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UNIVERSIDADE FEDERAL DO PARANÁ
Luis Eduardo Camilotti
RESPOSTA EM FREQUÊNCIA DE TRANSFORMADORES DE POTENCIAL E
SUAS IMPLICAÇÕES PARA O SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA
Curitiba
2017
Luis Eduardo Camilotti
RESPOSTA EM FREQUÊNCIA DE TRANSFORMADORES DE POTENCIAL E
SUAS IMPLICAÇÕES PARA O SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA
Trabalho de conclusão de curso de graduação
apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal do Paraná como requisito à
obtenção do grau de Engenheiro.
Orientador: Prof. M.Sc. Mateus Duarte Teixeira
Curitiba
2017
TERMO DE APROVAÇÃO
Luis Eduardo Camilotti
RESPOSTA EM FREQUÊNCIA DE TRANSFORMADORES DE POTENCIAL E
SUAS IMPLICAÇÕES PARA O SISTEMA ELÉTRICO DE POTÊNCIA
Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso de Engenharia Elétrica da
Universidade Federal do Paraná como requisito à obtenção do grau Engenheiro Eletricista,
pela seguinte banca examinadora:
__________________________________________
Orientador: Prof. M.Sc. Mateus Duarte Teixeira
Departamento de Engenharia Elétrica, UFPR
__________________________________________
Prof. Dr. Rogers Demonti
Departamento de Engenharia Elétrica, UFPR
__________________________________________
Prof. Dr. Roman Kuiava
Departamento de Engenharia Elétrica, UFPR
Curitiba, 27 de junho de 2017
AGRADECIMENTOS
O mais profundo agradecimento aos meus pais e familiares por todo o suporte
oferecido em todos os momentos da minha formação, sempre acreditando em meu sucesso e
apoiando meu caminho.
À minha irmã, Isabela, por ser um exemplo de dedicação.
À minha namorada, Nicolle, por sua paciência nos momentos mais difíceis, pela
motivação em todos eles, pela confiança e amor.
Ao meu orientador, Professor M.Sc. Mateus Duarte Teixeira, por todo o apoio
oferecido durante a execução do trabalho e numerosos conselhos.
Aos meus amigos que estiveram presentes em toda a trajetória da graduação, pelas
inesquecíveis memórias.
Aos profissionais do LACTEC, pelo suporte na realização dos ensaios.
Aos professores do curso de Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Paraná
pelos conhecimentos transmitidos e crescimento pessoal que possibilitaram.
RESUMO
Com a perspectiva de constante crescimento do setor de geração de energia eólica e solar
fotovoltaica no Brasil, um número cada vez maior de componentes que causam a injeção de
componentes harmônicas nos sinais de tensão e corrente elétricas será instalado no sistema
energético nacional. Esse fato torna-se de grande importância para operadores, reguladores e
consumidores da rede elétrica devido à queda de qualidade de energia que a presença de sinais
harmônicos causa. Tendo em vista que os transformadores de potencial utilizados para
medições em parques eólicos não possuem uma boa resposta em todo o espectro de
frequência, a medição da tensão elétrica e suas componentes harmônicas nos pontos de
conexão destes componentes pode ser prejudicada por esses equipamentos, uma vez que o
controle das distorções harmônicas, dependente da medição, pode ser comprometido. Desta
forma, este trabalho apresenta dados a respeito da resposta em frequência de transdutores de
tensão de certas classes de operação, com o objetivo de avaliar o seu comportamento em uma
ampla faixa de frequência, apontando se estes dispositivos são ou não adequados para a
medição de harmônicos nos sinais elétricos de tensão. Avaliando diferentes metodologias para
levantamento de resposta em frequência, este trabalho apresenta os passos que podem ser
seguidos para o estudo de transformadores de potencial (TP) e demais transdutores para
conhecer seu comportamento em frequências acima da nominal de rede. Os resultados dos
estudos mostram que TPs usualmente utilizados para medições em campo de tensão não
respondem adequadamente a partir de certa frequência, dependendo tanto de características do
equipamento quanto das condições no local de medição. A partir desses dados, as conclusões
apontam que cada TP possui uma resposta em frequência particular à sua classe de operação,
sendo possível conhecer os equipamentos utilizados para medição de tensão elétrica de forma
a corrigir de sua resposta em frequência com filtros que linearizem sua resposta em
frequência.
Palavras-chave: resposta em frequência, transformadores de potencial, componentes
harmônicas, parques eólicos.
ABSTRACT
With the perspective of growth on the wind power generation and solar photovoltaic energy in
Brazil, a higher number of components that are responsible for the injection of harmonic
components on the electric voltage and current will be installed on the national power system.
This fact becomes of importance to network operators, regulators and consumers due to the
drop on the power quality that results of the presence of harmonic components. Since voltage
transformers used to measure voltage on power generators installations do not maintain a
constant response throughout the frequency spectrum, the measurement of electrical voltage
and its harmonic components at the connection point of these components may be influenced
by those equipment, knowing that the control of harmonic distortion, dependent of the
measurement, may be compromised. In this paper will be presented data regarding the
frequency response of voltage transducers for certain operation classes, with the objective to
evaluate your behavior on a large frequency spectrum, pointing weather these devices are
adequate or not for the measurement of harmonic on the voltage signals. By comparing
different methodologies of frequency response determination, this paper presents the steps to
be followed to determine voltage transformers frequency response (VT) and other voltage
transducers to know their behavior operating on higher than nominal network frequency. The
results show that VTs usually utilized to measure voltage on power stations do not respond
properly up to a certain frequency range, which depends on both equipment construction
characteristics and conditions on measurement site. From this data, the conclusions point that
each VT has a specific frequency response related to its operation class, being possible to
know the equipment utilized for electrical voltage in order to turn its frequency response
linear with filters.
Keywords: frequency response, voltage transformer, harmonic components, wind power.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Curva de capacidade instalada eólica no Brasil. ................................................... 16
Figura 2 - Espectro de tensão harmônica em um mesmo barramento medido por diferentes
TPs em subestação de 330kV. .............................................................................................. 18
Figura 3 – Comportamento da Resposta em frequência de TPs de diversas tecnologias.
............................................................................................................................................ 19
Figura 4 - Representação de um TP. ..................................................................................... 24
Figura 5 - Circuito Equivalente de TPI. ................................................................................ 25
Figura 6 - TP grupo 1, 15kV, isolação à óleo mineral. .......................................................... 25
Figura 7 - Representação TP grupos 2 e 3. ........................................................................... 26
Figura 8 - TP indutivo composto por duas partes acopladas. ................................................. 27
Figura 9 - Modelo de TP capacitivo. .................................................................................... 28
Figura 10 - Modelo Básico de um TPC. ............................................................................... 29
Figura 11- Circuito equivalente de um TPC. ........................................................................ 29
Figura 12 - Gráfico de classes de exatidão de TPs. ............................................................... 31
Figura 13 - Curva de erro de relação de transformação. ........................................................ 32
Figura 14 - Curva de erro de ângulo de fase ......................................................................... 33
Figura 15 - Amplitude de tensões medidas Upri e Usec e a relação de transformação resultante
normalizada nr(f). ................................................................................................................ 35
Figura 16 - Resposta em frequência de distintos TPI de polo único com diferentes tensões
primárias nominais. .............................................................................................................. 35
Figura 17 - Influência de diferentes cargas resistivas na resposta em frequência de TPI 20kV
de polo único. ...................................................................................................................... 36
Figura 18 - Resposta em frequência de um TPC com variação da resistência de supressão de
ferroressonância para a) Magnitude do sinal; e b) Diferença angular ................................. 37
Figura 19 – Resposta em frequência de um TPC com a variação da capacitância para a)
Amplitude do sinal; e b) Diferença angular do sinal
............................................................................................................................................ 38
Figura 20 - Três unidades de alta tensão de divisor de potencial capacitivo. ......................... 39
Figura 21 - Unidade de baixa tensão de divisor capacitivo.................................................... 39
Figura 22 - Sistema de medição de resposta em frequência utilizando DPC. ......................... 40
Figura 23 – Primeiras componentes harmônicas ímpares da frequência fundamental (60 Hz).
............................................................................................................................................ 41
Figura 24 - Esquema de medição utilizado por Klatt, Meyer e Elst. (2010), incluindo
esquemático para alta tensão (incluindo parte destacada). ..................................................... 45
Figura 25 - Esquemático experimental utilizado por Lei et al. – 2016 ................................... 46
Figura 26 - Esquema funcional do experimento para determinar características de frequência
de TPs de alta tensão. ........................................................................................................... 47
Figura 27 - Sistema de medição universal utilizada por Buchhagen (2013). .......................... 48
Figura 28 - Representação do sistema de medição de transientes proposto por Buchhagen
(2013). ................................................................................................................................. 49
Figura 29 - Equipamento FRANEO 800. .............................................................................. 51
Figura 30 - Equipamento FRA 5310.. ................................................................................... 52
Figura 31 - Equipamento M5400. ......................................................................................... 52
Figura 32 - Esquemático de montagem para ensaio de resposta em frequência. .................... 54
Figura 33 - Montagem do ensaio de resposta em frequência. ................................................ 54
Figura 34 - Tela de Controle do Software de SFRA do Instituto LACTEC. .......................... 56
Figura 35 - Tela de resultado de impedândia em função da frequência. ................................ 57
Figura 36 - Montagem experimento de levantamento de resposta em frequência - TP 15 kV
Indutivo. .............................................................................................................................. 59
Figura 37 - Resposta em frequência para o módulo da tensão - TP 15kV indutivo. ............... 59
Figura 38 - Resposta em frequência de TPI 15kV até 8 kHz. ................................................ 60
Figura 39 - Comparação resposta em frequência de dois TPIs 15kV da fabricante Balteau. .. 61
Figura 40 - Montagem segundo ensaio com TPI 15kV. ........................................................ 62
Figura 41 - Montagem de ensaio em TPI 15kV com amplificador na tensão primária. .......... 63
Figura 42- Resposta em frequência comparativa de TPI 15kV com e sem a utilização de
amplificador para a tensão primária. ..................................................................................... 63
Figura 43 - Montagem ensaio de resposta em frequência TPI 15kV Megavolt S/A. .............. 64
Figura 44 - Resposta em frequência TPI 15kV Megavolt S/A. .............................................. 65
Figura 45 - Comparativo de resposta em frequência de TPIs 15kV de diferentes fabricantes. 66
Figura 46 - Montagem laboratorial de ensaio para levantamento de resposta em frequência de
DPC 38kV. .......................................................................................................................... 67
Figura 47 - Resultados de ensaio de resposta em frequência com a aplicação de 5Vpp em um
DPC 38kV. .......................................................................................................................... 67
Figura 48 - Resultados de ensaio de resposta em frequência com a aplicação de 15Vpp em um
DPC 38kV. .......................................................................................................................... 68
Figura 49 - Montagem de ensaio para estudo de TPC 230kV. ............................................... 69
Figura 50 - Injeção de sinal no primário do TPC 230kV. ...................................................... 70
Figura 51 - Terminais de conexão para TPI 150kV. .............................................................. 71
Figura 52 - TPI 150 kV. ....................................................................................................... 71
Figura 53 - Resposta em frequência TPI 150kV. .................................................................. 72
Figura 54 - Resposta em frequência de TPI 150kV até 1 kHz. .............................................. 73
Figura 55 - Comparação entre TPs e DPC em estudo............................................................ 73
LISTA DE TABELAS
TABELA 1 – Indicadores e correspondentes abreviaturas para harmônicos......................... 42
TABELA 2 – Limites globais de distorção de tensão em relação à tensão nominal.
