)

)

= × = 400 x (50 / 100) = 200V

Em resumo, deve-se especificar a tensão secundária máxima (ES, MAX) , a partir da qual o TC passa a sofrer os efeitos da saturação, deixando de apresentar a exatidão de sua classe. Ou seja : ES, MAX = I2 x (ZC + Z2 + ZCOND) = I2 x ZT Onde: ZC = Impedância de carga (medidores, relés, etc) ; Z2 = Impedância do enrolamento secundário e ZCOND = Impedância dos cabos de ligação, que vão dos terminais secundários do TC aos bornes dos equipamento(s).

Em geral, para especificar, de forma segura, o ponto-de-joelho mínimo (PJ MIN ) de um TC, para fugir da saturação da componente contínua (componente exponencial da corrente de curto-circuito), toma-se um fator de segurança de 100% sobre o cálculo (FS x In,sec.x ZT) . Ou seja : PJ MIN = 2 x FS x In, sec x ZT g) Fator térmico nominal (FT)

É o valor numérico que deve-se multiplicar a corrente primária nominal de um TC, para se obter a corrente primária máxima, que poderá suportar, em regime permanente, operando em

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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. h) 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. i) Limite de corrente de curta-duração para efeito dinâmico

É o maior valor eficaz de corrente primária assimétrica 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.

B.3 Tipos construtivos

São classificados de acordo com o modelo do enrolamento primário, já que o enrolamento secundário é constituído por uma bobina com derivações (taps) ou múltiplas bobinas ligadas em série e/ou paralelo, para se obter diferentes relações de transformação.

Quanto aos tipos construtivos, os TCs mais comuns, são: • Tipo primário enrolado

Este tipo é usado quando são requeridas relações de transformações inferiores a 200/5. Possui isolação limitada e portanto, se aplica em circuitos até 15kV. • Tipo bucha Consiste de um núcleo em forma de anel (núcleo toroidal), com enrolamentos secundários. O núcleo fica situado ao redor de uma “bucha” de isolamento, através da qual passa um condutor, que substituirá o enrolamento primário. Este tipo de TC, é comumente encontrado no interior das “buchas” de disjuntores, transformadores, religadores, etc.. • Tipo janela Tem construção similar ao tipo bucha, sendo que o meio isolante entre o primário e o secundário é o ar. O enrolamento primário é o próprio condutor do circuito, que passa por dentro da janela.

B.4 Fenômeno da saturação

Quando um TC satura, surgem dois problemas :

• Erro elevado (superior a classe de exatidão); • Distorção da forma de onda da corrente secundária .

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A saturação em TCs pode ser de dois tipos:

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 . 2) Saturação por corrente DC

Ocorre pela componente DC da corrente primária (componente exponencial), comumente presente no 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 sobrepõe, resultando em um valor muito elevado que provocará a saturação do TC.

B.5 Ligações delta e estrela

Os TCs são monofásicos e suas conexões mais usuais são em estrela (Fig.4) ou delta (Fig.5). Para a adequada conexão de TCs , é indispensàvel a identificação correta das polaridades dos mesmos.

A

B

C

IA

IB

IC

3I 0

iAiBiC

Z c AZ c BZ c C

Zcn

Fig.4 – Conexão em estrela aterrada

Na ligação estrela, em condições normais de cargas balanceadas, apenas deverão existir correntes de fase, porém na presença de desbalanços, a corrente residual (ires = iA + iB + iC), existirá e corresponderá a 3I0 (Fig.4 ), desde que haja caminho para ela circular no sistema primário.

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A

B

C

IA

IB

IC

3I0

iA

iB

iC

iC iA-iBiA - iCiB -

ZcAB ZcBC ZcCA Zcn

Fig.5 – Conexão em delta

A ligação delta é utilizada, quando se requer correntes compostas ou a eliminação da

corrente de sequência zero (I0). Quando adicionalmente for necessário a detecção de I0 , utiliza-se um TC tipo janela, que alimentará unicamente o circuito de neutro (Fig. 5).

B.6 Comportamento em regime permanente

O desempenho de um TC é avaliado pela maior tensão secundária que pode ser desenvolvida sem ocorrer saturação. Um método bastante utilizado para dimensionamento da carga secundária de um TC , para evitar saturação, está dado a seguir.

Este método se baseia na comparação entre o valor da impedância nominal do TC com a impedância total de carga ligada ao seu secundário. Se superar a impedância nominal, então o erro irá além da sua classe de exatidão.

Nos TCs de múltiplas relações, é importante se conhecer a relação que ele está ligado para

se aplicar a fórmula: V VI

In n maior reln prim menor rel.

n prim maior rel.,sec ,sec, .

, (

, ( para rel. menor

)

)

= ×

Exemplo: A máxima corrente de defeito no local de instalação de um TC de proteção é 20kA. O TC tem as seguintes características : 10L200 ; 1000 x 800/5 . Está sendo utilizado na relação 800/5 . A carga secundária total é 1,8Ω . Pergunta-se, o erro excederá 10% ? E se o TC estiver ligado na relação 200:1 ? Resolução:

A carga nominal do TC para a relação 800/5 (160:1) , é : Zn = × =( / ),

800 1000 200100

1 6Ω

Como a carga secundária é de 1,8Ω , portanto, superior à carga permissível da relação (160:1), então o erro excederá 10%. Haverá saturação. Com o TC ligado na relação 200:1 (1000/5) , a sua carga nominal é 2Ω , portanto superior a 1,8Ω , o que implica em um erro inferior a 10% . Não haverá saturação.

TC tipo janela