.................................................................................................................................................. 43
TABELA 3 – Utilização de diferentes transdutores de tensão na medição de qualidade de
energia...................................................................................................................................... 44
LISTA DE SIGLAS
ADC - Conversor analógico para digital
C - Capacitância
CCAT - Corrente Contínua em Alta Tensão
CEPEL - Centro de Pesquisas de Energia Elétrica
CSR - Circuito de Supressão de Ferro-ressonância
DAQ - Placa de Aquisição de Dados
DPC - Divisor de Potencial Capacitivo
DPCR - Transformador de Potencial Capacitivo-Resistivo
DTHT - Distorção Harmônica Total de Tensão
𝜀𝑝 - Erro percentual entre tensão primária e secundária de TP
FCR - Fator de Correlação de Relação
GW - Gigawatts
GPIB - General Purpose Interface Bus
HVDC - High-Voltage Direct Current (Corrente Contínua em Alta Tensão)
HV - High Voltage (Alta tensão)
Hz - Hertz
H1, H2 - Terminais 1 e 2 de Enrolamento Primário de TPI
LACTEC - Instituto de Tecnologia para o Desenvolvimento
LV - Low Voltage (Baixa tensão)
MV - Medium Voltage (Média tensão)
nr(f) - Relação de Transformação Normalizada em função da frequência
ONS - Operador Nacional do Sistema Elétrico
PC - Personal Computer
R - Resistência
RTP - Relação de Transformação de Potencial nominal
𝑅𝑇𝑃𝑟 - Relação de Transformação de Potencial real
SFRA - Sweep Frequency Response Analysis
SG - Signal Generator (Gerador de Sinais)
TCB - Taps Capacitivos de Buchas de Transformadores de Potência
THD - Distorção Harmônica Total
TP - Transformador de Potencial
TPC - Transformador de Potencial Capacitivo
TPI - Transformador de Potencial Indutivo
TUT - Transformer Under Test (Transformador em Teste)
Upri - Tensão Elétrica no terminal Primário
Usec - Tensão Elétrica no terminal Secundário
V - Tensão Elétrica
𝑣𝑛 - Tensão fundamental em Volts de sinal com componentes harmônicas
𝑉𝑛 - Tensão de componente harmônica em % da tensão fundamental
𝑣𝑛 - Tensão de componente harmônica em Volts
𝑉𝑝 - Tensão Elétrica no terminal Primário
𝑉𝑝𝑝 - Tensão Pico a Pico
𝑉𝑟𝑚𝑠 - Tensão Eficaz
𝑉𝑠 - Tensão Elétrica no terminal Secundário
X1, X2 - Terminais 1 e 2 de Enrolamento Secundário de TPI
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ........................................................................................................ 15
1.1 OBJETIVO ............................................................................................................... 20
1.1.1 Objetivos gerais ......................................................................................................... 20
1.1.2 Objetivos específicos ................................................................................................. 20
1.2 JUSTIFICATIVA ...................................................................................................... 21
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO ............................................................................... 21
2 TRANSDUTORES DE TENSÃO E CONCEITOS BÁSICOS .................................. 23
2.1. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL .............................................................. 23
2.1.1 Características construtivas........................................................................................ 23
2.1.2 Características elétricas ............................................................................................. 30
2.1.3 Resposta em frequência de TPs ................................................................................. 33
2.2 DIVISORES CAPACITIVOS ................................................................................... 38
2.3 DISTORÇÕES HARMÔNICAS DE TENSÃO ......................................................... 41
2.3.1 Definições e limites pertinentes à medição de harmônicos de tensão .......................... 42
2.3.2 Recomendações normativas para realização de medições de harmônicos ................... 43
3 METODOLOGIAS PARA DETERMINAÇÃO DA RESPOSTA EM FREQUÊNCIA
DE TPS ................................................................................................................................ 45
3.1 METODOLOGIAS PARA ENSAIO LABORATORIAL .......................................... 45
3.2 EQUIPAMENTOS DE LEVANTAMENTO DE RF DISPONÍVEIS NO MERCADO
............................................................................................................................................ 50
4 MATERIAIS E MÉTODOS ...................................................................................... 53
4.1 ENSAIOS DE RESPOSTA EM FREQUÊNCIA ....................................................... 53
4.2 SFRA ........................................................................................................................ 55
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES ............................................................................. 58
5.1 ENSAIOS DE RESPOSTA EM FREQUÊNCIA ....................................................... 58
5.1.1 Transformadores de Potencial Indutivo 15 kV ........................................................... 58
5.1.2 Divisor de Potencial Capacitivo – 38kV .................................................................... 66
5.1.3 Transformador de Potencial Capacitivo – 230kV ....................................................... 68
5.1.4 Transformador de Potencial Indutivo – 150kV........................................................... 70
6 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ......................... 75
6.1 CONCLUSÕES......................................................................................................... 75
6.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS ...................................................... 76
REFERÊNCIAS ........................................................................................................ 77
15
1 INTRODUÇÃO
No ano de 2016, o Brasil passou a ter uma capacidade instalada de geração de 10
gigawatts em aproximadamente 400 parques eólicos distribuídos ao redor do país, com mais
de 5,2 mil geradores instalados (AGÊNCIA BRASIL, 2016a, 2016b). Com capacidade para
abastecer toda a população do sul do país durante um mês inteiro, e gerando mais de 40 mil
vagas de trabalho, o setor de energia eólica vem mantendo ritmo constante de crescimento, e
tomando cada vez mais espaço no mercado energético nacional. Essas informações,
divulgadas pelo encontro anual 7o Wind Power 2016, corroboram com a expectativa do
governo, que consta no Plano Decenal de Expansão de Energia, de que o setor alcance os 24
GW até o ano de 2024, correspondendo, então, à 11.5% do total de energia gerada no país
(AGÊNCIA BRASIL, 2016a, 2016b).
Além do setor eólico, a geração de energia solar também vem mantendo um forte
ritmo de crescimento, tendo crescido 70% na sua capacidade de geração desde 2015 (O
GLOBO, 2017). Em oposição ao forte crescimento do setor, o governo federal cancelou o
leilão de energia que seria realizado em 19 de dezembro de 2016, estando incluso nele
projetos de energia solar. De acordo com o presidente da Associação Brasileira de Energia
Solar (Absolar), Rodrigo Sauaia, caso o leilão tivesse ocorrido, pelo menos 1,5 GW em
projetos de energia solar, representando um investimento de R$ 9 bilhões até o ano de 2019,
poderiam ter sido contratados.
De acordo com dados divulgados pelo jornal “O Globo”, 2017, a Empresa de Pesquisa
Energética realizou projeções para o setor energético solar nacional, indicando que a potência
instalada pode alcançar níveis de até 25GW em 2030, representando um investimento de 125
bilhões de reais. Isso representaria um salto na participação da energia solar na matriz
energética de 0,02% em 2015 para mais de 10% em 2030 (O Globo, 2017). Destes 25 GW,
8,2 GW seriam de geração distribuída, instaladas em casas, edifícios comerciais e públicos,
condomínios, dentre outros, enquanto os demais 17GW seriam de geração centralizada em
usinas de grande porte.
16
Figura 1 - Curva de capacidade instalada eólica no Brasil. (Fonte: ABEEÓLICA, 2017)
Com o crescimento e investimento no setor eólico, descrito pela figura 1
(ABEEÓLICA, 2017), um número cada vez maior de parques e sistemas geradores serão
conectados à rede do sistema elétrico de potência nos próximos anos. A presença nestas
instalações de equipamentos como inversores de frequência, capazes de causar distúrbios
harmônicos na rede elétrica, torna-se uma preocupação cada vez maior para operadores da
rede, agências reguladoras e também para o consumidor. Não só gerados por equipamentos
nas usinas eólicas, os distúrbios harmônicos podem, de acordo com Rodrigues (2009),
representar uma queda na qualidade de energia fornecida aos consumidores, além de
prejudicar a medição de grandezas elétricas como tensão e corrente e afetar o desempenho de
dispositivos de sistemas de distribuição (dispositivos de proteção e manobra, bancos de
capacitores, etc).
Vitais na rede de proteção do sistema elétrico, equipamentos utilizados para a
transdução de sinais de tensão elétrica como TPs sofrem influência direta dos distúrbios
causados pelos inversores e demais equipamentos que geram distorções harmônicas na
corrente e tensão nos pontos de medição, uma vez que, segundo apontado por Zhao et al.
(2014), transformadores de potencial instrumentais são usualmente desenvolvidos para
sistemas de proteção e medição em frequência nominal (60Hz no Brasil). Normas
17
internacionais como a IEC61000-4-30 definem requisitos de precisão para equipamentos de
medição de qualidade de energia, excluindo explicitamente a precisão dos transformadores
instrumentais, enquanto a EM 60044-2 define valores padrões apenas para medições de TPs
na frequência nominal da rede (LEI et al., 2016). Por esses motivos, é de total interesse
conhecer as características de resposta em frequência de transformadores de potencial e seus
impactos para estudos de conexões de sistemas de geração e cargas perturbadoras da forma de
onda de tensão.
Para TPs indutivos, o custo de construção, design e complexidade para instrumentos
de alta tensão são muito elevados, com níveis de isolamento para tensões acima de 138kV,
tornando esse tipo de transformador inviável economicamente para medições em sistemas
com tensões superiores à 230kV (ANNABATULLA et al., 2014). Por outro lado, TPs
capacitivos, mais baratos, tornam-se uma opção economicamente mais viável, sendo, assim,
amplamente utilizados para realização de medições na rede básica (acima de 230kV),
especialmente em conexões de parques eólicos, usinas geradoras, subestações de grandes
industrias, dentre outras instalações elétricas. A desvantagem desse tipo de TP está na sua
resposta em frequência, com maior distorção do sinal do que a dos indutivos.
Pesquisas realizadas por Klatt, Meyer e Elst (2010) especificamente para analisar a
resposta em frequência de TPs de classe de MV em níveis que alcançam frequências da ordem
de kHz avaliam se esses equipamentos mantém um comportamento adequado para suas
classes construtivas para frequências de sinal acima da nominal do sistema elétrico. De acordo
com os autores, várias características afetam no comportamento do TP para níveis mais altos
de frequência e tensão, tornando seu comportamento não linear, refletindo diretamente na
qualidade da medição.
O artigo citado aponta ainda como principais fatores, mas não os únicos, que
influenciam a resposta em frequência de TPs indutivos os seguintes aspectos: influências
construtivas, influências de condições de operação e influências da metodologia de medição.
Os resultados obtidos por Klatt, Meyer e Elst (2010) descrevem a influência de alguns
desses fatores na resposta em frequência de TPs indutivos em variados níveis de tensão.
Podem ser listados como principais perturbadores da resposta em frequência: a direção de
alimentação do sinal de teste, a tensão primária e características construtivas como material
do núcleo, diâmetro do cobre e número de espiras. Outro fator interessante apontado pelos
autores é de que a temperatura também tem influência sobre o comportamento em frequência
18
do TP, indicando que, mesmo que o fabricante forneça gráficos de resposta em frequência do
equipamento, dificilmente poderá ser reproduzido em campo devido às variações nas
condições ambientes onde o equipamento é implementado.
Para exemplificar esses dados, resultados obtidos por Meyer et al. (2016) mostram
diferenças significativas na leitura de componentes harmônicas para TPs da mesma classe de
operação em um barramento de uma subestação de 330kV próxima a um conversor HVDC
(figura 2).
Outro trabalho realizado na área por Stiegler et al. (2011) avança no estudo iniciado
pelos pesquisadores alemães (KLATT, M; MEYER, J.; ELST, 2010) e busca determinar a
resposta em frequência de TP com ordens mais elevadas de tensão primária, até 220kV, e de
diferentes tipos construtivos (isolados a óleo indutivos e capacitivos, isolados a gás indutivo e
encapsulado). Seus autores seguem a mesma linha de metodologia discutidas por Klatt, Meyer
e Elst (2010), obtendo resultados interessantes para a resposta em frequência e diferença
angular para níveis de 66kV, 110kV e 220kV.
Figura 2 - Espectro de tensão harmônica em um mesmo barramento medido por diferentes TPs em
subestação de 330kV. (FONTE: Meyer et al., 2016)
19
As principais descobertas do artigo apontam que valores críticos de frequência para
que sejam mantidos valores mínimos de precisão diminuem com o aumento da tensão do
sistema, e que essa frequência crítica varia amplamente ainda em TPs de mesmo nível de
tensão devido às diferenças construtivas e de design.
Relevantes ainda para este trabalho são descobertas mais específicas sobre tipos de
TPs que o artigo apresenta: TPs capacitivos mantém a garantia de sua precisão para faixas
muito pequenas de frequência perto da nominal, não sendo adequados para medições de sinais
com componentes harmônicas em casos padrões; não existem diferenças significativas entre
TPs indutivos entre os níveis de 110kV e 220kV, sendo ambos apropriados para medições de
até 500Hz (STIEGLER et al., 2011). Estes dados podem ser vistos em resultados apresentados
por Kunde et al. (2012), mostrado na figura 3.
Figura 3 – Comportamento da Resposta em frequência de TPs de diversas tecnologias.
(FONTE: Kunde et al., 2012)
Tendo em vista que a necessidade de conhecer a resposta em frequência de
instrumentos como TPs internacionais é de extrema importância para a garantia da qualidade
de energia de qualquer sistema elétrico, o trabalho aqui apresentado tem o objetivo de avaliar
transformadores de potencial usualmente utilizados no sistema elétrico brasileiro, de modo a
20
fornecer informações relevantes sobre a resposta em frequência desses equipamentos. Com
isso, operadores do sistema elétrico e agências reguladoras seriam capazes de tomar medidas
preventivas e corretivas quando as condições das instalações possam influenciar a operação
dos instrumentos de medição.
1.1 OBJETIVO
1.1.1 Objetivos gerais
O trabalho de conclusão de graduação tem como objetivo geral a determinação da
resposta em frequência de alguns TPs de diversas classes de operação na presença de
componentes harmônicas no sinal medido, bem como comparar sua resposta à sinais
distorcidos com a de divisores capacitivos. O sinal que será utilizado como fonte de dados
para as medições será proveniente de medições realizadas em parques eólicos.
Para atingir este objetivo, serão realizados experimentos de medição da tensão no TP,
resultante de uma varredura da frequência até o nível de 1 MHz, e experimentos de medição
em TP capacitivos com o objetivo de obter valores comparativos para os TPs em teste.
1.1.2 Objetivos específicos
Como objetivos específicos do trabalho, podem ser listados:
Fazer levantamento Bibliográfico do material de estudo;
Realizar estudo sobre tecnologias de TPs;
Realizar a montagem laboratorial dos experimentos propostos;
Gerar gráficos de resposta em frequência e gráficos comparativos de valores
para os TPs em teste;
Análise dos dados obtidos para desenvolvimento de conclusões;
Escrever trabalho final com resultados e conclusões;
21
1.2 JUSTIFICATIVA
O motivo que levou à escolha desse tema para estudo é o papel cada vez mais
importante que a energia eólica representa no cenário energético brasileiro. Será de vital
importância para a operação dos novos parques eólicos que todos os seus equipamentos sejam
escolhidos de acordo com as necessidades das instalações, e que estejam preparados para as
condições de operação a que serão submetidos.
Da mesma forma, operadores e agências reguladoras do sistema elétrico deverão ter
plena confiança e conhecimento do modo de operação de seus dispositivos para que, se
necessário, medidas corretivas sejam tomadas para preservar o sistema elétrico brasileiro
como um todo.
Portanto, o objetivo deste projeto é iniciar o estudo a respeito da resposta em frequência
de TPs, auxiliando assim que novas pesquisas possam ser iniciadas com o objetivo de tornar o
sistema elétrico de potência brasileiro cada vez mais preparado para novas instalações,
mantendo sempre a qualidade de energia entregue para os consumidores. Para atingir esse
objetivo, diversos artigos publicados forneceram pontos de partida vitais para o
desenvolvimento deste trabalho.
1.3 ESTRUTURA DO TRABALHO
Este trabalho será subdividido em capítulos, possuindo mais cinco além da Introdução:
Transdutores de Tensão e Conceitos básicos; Metodologias para Determinação da Resposta
em Frequência de TPs; Materiais e Métodos; Resultados e Discussões; e Conclusões e
Sugestões para Trabalhos Futuros.
No capítulo 2 serão apresentados os transformadores de potencial, suas características
construtivas, elétricas e de resposta em frequência, bem como métodos para determinação
dessa resposta. Serão descritos também divisores capacitivos, e princípios básicos e normas a
respeito de distorções harmônicas de tensão.
22
O Capítulo 3 apresenta diversas metodologias utilizadas em estudos internacionais
para levantamento de resposta em frequência de TPs, ou demais transdutores de tensão, com
esquemáticos de ensaio, além de normas nacionais para realização destes experimentos.
Já o Capítulo 4 aborda a metodologia utilizada neste trabalho, apresentando os
métodos de ensaio utilizados para levantamento de resposta em frequência e softwares
utilizados.
Em seguida, o capítulo 5 abordará os resultados obtidos a partir dos ensaios realizados,
comparando os diferentes equipamentos utilizados em teste e suas classes de operação e,
finalmente, o capítulo 6 apresentará as conclusões obtidas a partir desses dados, e quais as
sugestões para continuidade desse estudo.
23
2 TRANSDUTORES DE TENSÃO E CONCEITOS BÁSICOS
2.1. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL
Seguindo a definição de João Mamede Filho, em seu livro “Manual de Equipamentos
Elétricos” (2005), transformadores de potencial são equipamentos que possibilitam que
instrumentos de proteção e medição atuem na rede em que estão ligados sem a necessidade de
possuir a mesma tensão de isolamento que ela. Podem possuir diferentes características
construtivas, sendo o mais simples composto apenas por um enrolamento primário com
muitas espiras e um enrolamento secundário no qual se obtém a tensão desejada –
normalmente padronizada em 115V. Alguns pré-requisitos existem para o funcionamento dos
TPs:
O secundário deve ser isolado galvanicamente do primário, proporcionando
segurança aos operadores e instrumentos ligados ao TP;
O sinal fornecido pelo TP deve se adequar aos níveis de tensão aceitos pelos
instrumentos que serão ligados à ele, como relés, medidores de energia, de
tensão, corrente, etc. (MAMEDE FILHO, 2005).
2.1.1 Características construtivas
A principal informação para determinação do modelo construtivo de um TP está no
grupo de ligação requerido para operação, definindo tensões primárias e secundárias e tipo de
instalação. O enrolamento primário é formado por uma bobina com várias camadas de fio
esmaltado enrolado em torno de um núcleo ferromagnético, o qual também contém o
enrolamento secundário. Este, por sua vez, é composto de fio de cobre duplamente esmaltado,
além de isolado do núcleo e do primário por meio de fitas de papel especial (MAMEDE
FILHO, 2005).
Segundo o autor, os TPs possuem duas formas construtivas básicas, utilizadas
usualmente em distintos níveis de operação: TP indutivos – utilizados em equipamentos de
até 138kV –, e capacitivos – utilizados para níveis de tensão acima de 138kV, ou em sistemas
com necessidade de comunicação.
24
2.1.1.1 Transformadores de Potencial Indutivos
Para níveis de até 138kV, TPs do tipo indutivo possuem custo de produção inferior ao
capacitivo. Eles são compostos por um enrolamento primário que envolve um núcleo de
ferrosilício, sendo este comum ao secundário, conforme a figura 4.
Figura 4 - Representação de um TP. (FONTE: João Mamede Filho, 2005)
O princípio básico de funcionamento de um TP consiste na conversão eletromagnética
entre os enrolamentos primário e secundário. Uma tensão aplicada ao primário será reduzida
na proporção da relação de transformação e obtida no secundário. Da mesma forma, se uma
tensão for aplicada aos terminais do secundário, será vista uma tensão maior nos terminais
primários. A tensão primária do TP será definida pela rede à qual ele será conectado,
enquanto a secundária pode ser de 115 V ou 115/√3 V.
Podemos representar um TP indutivo ainda por seu circuito equivalente (figura 5),
composto tipicamente por: 𝑅1 e 𝑅2, resistências do enrolamento primário e secundário,
respectivamente, 𝐿1 e 𝐿2, indutâncias do primário e secundário, 𝐶1 e 𝐶2, capacitâncias
parasitas dos enrolamentos primários e secundários, 𝑅𝑚 e 𝐿𝑚, resistência e indutância do
ramo magnetizante, 𝑍𝑐, impedância de carga, 𝐶12, capacitância parasita entre enrolamentos
primário e secundário e 𝑉1 e 𝑉2, tensão RMS primária e secundária, respectivamente
(SAMESIMA et al., 1991).
25
Figura 5 - Circuito Equivalente de TPI. (FONTE: Samesima et al., 2016)
O transformador indutivo pode ser ainda classificado em 3 grupos de ligação descritos
na NBR 6855:
Grupo 1: transformadores projetados para ligação entre fases. Tipo utilizado
em sistemas de até 34,5kV, devendo suportar continuamente até 10% de
sobrecarga. A figura 6 representa um TP do grupo 1, isolado em óleo mineral,
de classe 15kV.
Figura 6 - TP grupo 1, 15kV, isolação à óleo mineral. (FONTE: João Mamede Filho, 2005)
26
Grupo 2: projetados para ligações entre fase e neutro de sistemas diretamente
aterrados.
Figura 7 - Representação TP grupos 2 e 3. (FONTE: João Mamede Filho, 2005)
Grupo 3: projetados para sistemas com ligação entre fase e neutro onde não se
garanta a eficácia do aterramento.
Tanto os TPs do grupo 2 quanto do grupo 3 podem ser representados pelo esquema
apresentado na figura 7. Existem ainda TPs com classes de tensão que resultam em
equipamentos de grande dimensão, constituídos de duas partes acopladas formando uma única
unidade, conforme mostra a figura 8.
27
Figura 8 - TP indutivo composto por duas partes acopladas. (FONTE: João Mamede Filho, 2005)
2.1.1.2 Transformadores de Potencial Capacitivos
Transformadores capacitivos são formados basicamente por dois conjuntos de
capacitores (conforme figura 9), com o objetivo de criar um divisor de tensão, além de
permitir comunicação através de sistemas carrier (MAMEDE FILHO, 2005). São usualmente
construídos para classes de tensão a partir de 138kV.
28
Figura 9 - Modelo de TP capacitivo. (FONTE: João Mamede Filho, 2005)
O divisor capacitivo desses TPs é constituído por células, que formam um
condensador, ligadas em série e imersas no interior de um encapsulamento de porcelana,
ligado entre fase e terra. Um grupo de medida de média tensão é alimentado por uma
derivação intermediária no equipamento, sendo composto pelos seguintes elementos,
representados na figura 10:
Transformador de potencial ligado à derivação intermediária por um ponto de
conexão, fornecendo as tensões secundárias necessárias.
Reator de compensação ajustável que controla quedas de tensão e defasagens
no divisor, nos limites previstos pela sua classe de exatidão.
Dispositivo de amortecimento dos fenômenos de ferro-ressonância.
(ANNABATULLA et al., 2014)
29
Figura 10 - Modelo Básico de um TPC. (FONTE: Annabatulla et al., 2014)
Este circuito pode ser ainda representado por seu circuito equivalente, apresentado na
figura 11. Nessa representação, todos os componentes estão refletidos ao lado primário do
transformador abaixador, onde: 𝑒′𝑠(𝑡) = 𝑅𝑇𝑃 × 𝑒𝑠(𝑡), 𝑅′𝑏 = 𝑅𝑇𝑃2 × 𝑅𝑏 , 𝑅′𝑓 = 𝑅𝑇𝑃2 × 𝑅𝑓,
𝐶′𝑓 = 𝐶𝑓/𝑅𝑇𝑃2 , 𝐿′𝑓 = 𝑅𝑇𝑃2 × 𝐿𝑓. RTP representa a relação de transformação do primário
para o secundário, R, L e C correspondem à resistência e indutância do reator de compensação
e à capacitância do divisor capacitivo, respectivamente. 𝑅′𝑓, 𝐿′𝑓 𝑒 𝐶′𝑓 são a resistência,
indutância e capacitância do circuito de supressão de ferro-ressonância relativo ao lado
primário, enquanto 𝑅′𝑏 e 𝑒′𝑠(𝑡) representam, respectivamente, a carga referida ao lado
primário e a tensão terminal secundária referida ao lado primário.
Figura 11- Circuito equivalente de um TPC. (FONTE: Annabatulla et al., 2014)
30
2.1.2 Características elétricas
Duas das principais características de um transformador de potencial são os erros que
cometem ao transmitir a tensão primária para o secundário: o erro de relação de
transformação, e o erro do ângulo de fase.
2.1.2.1 Erro de Relação de Transformação
O primeiro tipo de erro do TP corresponde à diferença entre a tensão aplicada no
primário ao produto da tensão secundária pela relação de transformação, sendo registrado na
medição de tensão com o equipamento. Este erro pode ser calculado percentualmente pelas
equações:
𝜀𝑝 =𝑅𝑇𝑃 × 𝑉𝑠 − 𝑉𝑝
𝑉𝑝× 100%
O erro de relação pode ser corrigido pelo fator de correlação de relação (𝐹𝐶𝑅),
calculado pela relação entre a relação de transformação nominal (𝑅𝑇𝑃) e a relação de
transformação real (𝑅𝑇𝑃𝑟):
𝐹𝐶𝑅𝑟 =𝑅𝑇𝑃𝑟
𝑅𝑇𝑃
Assim, podemos reescrever a equação 1 para expressar o erro de relação percentual em
função do fator de correlação de relação percentual (𝐹𝐶𝑅𝑝):
𝐹𝐶𝑅𝑝 =𝑅𝑇𝑃𝑟
𝑅𝑇𝑃× 100%
𝜀𝑝 = (100 − 𝐹𝐶𝑅𝑝)(%)
31
O valor de 𝐹𝐶𝑅𝑝 pode ser utilizado para determinar a classe de exatidão de um
equipamento. Quanto menor seu valor, mais preciso a medição realizada em comparação ao
valor esperado. Pode-se ver na figura 12 o comportamento de TPs com classe de exatidão de
0,3, 0,6 e 1,2.
Figura 12 - Gráfico de classes de exatidão de TPs. (FONTE: João Mamede Filho, 2005)
Algumas observações ainda podem ser feitas levando em conta as relações de
transformação nominal e real:
Se 𝑅𝑇𝑃 > 𝑅𝑇𝑃𝑟, o fator de correlação de relação percentual será menor que 100%,
representando que o valor real da tensão primária é menor que o produto 𝑅𝑇𝑃 × 𝑉𝑠.
Se 𝑅𝑇𝑃 < 𝑅𝑇𝑃𝑟, o fator de correlação de relação percentual é maior que 100%, e o
valor real da tensão primária será maior que o produto 𝑅𝑇𝑃 × 𝑉𝑠.
32
2.1.2.2 Classe de Exatidão
A classe de exatidão representa o erro esperado do TP, considerando tanto o erro do
fator de correlação quando o erro do ângulo de fase entre as tensões primária e secundária.
Para que um TP seja considerado dentro de uma classe de exatidão, os pontos de FCR e
ângulo de fase devem estar dentro do paralelogramo de exatidão (figura 12) que corresponde
àquela classe. De modo a determinar a qual classe ele pertence, devem ser realizados ensaios
em vazio e em carga com valores padronizados por norma (sob tensão nominal, com 90% da
tensão nominal, e ainda com sobrecarga de 10%). As figuras 13 e 14 representam um
exemplo de resultados obtidos em um ensaio de exatidão, desenhados para impedâncias de 0 a
100% da carga nominal para erro de relação percentual e erro de ângulo de fase.
Figura 13 - Curva de erro de relação de transformação. (FONTE: João Mamede Filho, 2005)
Além das classes de exatidão já mencionadas, existem ainda TPs de classe 0,1. Tal
tipo de TP são utilizados como parâmetros de testes e medições em laboratórios, e aplicações
em geral que necessitem uma alta precisão de medição. Enquanto isso, TPs de classe 0,3 são
mais empregados para fins de faturamento energético, TPs de classe 0,6 utilizados em
sistemas de proteção e medição de energia sem faturamento, e TPs 1,2 são usados em
medições indicativas de tensão.
33
Figura 14 - Curva de erro de ângulo de fase. (FONTE: João Mamede Filho, 2005)
2.1.3 Resposta em frequência de TPs
De acordo com Klatt, Meyer e Elst (2010), um dos parâmetros mais importantes da
qualidade de energia é a distorção de onda. Essa, por sua vez, pode ser quantificada por
componentes harmônicas individuais e a distorção total harmônica do sinal [THD(%)], que
inclui todas as harmônicas individuais até certa ordem de frequência.
As distorções harmônicas são causadas principalmente por dispositivos e cargas não-
lineares, geralmente equipamentos que incluem circuitos de eletrônica de potência. Com o
aumento do número de componentes na rede elétrica que distorcem a forma de onda, a faixa
de frequência que usualmente estavam contidos os esforços dos operadores, 2 kHz a 2,5 kHz,
precisa ser constantemente ajustada para realização de estudos mais precisos. Por isso,
Buchhagen (2013) afirma que a faixa de frequência monitorada deveria ser de até 9 kHz, onde
se encontram as superharmônicas, ruídos eletromagnéticos, transitórios (impulsivos e
oscilatórios) cortes de tensão (“Notching”) (DUGAN, 2004) dentre outros fenômenos que não
incluem somente a frequência industrial.
Levando em conta esse fato, tornou-se do interesse do Operador Nacional do Sistema
(ONS) e agências reguladoras do sistema elétrico que instrumentos de medição como
transformadores de potencial possam analisar e medir a presença de distorções harmônicas na
rede elétrica, sendo necessário que sua resposta em frequência seja conhecida, de forma a
avaliar sua eficácia na medição desses sinais. Conforme já discutido por Klatt, Meyer e Elst
34
(2010), são 3 os principais fatores que influenciam a resposta em frequência para
transformadores de potencial indutivos, aqui apresentados com mais detalhes:
Influências construtivas
o Tensão nominal primária Upri
o Tolerâncias de manufatura
o Tolerâncias de design
o Material utilizado
Influências das condições de operação
o Valor da carga
o Temperatura de operação
o Distâncias entre encapsulamentos metálicos
o Condições de impedâncias no primário e secundário
Influências da metodologia de medição
o Direção de alimentação do sinal de teste (primário para
secundário, por exemplo)
o Amplitude do sinal de teste
o Tipo de alteração dos parâmetros de teste (aplicação de degrau
ou variação de frequência)
Dentre os 3, as características construtivas apresentam a maior influência na resposta em
frequência, uma vez que define as capacitâncias e indutâncias que serão responsáveis pelos
efeitos ressonantes dentro do instrumento de medição (STIEGLER et al., 2011).
Como resultado dos testes realizados por Klatt, Meyer e Elst (2010), é perceptível a
influência de diversos parâmetros na resposta em frequência de um TP indutivo, desde a sua
resposta em frequência em condições normais de operação, até variações na resposta com a
alteração de parâmetros de operação. Os principais resultados estão apresentados nas figuras
15, 16 e 17.
35
Figura 15 - Amplitude de tensões medidas Upri e Usec e a relação de transformação resultante
normalizada nr(f). (Fonte: Klatt, Meyer e Elst, 2010)
Figura 16 - Resposta em frequência de distintos TPI de polo único com diferentes tensões primárias
nominais. (Fonte: Klatt, Meyer e Elst, 2010)
Onde nr(f) pode ser definido como:
𝑛𝑟(𝑓) = 𝑈𝑠𝑒𝑐(𝑓) 𝑈𝑝𝑟𝑖(𝑓)⁄
(𝑈𝑠𝑒𝑐 𝑈𝑝𝑟𝑖)⁄𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙
36
Figura 17 - Influência de diferentes cargas resistivas na resposta em frequência de TPI 20kV de polo
único. (Fonte: Klatt, Meyer e Elst., 2010)
A figura 15 aponta que, dependendo do valor obtido de nr(f), os valores medidos
devem ser interpretados de maneiras distintas. Se nr(f) = 1, temos o melhor cenário, no qual a
medida realizada corresponde ao valor esperado. Já se nr(f) > 1, o valor real é menor que o
valor medido, caracterizando um caso conservativo. Por último, se nr(f) < 1, o valor real será
maior que o valor medido, sendo este o caso crítico.
A figura 16 mostra a resposta em frequência de diferentes TPIs de polo único com
distintos níveis de operação em uma faixa de até 20kHz. Pode-se perceber que a frequência da
primeira ressonância usualmente diminui com o aumento da tensão primária nominal, sendo
essa a com maior desvio da relação de transformação. Ainda assim, os erros apresentados
pelas ressonâncias seguintes ainda são inaceitáveis para as medições desejadas, tornando as
medições de harmônicos possíveis apenas para frequências abaixo da primeira ressonância.
Finalmente, a figura 17 apresenta a resposta em frequência de TPs indutivos com
diferentes cargas aplicadas ao circuito, e sem carga nenhuma (circuito aberto). Essa última
condição resulta na maior distorção na medição, enquanto na medida que se diminui a
resistência de carga, diminui-se também a frequência na qual erros inaceitáveis de medição
começam a ocorrer, comparado com cargas de maior valor. Assim, resistências de carga da
ordem de 10 vezes menor que a carga nominal devem ser evitadas para garantir uma maior
faixa de frequência com leituras com precisão aceitável.
Já para TPs capacitivos, Annabatulla (2014) afirma que os três principais fatores que
influenciam a resposta em frequência são:
37
O circuito de supressão de ferro-ressonâncias (CSR);
Parâmetros de design do TPC;
Carga.
O CSR possui dois tipos de design usualmente utilizados: CSR ativo e CSR passivo. O
CSR ativo é composto de indutância, capacitância e resistor de carregamento, formando um
circuito LC em paralelo em série com o resistor, ajustados para a frequência fundamental. A
utilização permanente do CSR ativo causa respostas em frequência indesejadas para as demais
frequências harmônicas do sistema.
Já o CSR passivo consiste em um indutor saturável e um resistor de carregamento que
permanece inativo para todas as condições exceto a de ferro-ressonância, possuindo uma
resposta em frequência melhor que a do ativo. Para esse tipo de circuito, a resistência nele
presente é outro fator que influencia a resposta em frequência de um TPC.
A figura 18 mostra que os valores de resposta de magnitude e fase de um TPC
melhoram com o aumento da resistência de supressão à ferro-ressonância (ANNABATULLA
et al., 2014).
Figura 18 - Resposta em frequência de um TPC com variação da resistência de supressão de
ferroressonância para a) Magnitude do sinal; e b) Diferença angular
(Fonte: Annabatulla et al., 2010)
As influências de construção de um TPC em sua resposta em frequência podem ser
subdivididas nos efeitos da relação de transformação, e da capacitância do divisor capacitivo.
O aumento na relação de transformação de um transformador step down resultará em um
valor maior na corrente do secundário para uma dada impedância de carga e aumento no
38
degrau de carregamento do transformador. Assim, para uma dada carga, o aumento da relação
de transformação resulta em uma melhor resposta de magnitude do sinal.
Variando o valor da capacitância do sistema, obtém-se que, para frequências abaixo da
frequência síncrona, a resposta em amplitude do sinal será melhor, e também resultará em
uma melhor diferença angular quanto maior o valor da capacitância. Para frequências acima
da síncrona, a capacitância deixa de ter influência na resposta em frequência. Esse
comportamento pode ser analisado nos gráficos da figura 19.
Figura 19 – Resposta em frequência de um TPC com a variação da capacitância para a) Amplitude do
sinal; e b) Diferença angular do sinal
(Fonte: Annabatulla et al., 2010)
2.2 DIVISORES CAPACITIVOS
De acordo com a CEPEL (2007) os divisores capacitivos (DPCs) puros possuem como
diferencial entre os transdutores a característica da linearidade no domínio da frequência,
principalmente no espectro de harmônicos. Um transdutor desse tipo construtivo possui duas
unidades capacitivas ligadas em série, uma de alta tensão e outra de baixa tensão (figuras 20 e
21, respectivamente). É da componente de baixa tensão do DPC que instrumentos de medição
e proteção capturam o sinal medido.
39
Figura 20 - Três unidades de alta tensão de divisor de potencial capacitivo. (FONTE: CEPEL, 2007).
Figura 21 - Unidade de baixa tensão de divisor capacitivo. (FONTE: CEPEL, 2007)
Outra característica importante dos DPCs a possibilidade de utilização em diversos
níveis de tensão, com a adequação de várias unidades de baixa tensão em fatores de escala
distintos, sempre observando sua característica dielétrica.
40
A CEPEL aponta diversos pontos importantes para a medição de harmônicos a partir
de DPCs. Dentre eles:
o É necessário a desconexão de parte do barramento em estudo para conexão dos
DPCs durante o monitoramento;
o Os dispositivos adicionais, cuja inserção implica em aumento do risco de falha
no sistema elétrico, devem ser conectados;
o Os DPCs devem ser fixados sobre estrutura isolada e estável o suficiente para
suportar condições atmosféricas, observando seu distanciamento mínimo de
isolamento de acordo com o sistema;
o Anéis anti-corona devem ser utilizados nos divisores capacitivos, compatíveis
com sua classe de operação;
o A calibração da curva de resposta em frequência, realizada pela determinação
do fator de escala e caracterização no domínio da frequência dos conjuntos de
capacitâncias, poderá ser realizada em laboratório e realizada anualmente por
entidades credenciadas;
o Além do custo de aquisição dos capacitores para composição da unidade de
alta tensão, em sistemas acima de 230kV devem também ser considerados os
custos operacionais de deslocamento das unidades de medição.
O esquemático de montagem com equipamentos e ligações necessárias para
levantamento de resposta em frequência utilizando DPCs pode ser visto na figura 22.
Figura 22 - Sistema de medição de resposta em frequência utilizando DPC. (FONTE: CEPEL, 2007).
41
2.3 DISTORÇÕES HARMÔNICAS DE TENSÃO
De acordo com o relatório entregue à ONS pela CEPEL (2007) as distorções
harmônicas nas formas de onda de tensão e corrente são geradas por equipamentos não ideais
e cargas não lineares presentes nos sistemas elétricos. Quando somadas todas as componentes
senoidais presentes na rede, o resultado será de formas de onda periódicas distorcidas. Estas
senóides que compõe o sinal distorcido, quando possuem formas de ondas individuais em
frequências múltiplas inteiras da frequência fundamental (60 Hz no sistema brasileiro), são
camadas de componentes harmônicas, exemplificadas na figura 23.
Figura 23 – Primeiras componentes harmônicas ímpares da frequência fundamental (60 Hz).
(FONTE: BAKAOUKAS, TRIANTAFYLLOS – 2015)
Os principais efeitos das componentes harmônicas do sistema elétrico são, de acordo
com a CEPEL: “sobreaquecimento de transformadores, máquinas rotativas e bancos de
42
capacitores, podendo haver redução de sua vida útil; sobretensões e sobrecorrentes associadas
a condições de ressonância, falha de operação em equipamentos eletrônicos e interferência
telefônica”.
Os principais componentes do sistema elétrico que causam distorção harmônicas são:
o Conversores eletrônicos de potência;
o Estações conversoras de sistemas de transmissão de corrente contínua e alta
tensão (CCAT);
o Fornos a arco;
o Compensadores estáticos e equipamentos com tecnologia FACTS;
o Inversores presentes em sistemas de geração distribuída (como usinas eólicas e
solares);
o Cargas ou conjunto de cargas monofásicas não lineares;
o Transformadores com núcleo magnético saturado (CEPEL, 2007)
2.3.1 Definições e limites pertinentes à medição de harmônicos de tensão
No relatório divulgado pela ONS, a CEPEL (2007) lista uma série de definições e
informações importantes para o entendimento, e trabalho com distúrbios harmônicos no
sistema elétrico. Os principais itens a serem destacados estão apresentados na tabela 1:
Tabela 1 - Indicadores e correspondentes abreviaturas para harmônicos. (FONTE: CEPEL, 2007)
43
A DTHT tem como objetivo avaliar o desempenho global dos sinais harmônicos em
regime permanente, quando medido em um barramento da rede básica. Ela pode ser calculada
pela seguinte equação:
𝐷𝑇𝐻𝑇 = √∑ 𝑉𝑛2
50
𝑛=2
(%),
Onde 𝑉𝑛 representa a tensão harmônica, em % da fundamental, dada por 100 ∗ 𝑣𝑛 𝑣1⁄ ,
onde 𝑣𝑛 é a tensão harmônica de ordem n, e 𝑣1 a tesão fundamental.
A CEPEL divulga também limites globais aceitáveis da distorção de tensão para
diferentes ordens de harmônicos, tabela 2:
Tabela 2 - Limites globais de distorção de tensão em relação à tensão nominal. (FONTE: CEPEL, 2007)
2.3.2 Recomendações normativas para realização de medições de harmônicos
De acordo com a NT 009/2016 (ONS, 2016), diferentes fenômenos presentes na rede
elétrica devem ser medidos com o transdutor de tensão adequado em função de seu
desempenho. Para a distorção harmônica de tensão, objeto de estudo deste trabalho, é
reconhecida a ineficiência dos equipamentos desse tipo presentes no sistema elétrico para
faixas de frequência superiores a alguns quilohertz, não apresentando uma resposta linear no
espectro de frequência. É sugerido pelo Operador que seja realizado o levantamento da função
de transferência do transdutor, de modo a corrigir os harmônicos medidos.
44
Além das dificuldades de realização de ensaios para levantamento da resposta em
frequência de TPs instalados na rede elétrica, o ONS aponta também dificuldades técnicas
durante a realização do teste, como a aplicação de uma tensão inferior à nominal do transdutor
durante o teste. Assim, é argumentado que a medição de harmônicos através de TPCs ou TPIs
resultaram em algum erro de medida, não sendo recomendada a utilização de TPCs mesmo
para harmônicos de baixa ordem, enquanto TPIs podem ser utilizados para medições de até
900 Hz, representando a 15ª harmônica.
A ONS apresenta como conclusão do relatório de 2016 a tabela 3, na qual são
considerados os diferentes transdutores para medição de indicadores de qualidade de energia.
Tabela 3 - Utilização de diferentes transdutores de tensão na medição de qualidade de energia.
(FONTE: ONS, 2016)
45
3 METODOLOGIAS PARA DETERMINAÇÃO DA RESPOSTA EM FREQUÊNCIA
DE TPS
3.1 METODOLOGIAS PARA ENSAIO LABORATORIAL
Podem ser listadas como principais metodologias utilizadas para realização de estudo de
resposta em frequência encontrada nos trabalhos internacionais estudados os arranjos
apresentados abaixo:
KLATT, M; MEYER, J.; ELST. - 2010:
Figura 24 - Esquema de medição utilizado por Klatt, Meyer e Elst. (2010), incluindo esquemático para
alta tensão (incluindo parte destacada).
Nesta metodologia, apresentada na figura 24, o autor apresenta o esquemático de
montagem tanto para ensaios em baixa (sem incluir parte destacada) e em alta tensão (com
parte destacada). Para a medição, um sistema com capacidade de 100 mil medições por
segundo foi utilizado, tendo uma precisão de medição de 0,25% para amplitudes de tensão de
até 100V entre 25 Hz e 10 kHz.
Para a obtenção da resposta em frequência, Klatt, Meyer e Elst (2010) utilizaram um
sinal de 15Vpp, varrido em toda faixa de 50 Hz a 10 kHz, devido à simplicidade que o ensaio
em baixa tensão oferece, sem apresentar diferenças significativas com o ensaio em alta tensão.
46
Com esses dados, a relação de transformação normalizada pode ser calculada para
comparação entre os TPs.
Lei et al. – 2016
Figura 25 - Esquemático experimental utilizado por Lei et al. – 2016
Esta configuração, utilizada por Lei et al. (2016) foi utilizada para gerar a tensão
primária no transformador em teste (TUT, na figura 25), baseando-se em configurações
aplicadas por Matlab®. Através do amplificador de tensão (amplifier), junto a um
transformador elevador (step-up transformer) e um controlador por feedback, sinais com
componentes harmônicos são gerados. Os autores apontam que, devido à não linearidades do
transformador elevador, o sistema também é afetado por intermodulações, tornando o sinal
injetado no sistema não ideal.
Com essa metodologia de medição, os autores podem comparar níveis de harmônicos
conhecidos injetados no sistema com limites estabelecidos por normas internacionais (EN
50160) para as tensões harmônicas.
47
Lipsky, Miteva e Lockshin
Figura 26 - Esquema funcional do experimento para determinar características de frequência de TPs de
alta tensão.
O experimento proposto por Lipsky, Miteva e Lockshin realiza a medição de ambos os
enrolamentos primários e secundários simultaneamente, figura 26, de forma que a relação de
transformação para cada componente harmônica possa ser calculada com a relação de
transformação nominal.
Os autores argumentam que, desta forma, coeficientes de correção podem ser obtidos
considerando as características em alta frequência dos TPs na hora de avaliar a distorção
harmônica total do sistema em estudo.
O sinal gerado é criado por um gerador de sinais de dois canais, de forma a produzir
um sinal composto por uma componente de frequência harmônica (50 ou 60 Hz), e uma
componente harmônica.
Os resultados apresentados pelo artigo mostram o comportamento da resposta em
frequência quando na presença de a) somente componentes harmônicas; ou b) componente
fundamental mais a componente harmônica.
48
Buchhagen – 2013
Figura 27 - Sistema de medição universal utilizada por Buchhagen (2013).
O primeiro sistema de medição utilizado por Buchhagen (2013), figura 27, é composto
por um gerador de sinal, com capacidade de gerar diferentes formas de onda, um
amplificador de potencial que eleva o sinal até o nível de 70V, além de um transformador
elevador, com o objetivo de alcançar um nível de 280V. As tensões primárias e
secundárias são medidas simultaneamente e comparadas por um dispositivo DAQ,
enquanto o sistema é controlado pelo computador conectado ao DAQ e gerador de
funções.
Buchhagen utiliza os resultados deste ensaio para comparar com o esquemático
proposto por Klatt, Meyer e Elst (2010), uma vez que, segundo aquele, metodologia
utilizada por estes possui limitações, sendo possível utilizá-la até 10 kHz para
comparação.
Os resultados apresentados mostram que ambos os sistemas de medição possuem
respostas concordantes até a faixa de 9,5 kHz.
Buchhagen propõe ainda uma segunda metodologia de medição, capaz de analisar
sinais transientes no sistema. Para isso, utiliza o sistema de medição apresentado na figura
28.
Nesta configuração, um sinal de impulso, simulando uma manobra de operação do
sistema, é aplicada ao terminal primário do transformador de potencial em teste. Devido
ao fato do sinal aplicado ser da ordem de vários mil volts, uma medição direta do
transitório não é possível. Sendo assim, os valores de transitório são obtidos indiretamente
através de divisor resistivo-capacitivo, enquanto os valores de tensão do secundário são
medidos diretamente.
49
Figura 28 - Representação do sistema de medição de transientes proposto por Buchhagen (2013).
O autor aponta que a vantagem deste sistema de medição está no período de medição
extremamente curto, de apenas alguns segundos, em contraste com o primeiro sistema que
leva vários minutos. Em contrapartida, a complexidade deste ensaio é maior que a
apresentada por Klatt, Meyer e Elst (2010), devido à necessidade de utilização de
equipamentos de alta tensão, e correspondentes equipamentos de segurança.
Metodologia sugerida pelo CEPEL
De acordo com relatório fornecido à ONS, a metodologia sugerida pela CEPEL (2007)
consiste em: “impor uma tensão ao primário do transdutor, lado de alta tensão, e medir a
tensão induzida no secundário, lado de baixa tensão”. Esta mesma metodologia, se
utilizada com DPCs ou taps capacitivos de buchas dos transformadores, pode ser utilizada
para levantamento de resposta em frequência, ou ainda determinação do ajuste da unidade
de baixa tensão.
Para levantamentos de resposta em frequência de transformadores de potencial
capacitivo, a CEPEL sugere a aplicação de 100 Vrms no primário do transformador,
variando sua frequência entre 40 Hz e 5 kHz. Para isso, componentes como fonte de
tensão de frequência variável, e osciloscópio digital de no mínimo 2 canais são
necessários.
Já se o transdutor utilizado para o levantamento da resposta em frequência for um
Divisor de Potencial Capacitivo (DPC) ou uma Unidade capacitiva conectada ao tap da
bucha, a sugestão é a aplicação de 7 Vrms, variável entre 40 Hz e 5 kHz, sendo
50
necessários os mesmos equipamentos de geração e medição. Para todos os tipos de
transdutores, ainda é necessário um microcomputador portátil deve ser utilizado para
automatização das medições, bem como análise e armazenamento de dados.
3.2 EQUIPAMENTOS DE LEVANTAMENTO DE RF DISPONÍVEIS NO MERCADO
Além dos ensaios usuais para determinação da resposta em frequência de
transformadores de potencial, divisores capacitivos, dentre outros componentes elétricos, já
existem também no mercado equipamentos para estudo desses dispositivos em campo. Dentre
os principais podem ser citados:
FRANEO 800 – Omicron
O FRANEO 800 (figura 29), da fabricante Omicron, foi desenvolvido para teste de
integridade mecânica e elétrica de transformadores de potência após a exposição de altas
correntes de falta, podendo também ser utilizado para detectar curtos circuitos em
máquinas elétricas rotativas.
Este equipamento utiliza o princípio do SFRA (Sweep Frequency Response Analysis)
para medir a função de transferência elétrica dos componentes em estudo para uma ampla
faixa de frequências (de 1 Hz até 30 MHz). O datasheet do equipamento, publicado pela
Omicron, aponta as principais características: grande faixa dinâmica de operação para
testes industrias pelo SFRA (> 150 dB); segue padrões determinados pelas normas IEC
60076-18 e IEE C57.149; seus resultados podem ser reproduzidos devido a nova técnica
de conexão; passo a passo para ensaios, execução e dicas para fácil análise sem a
necessidade de conhecimento de alto nível; rápido tempo de medição devido à algoritmo
de varredura; dispositivo pequeno e compacto facilitando e otimizando sua usabilidade.
51
Figura 29 - Equipamento FRANEO 800. (FONTE: Omicron)
FRA 5310 – Tettex Instruments
O FRA 5310 (figura 30), desenvolvido pela Tettex Instruments, é um
instrumento de diagnóstico para a detecção de distorções mecânicas em enrolamentos
de transformadores, que podem ser causadas por forças eletrodinâmicas provenientes
de curtos-circuitos ou danos durante transporte.
De acordo com informações do fabricante, o equipamento utiliza a
metodologia SFRA, baseada no levantamento da função de transferência medida na
faixa de 10 Hz a 10 MHz. O sistema grava a resposta do equipamento, e até mesmo
pequenos movimentos dos enrolamentos podem ser detectados pelas suas influências
na curva de transferência. Dentre suas funcionalidades estão: computador embutido
com software baseado em Windows; levantamento de função de transferência de
tensão; função de impedância; interpretações automáticas de acordo com padrões DL /
T 911 – 2004; alta relação sinal ruído.
52
Figura 30 - Equipamento FRA 5310. (FONTE: Haefely Hipotronics).
M5400 – Doble
O M5400 da fabricante Doble, representado na figura 31, envia um sinal de excitação
para o transformador em teste e mede o sinal de retorno. Dessa forma, comparando esta
resposta com medições de base e conhecimento de resultados de equipamentos semelhantes, é
possível a identificação de desvios na operação e problemas mecânicos internos do
transformador.
Este equipamento é capaz de fornecer a resposta em frequência para faixas de 10 Hz
até 25 MHz com alta precisão.
Figura 31 - Equipamento M5400. (FONTE: Doble)
53
4 MATERIAIS E MÉTODOS
Nesta sessão serão apresentados os materiais necessários para realização dos
experimentos, bem como sua montagem laboratorial, de forma a se obter dados de análise da
resposta em frequência dos transformadores de potencial.
4.1 ENSAIOS DE RESPOSTA EM FREQUÊNCIA
O primeiro ensaio a ser realizado nos TPs em teste foi o ensaio de levantamento de
resposta em frequência. Para sua realização, foi analisado o sinal entregue pelo TP em seu
terminal secundário com a variação da frequência no sinal aplicado ao terminal primário.
Dessa forma, a alteração com a frequência de parâmetros como impedância, relação de
transformação, dentre outras, puderam ser estudadas.
Para a montagem desse experimento foram necessários os seguintes equipamentos:
TP em teste;
Computador com software SFRA instalado;
Osciloscópio;
Gerador de sinais com capacidade de variação de frequência do sinal;
Cabos coaxiais;
Chapas de cobre para conexão à malha de aterramento;
Interface GPIB para comunicação entre computador e gerador de sinais /
osciloscópio.
A montagem básica para esse experimento está apresentada nas figuras 32 e 33. A
partir do computador com o software SFRA instalado, uma interface GPIB transfere ao
gerador de sinais as características do sinal a ser injetado no primário do TP. Este sinal
também é injetado no osciloscópio por um cabo coaxial para utilização como referência, bem
como medição da tensão primária.
No terminal secundário, um cabo coaxial transmite o sinal gerado até o osciloscópio e
este, por sua vez, retorna a informação ao computador pela interface GPIB, onde o software
54
realizará a análise dos dados e criação de gráficos. Todos os equipamentos utilizados devem
estar aterrados à mesma malha de aterramento do laboratório.
Figura 32 - Esquemático de montagem para ensaio de resposta em frequência.
Figura 33 - Montagem do ensaio de resposta em frequência.
55
Pelo software, informações como amplitude de onda, frequência, formato, dentre
outras, podem ser definidas. O sinal injetado para o ensaio iniciou com amplitude de 5V pico
a pico e 20Hz, tendo sua frequência variada até 1MHz para obtenção dos resultados.
Conforme dados já apresentados por Klatt, Meyer e Elst. (2010), a realização de testes em um
TP de alta tensão com a injeção de um sinal com baixa tensão gera resultados satisfatórios,
com erro menor a 3% nos dados finais, enquanto o método de estudo de resposta em
frequência pela variação da frequência do sinal injetado possui uma melhor relação sinal ruído
quando comparado a outros métodos.
Com a obtenção dos resultados pelo SFRA, o dado final a ser obtido foi a relação de
transformação normalizada do TP. Para chegar a esse dado, os seguintes passos foram
seguidos:
Medição dos valores de tensão no primário e secundário do TP;
Cálculo da relação de transformação para todo o espectro de frequência
medido;
Normalização da relação de transformação através da equação:
𝑛𝑟(𝑓) =𝑈𝑠𝑒𝑐 (𝑓) 𝑈𝑝𝑟𝑖 (𝑓)⁄
(𝑈𝑠𝑒𝑐 𝑈𝑝𝑟𝑖⁄ )𝑛𝑜𝑚𝑖𝑛𝑎𝑙
A partir desse cálculo, a variação da relação de transformação pode ser comparada
entre TPs de diferentes classes de operação e diferentes relações de transformação nominais.
4.2 SFRA
O software SFRA utilizado para controle e aquisição de dados utilizado pelo Instituto
LACTEC consiste em uma interface gráfica que permite o fácil controle de variáveis
utilizadas para a geração de um sinal em um gerador de sinais, sendo responsável por definir
parâmetros como tensão pico a pico, frequências inicial e final de ensaio, tipo de ensaio a ser
realizado, dentre outros.
56
Na mesma interface é possível analisar dados medidos durante a realização do ensaio,
como tensão primária e secundária e correspondentes ângulos, ajuste dos canais do
osciloscópio, corrente primária e secundária e correspondentes ângulos, impedância total do
sistema de medição, além de ganhos em dB e ângulo (figura 34). O software também cria
gráficos instantâneos de todos os dados medidos, sendo possível exportar estes para um
arquivo em formato delimitado por vírgulas para ser trabalhado em Excel (figura 35).
O modo de ensaio utilizado foi o de varredura de frequência, padrão para o software.
Figura 34 - Tela de Controle do Software de SFRA do Instituto LACTEC.
57
Figura 35 - Tela de resultado de impedância em função da frequência.
58
5 RESULTADOS E DISCUSSÕES
Nesta sessão serão discutidos os ensaios realizados, os resultados obtidos, bem como
os aspectos mais importantes a respeito da resposta em frequência dos transformadores de
potencial analisados, e seus impactos na medição de grandezas elétricas. Os resultados foram
obtidos conforme descrição das atividades no capítulo anterior.
5.1 ENSAIOS DE RESPOSTA EM FREQUÊNCIA
5.1.1 Transformadores de Potencial Indutivo 15 kV
Para o estudo de TPs da classe de 15kV, dois modelos foram escolhidos para
realização de ensaios comparativos que pudessem apontar diferenças na resposta em
frequência causadas por características do processo de fabricação do TP e design de operação.
O primeiro ensaio realizado foi o levantamento de resposta em frequência de um
transformador de potencial indutivo da classe de 15kV, modelo VFE-15, da fabricante
Balteau, disponibilizado pelo Instituto LACTEC. Esse transformador possui uma relação de
transformação nominal de 34,65, sendo a entrada do primário definida em 13800V, e o
secundário em 230V.
O experimento foi realizado no laboratório de alta tensão do Instituto LACTEC, com
sede em Curitiba – PR. A montagem foi realizada conforme descrito na sessão 3.1, estando
todos os equipamentos aterrados no mesmo potencial com chapas de cobre para evitar
interferências no sinal medido. A montagem está apresentada na figura 36.
59
Figura 36 - Montagem experimento de levantamento de resposta em frequência - TP 15 kV Indutivo.
O resultado desse experimento está apresentado na figura 37, onde é descrita a
resposta em frequência do TP para o módulo da tensão medida até a faixa de 20 kHz.
Figura 37 - Resposta em frequência para o módulo da tensão - TP 15kV indutivo.
60
Neste gráfico é possível perceber que até uma faixa próxima a 5 kHz a relação de
transformação do TP se mantém fiel à nominal. A partir deste ponto, a RTP deixa de ser
constante, e a medição da tensão por esse TP estará comprometida para todo o espectro de
frequência. Pode-se perceber 3 regiões distintas no gráfico da figura 37:
RTP = 1: região ideal de operação do TP, onde o valor medido é igual ao real;
RTP > 1: região onde valor medido é menor que valor real, sendo considerada
a região crítica;
RTP < 1: região onde valor medido é maior que valor real, considerado como
caso conservador.
Aproximando o gráfico para a região abaixo de 8 kHz (figura 38), pode-se perceber
uma clara tendência de alteração da relação de transformação para quase toda a faixa de
frequência. Até 3 kHz, a região do gráfico é a mais linear obtida no espectro de frequência,
mas mesmo assim podendo resultar em erros de medição.
Figura 38 - Resposta em frequência de TPI 15kV até 8 kHz.
61
Com o objetivo de comprovar a diferença na resposta em frequência de equipamentos
de mesma classe de operação, e até mesmo de mesmo fabricante, um segundo ensaio
realizado com outro TPI da ordem de 15kV, modelo VFE-15, foi realizado. De um diferente
lote de produção, porém do mesmo fabricante, os dados obtidos apontaram uma resposta em
frequência diferente para ambos os equipamentos. A figura 39 compara os valores de relação
de transformação normalizada para os dois TPs na faixa de 20 Hz até 20 kHz.
Figura 39 - Comparação resposta em frequência de dois TPIs 15kV da fabricante Balteau.
Além dos componentes internos aos TPs indutivos que influenciam na sua resposta em
frequência, fatores como temperatura do laboratório podem ter impacto nos resultados, uma
vez que os ensaios foram realizados com vários dias entre eles e em um local diferente do
primeiro. A montagem deste segundo experimento está apresentada na figura 40. A influência
direta da temperatura não estava no escopo deste projeto, portanto não foi determinada com
maior precisão.
62
Mesmo com a diferença entre a relação de transformação, o erro entre a resposta de
ambos os transformadores não ultrapassa 3% até a faixa de 10 kHz. Na região mais crítica, o a
diferença entre eles chega próximo a 18%, com um valor muito próximo, e linear, para faixas
abaixo de 5 kHz.
Essas informações reforçam o fato da necessidade de uma análise específica para cada
transdutor de tensão utilizado para medição, uma vez que cada um apresentará um
comportamento de acordo com o local de instalação, condições de operação, lote de
fabricação e configurações de construção.
Figura 40 - Montagem segundo ensaio com TPI 15kV.
Em uma segunda medição deste TP, com o objetivo de estudar a influência da tensão
primária aplicada no transformador de potencial, um amplificador valvulado com ganho de
três vezes foi utilizado para elevar o sinal injetado à 15 Vpp (conforme figura 41). Utilizando
o mesmo TPI utilizado comparativamente no ensaio anterior, os resultados obtidos apontam
que o aumento da tensão primária injetada no transformador pouca influência teve em sua
resposta em frequência. Essa conclusão pode ser obtida através de análise da figura 42.
63
Figura 41 - Montagem de ensaio em TPI 15kV com amplificador na tensão primária.
Figura 42- Resposta em frequência comparativa de TPI 15kV com e sem a utilização de amplificador para
a tensão primária.
Até a faixa de 10 kHz, a diferença percentual entre a relação de transformação
normalizada entre os dois resultados não ultrapassa 4%, chegando a 5% no ponto mais crítico.
64
Essa diferença entre os resultados pode, ainda, ser resultado da influência do amplificador
valvulado utilizado para elevação do sinal à 15 Vpp.
Finalmente, um terceiro ensaio foi realizado com um TPI da fabricante Megavolt S/A,
disponível nos laboratórios da UFPR, para levantamento de sua resposta em frequência. Os
dados nominais do transformador são de: RTP - 13800:110. A montagem do experimento está
apresentada na figura 43.
Figura 43 - Montagem ensaio de resposta em frequência TPI 15kV Megavolt S/A.
Os resultados obtidos, aplicando uma tensão de entrada de 5 Vpp, entre as frequências
de 20 Hz e 20 kHz estão representados no gráfico da figura 44.
65
Figura 44 - Resposta em frequência TPI 15kV Megavolt S/A.
Comparativamente aos resultados apresentados anteriormente, percebe-se a clara
diferença entre as respostas em frequência dos TPIs de mesma classe de fabricantes
diferentes. Para este ensaio, a medição realizada pelo transdutor já está comprometida para
sinais acima de 6 kHz, ultrapassando 10% de alteração da relação de transformação. A
diferença pode ser claramente percebida no gráfico da figura 45, comparando o TPI de 15kV
da fabricante Balteau (disponibilizado pelo instituto LACTEC) e o TPI de 15kV da fabricante
Megavolt (disponibilizado pelos laboratórios da UFPR).
Percebe-se ainda que a característica principal, da linearidade da resposta até valores
de 5 kHz se manteve para este equipamento.
66
Figura 45 - Comparativo de resposta em frequência de TPIs 15kV de diferentes fabricantes.
5.1.2 Divisor de Potencial Capacitivo – 38kV
Além dos ensaios realizados em transformadores de potencial, foram feitos também
levantamentos para determinação da resposta em frequência de um DPC. O equipamento
escolhido para teste tinha como características de construção: nível de tensão 38kV; relação
de transformação nominal de 1000:1.
O ensaio realizado seguiu as mesmas características dos realizados anteriormente, pelo
método da varredura de frequência, e pode ser observada a montagem do experimento na
figura 46.
Para esse equipamento, assim como nos transformadores indutivos estudados,
varreduras foram realizadas com valores de tensão primária em 5 Vpp e 15 Vpp, para analisar
a influência desse parâmetro em sua resposta em frequência, ambos variando de 20 Hz até 1
MHz.
67
Com a injeção de 5 Vpp, pode-se perceber nos resultados apresentados na figura 47,
que o DPC apresenta uma boa resposta em frequência para toda a faixa em estudo. Os
resultados foram limitados à 100 kHz para melhor visualização dos dados. A pequena
variação observada nas frequências mais baixas atinge valores próximos a 3% nos pontos
mais críticos.
Figura 46 - Montagem laboratorial de ensaio para levantamento de resposta em frequência de DPC 38kV.
Figura 47 - Resultados de ensaio de resposta em frequência com a aplicação de 5Vpp em um DPC 38kV.
68
Os resultados da segunda varredura, realizada com aplicação de 15Vpp no primário do
DPC, podem ser observados na figura 48. A pequena variação, de aproximadamente 3%, que
pode ser vista para frequências abaixo de 10 kHz pode ser resultado da influência do
amplificador valvulado utilizado para realização do experimento. Mesmo com a pequena
alteração, percebe-se a significativa linearidade de medição do equipamento.
Figura 48 - Resultados de ensaio de resposta em frequência com a aplicação de 15Vpp em um DPC 38kV.
Os dados obtidos apontam que, para frequências entre 60 Hz e 10 kHz, os valores da
relação de transformação normalizada não sofrem alterações maiores de 2%.
5.1.3 Transformador de Potencial Capacitivo – 230kV
O terceiro tipo de transformador estudado foi o capacitivo. O equipamento escolhido
foi um TPC da classe de 230kV da General Eletric, possuindo uma relação de transformação
nominal de 2000:1, ou ainda 1200:1 em seu tap central.
69
Com empréstimo do equipamento pela Companhia Paranaense de Energia (COPEL), o
ensaio foi realizado na sede Atuba da companhia, devido à dificuldade de transporte do
equipamento.
Todos os equipamentos necessários para a medição e levantamento dos dados foi
levado até o local do ensaio, e a montagem foi realizada conforme descrito na sessão 3.1, e
apresentada na figura 49.
Figura 49 - Montagem de ensaio para estudo de TPC 230kV.
A conexão da tensão no primário do transformador foi realizada conforme mostrado
na figura 50.
Infelizmente, devido às condições de aterramento no local de ensaio, um almoxarifado
onde o TPC se encontrava, os sinais obtidos pelas medições ficaram distorcidos e com a
presença de ruído. Todas as conexões utilizadas foram verificadas, e observado que a fonte de
distorção provinha da conexão ao ponto de terra do sistema.
Como lição desse experimento, notou-se a necessidade de uma boa malha de
aterramento presente para a realização do experimento de levantamento de resposta em
frequência devido à utilização de sinais em alta frequência.
70
Figura 50 - Injeção de sinal no primário do TPC 230kV.
5.1.4 Transformador de Potencial Indutivo – 150kV
O último ensaio de levantamento de resposta em frequência foi realizado com um TP
indutivo de 150 kV (figura 52). O TP utilizado possui vários taps intermediários com
diferentes relações de transformação, conforme apresentado na figura 51. O tap utilizado foi o
nominal, com relação de 150000:100 V.
Seguindo a metodologia descrita no capítulo 4, os dados obtidos apontam uma
resposta em frequência com grandes não-linearidades para frequências muito abaixo de 5
kHz, conforme a figura 53.
71
Figura 51 - Terminais de conexão para TPI 150kV.
Figura 52 - TPI 150 kV.
72
Figura 53 - Resposta em frequência TPI 150kV.
Pode-se perceber para esta figura, que conforme esperado, o TPI de classe de operação
mais elevada tem uma frequência crítica, a partir da qual erros de medição se tornam
presentes, próxima à 500 Hz, com grandes variações para todas as frequências acima dessa
faixa.
Aproximando o gráfico para a região até 2 kHz, figura 54, podemos ver uma variação
na relação de transformação mais representativa do transformador para frequências a partir de
500 Hz.
Estes dados mostram a grande não-linearidade na frequência de equipamentos de
medição de alta tensão, incapazes de medir com precisão harmônicos de até mesmo baixa
ordem (10ª componente harmônica – 600 Hz). Estes componentes se mostram inadequados
para medição de grandezas elétricas em locais onde exista grande injeção de harmônicos na
rede elétrica, como parques eólicos e usinas de geração por energia solar.
0
0,5
1
1,5
2
2,5
3
0 5000 10000 15000 20000 25000
RTP
No
rmal
izad
o
Frequência (Hz)
73
Figura 54 - Resposta em frequência de TPI 150kV até 1 kHz.
Finalmente, uma análise entre todos os transdutores de tensão estudados pode ser
realizada. Analisando os dados da figura 55, pode-se perceber uma clara diferença entre todos
os equipamentos nos quais a resposta em frequência foi determinada.
Figura 55 - Comparação entre TPs e DPC em estudo.
74
Conforme resultados esperados, a resposta em frequência mais crítica pertence ao TPI
de maior classe de operação, 150kV, enquanto os TPIs de 15kV possuem respostas
características ao seu design construtivo e parâmetros internos.
No gráfico da figura 35 pode-se notar com clareza a linearidade oferecida pelo divisor
de potencial capacitivo para a medição de tensão elétrica e suas componentes harmônicas.
Uma medição incorreta realizada por um TP pode influenciar diretamente em decisões
tomadas nas usinas de geração de energia solar e eólica, pela necessidade ou não da utilização
de filtros harmônicos, bem como a determinação da operação das usinas, uma vez que parte
dela pode ser interrompida por ultrapassar os limites de harmônicos aceitáveis pelas normas
nacionais.
75
6 CONCLUSÕES E SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
6.1 CONCLUSÕES
Com base nos dados obtidos e em função dos estudos realizados, percebe-se a
necessidade que estará presente em todas as instalações de geração de energia eólicas, solares,
dentre outras que utilizam equipamentos como inversores, responsáveis pela injeção de
componentes harmônicas na rede elétrica, do estudo e avaliação dos equipamentos utilizados
para transdução do sinal elétrico de tensão e corrente.
Sem esse estudo e levantamento da resposta em frequência, não será possível a
determinação dos valores reais medidos pelos transformadores, e as decisões tomadas podem
estar em desacordo com a norma, tanto sub quanto sobre dimensionando os valores medidos.
Além disso, certas conclusões específicas puderam ser tiradas pelos dados obtidos:
Transformadores de potencial indutivos de média tensão podem ser utilizados
para medição de harmônicos até a faixa de 5 kHz, enquanto TPIs de alta tensão
até a faixa de 500 Hz;
Quanto maior o nível de tensão do transformador de potencial indutivo, pior
será sua resposta em frequência;
Divisores capacitivos podem ser utilizados para medições de harmônicos
devido à sua boa resposta em frequência para todo espectro;
Para a realização de levantamento de resposta em frequência de transdutores de
tensão, não se pode negligenciar a forma de aterramento do sistema de teste,
cabos utilizados para interface e conexões. As normas devem ser seguidas para
a correta realização do ensaio;
Mesmo que, eventualmente, fabricantes de TPs forneçam sua resposta em
frequência, estudos ainda devem ser realizados devido à fatores externos como
temperatura;
76
6.2 SUGESTÕES PARA TRABALHOS FUTUROS
O tema da resposta em frequência dos transformadores de potencial, tanto indutivo
quanto capacitivo, será cada vez mais presente para operadores e reguladores do sistema
elétrico brasileiro. É necessário que se conheça o comportamento dos equipamentos em seu
local final de utilização e, portanto, novos experimentos devem ser desenvolvidos com o
objetivo de estudar novos equipamentos em campo, além dos já instalados.
Uma maior gama de TPCs e TPIs devem ser analisadas, tanto de baixa, média e alta
tensão, para melhor conhecer o comportamento dos equipamentos disponibilizados
atualmente no mercado e determinando, assim, sua faixa possível de operação com sinais
harmônicos presentes no sistema elétrico onde será instalado.
Esses ensaios adicionais são de grande importância para determinação das
características de operação de cada classe de TPs, avaliar as faixas harmônicas que o
componente pode medir com confiança – ou seja, quais componentes harmônicas serão mais
afetadas por distorções no TP –, para que as tomadas de decisões baseadas em suas medições
possam ser confiáveis. Essas informações serão vitais também na validação se as usinas
eólicas e solares estão dentro das condições aceitáveis de injeção de harmônicos na rede.
É possível o desenvolvimento de um filtro que corrija a influência da resposta em
frequência dos transformadores de potencial para melhor leitura de componentes harmônicas
nos sinais elétricos, de forma a linearizar sua resposta a partir da modelagem do equipamento
e determinação das características filtro necessário. Um equipamento capaz de alterar
parâmetros de controle para adaptação à cada tipo e resposta de frequência de um TP será de
grande benefício para o mercado de medição e geração de energia nacional, melhorando
continuamente a qualidade de energia entregue a todos os consumidores do sistema elétrico
brasileiro.
77
REFERÊNCIAS
ABEEÓLICA. Dados Mensais – Março de 2017. Disponível em
<http://www.abeeolica.org.br/wp-content/uploads/2017/04/Dados-Mensais-ABEEolica-
04.2017.pdf>. Acesso 20 abr. 2017.
AGÊNCIA BRASIL. Em 2016, energia eólica no Brasil passou a ter condições de
produzir 10 GW. Rio de Janeiro, 2016. Disponível em: <
http://agenciabrasil.ebc.com.br/economia/noticia/2016-08/em-2016-energia-eolica-no-brasil-
passou-ter-condicoes-de-produzir-10-gw >. Acesso em 15 mar. 2017.
AGÊNCIA BRASIL. Geração de energia eólica deve continuar crescendo nos próximos
anos. Rio de Janeiro, 2016. Disponível em <
http://agenciabrasil.ebc.com.br/geral/noticia/2016-01/geracao-de-energia-eolica-deve-
continuar-crescendo-nos-proximos-anos >. Acesso em: 17 mar. 2017.
ANNABATULLA, J.; YELEMANCHI, D.; SIRISH, T. S. Factors Influencing The
Frequency Response Of Capacitive Voltage Transformers. IJAREEIE, v. 3, n. 8. 2014.
BAKAOUKAS, A. G.; TRIANTAFYLLOS, K.. Pulse width modulation (PWM) method
for power components estimation under harmonic distortion conditions. Em: Science and
Information Conference (SAI), 2015. IEEE, 2015. p. 1132-1139.
BUCHHAGEN, C. et al. Metrological determination of the frequency response of
inductive voltage transformers up to 20 kHz. Em: Power and Energy Society General
Meeting (PES). IEEE, 2013. p. 1-5.
CEPEL. Definição das metodologias e procedimentos necessários às campanhas de
medição dos indicadores de desempenho. Relatório 2.1 – 028/2005, Rev. 4, Dezembro,
2007.
78
DUGAN, Roger C.; MCGRANAGHAN, Mark F.; BEATY, H. Wayne. Electrical power
systems quality. New York, NY: McGraw-Hill,| c1996, 1996.
DOBLE. M5400 – Sweep Frequency Response Analyzer. Disponível em
<http://www.doble.com/product/m5400/ >. Acesso em: 18 jun. 2017.
HAEFELY HIPOTRONICS. Frequency Response Analyzer. Disponível em
<http://www.haefely-hipotronics.com/products/product/frequency-response-analyzers-fra-
5310/ >. Acesso em: 18 de junho de 2017.
KLATT, M; MEYER, J.; ELST, M. Frequency Responses of MV voltage transformers in
the range of 50 Hz to 10 kHz. Em: Harmonics and Quality of Power (ICHQP), 2010 14th
International Conference on. IEEE, 2010. p. 1-6.
KUNDE, Kerstin et al. Frequency response of instrument transformers in the kHz
range. Heft6/2012. Disponível em:
<http://www.trench.at/content/download/1604/14169/file/Frequency%20Response%20of%20
Instrument%20Transformers%20in%20the%20kHz%20range.pdf>. Acesso em: 20 mar.
2017.
LEI, Ting et al. Behavior of voltage transformers under distorted conditions. Em:
Instrumentation and Measurement Technology Conference Proceedings (I2MTC), 2016 IEEE
International. IEEE, 2016. p. 1-6.
LIPSKY, A.; MITEVA, N.; LOCKSHIN, E. Frequency Response of Voltage Transformers
and Power Quality in Medium Voltage Networks.
MAMEDE FILHO, João. Manual de equipamentos elétricos. Grupo Gen-LTC, 2005.
79
O GLOBO. Energia solar cresceu 70% em dois anos. 01 de janeiro de 2017. Disponível
em: < https://oglobo.globo.com/economia/energia-solar-cresceu-70-em-dois-anos-
20715504>. Acesso em 17 jun. 2017.
OMICRON. FRANEO 800 – Sweep frequency response analyzer. Disponível em <
https://www.omicronenergy.com/en/products/all/primary-testing-monitoring/franeo-
800/#Description >. Acesso em: 18 jun. 2017.
OPERADOR NACIONAL DO SISTEMA ELÉTRICO – ONS. Instrução para realização
de estudos e medições de QEE relacionados aos novos acessos à rede básica para
parques eólicos, solares e consumidores livres. NT 009/2016, Rev. 1. Abril, 2016.
SAMESIMA, M. I.; DE OLIVEIRA, J. C.; DIAS, E. M. Frequency response analysis and
modeling of measurement transformers under distorted current and voltage supply.
IEEE Transactions on Power Delivery, v. 6, n. 4, p. 1762-1768, 1991.
RODRIGUES, Augusto Marconcin. Influência da distorção harmônica e de desequilíbrios
em medidores de energia elétrica ativa. Trabalho de conclusão de curso – Universidade
Federal do Paraná, 2009.
MEYER, Jan; STIEGLER, Robert; KILTER, Jako. Accuracy of voltage instrument
transformers for harmonic measurements in elering's 330-kV-transmission network.
Em: Electric Power Quality and Supply Reliability (PQ), 2016. IEEE, 2016. p. 85-90.
STIEGLER, R. et al. Accuracy of harmonic voltage measurements in the frequency range
up to 5 kHz using conventional instrument transformers. Em: 21st International
Conference on Electricity Distribution (CIRED). 2011.
ZHAO, Senpeng et al. Test and analysis of harmonic responses of high voltage
instrument voltage transformers. 2014.