Transformadores para Instrumentos, Notas de estudo de Engenharia Elétrica

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TRANSFORMADORES

PARA

INSTRUMENTOS

MÓDULO I

Prof. Flávio Franco

• 1. Introdução
• TRANSFORMADORES DE CORRENTE:
• 2.3. Paralelogramos de exatidão:
• Especificação:
• Fator Térmico - Limite Térmico:
• Representação de Transformadores de corrente:
• TRANSFORMADORES DE POTENCIAL:
• 3.4. Tipos de Transformadores de Potencial:
• Especificação:
• 3.5. Nível de isolamento:
• 3.7. Representação de Transformadores de Potencial:
• CIRCUITOS DE MEDIÇÃO
• Ligação dos Transformadores Auxiliares de Medição:
• Ligação TP – Sistema Triângulo
• Ligação TP – Sistema Estrela
• Ligação TC – Sistema Estrela:
• CHAVE DE BLOQUEIO (AFERIÇÃO)
• Finalidade:
• Constituição:
• Ligação – Sistema 4 fios:
• Ligação – Sistema 3 fios:
• Fiação Completa das Medições:
• MEDIÇÃO DE ENERGIA REATIVA
• Emt = Em 1° el + Em 2° el + Em 3°el
• Medição de Dois Elementos
• 2.1. ENERGIA ATIVA
• 2.2. ENERGIA REATIVA
• 2.3. ENERGIA APARENTE
• 3. DEMANDA
• 3.1. DEMANDA MÁXIMA
• 3.2. DEMANDA MÉDIA
• 3.3. DEMANDA REGISTRADA
• 3.4. DEMANDA CONTRATADA
• 3.5. DEMANDA FATURADA ( SISTEMA CONVENCIONAL )
• 4. FATOR DE CARGA
• 4.1. INTRODUÇÃO
• 4.2. DEFINIÇÃO DE FATOR DE CARGA
• 4.3. CÁLCULO DE FATOR DE CARGA
• 4.4. INFLUÊNCIA DO FATOR DE CARGA NA CONTA DE ENERGIA ELÉTRICA
• 4.5. MEDIDAS PARA MELHORAR O FATOR DE CARGA
• 4.6. CÁLCULO DO NOVO FATOR DE CARGA
• 1.2 CONEXÃO ESTRELA
• 1.3 CONEXÃO TRIÂNGULO

1. Introdução

A grande expansão dos sistemas elétricos exige o uso de correntes e tensões

cada vez maiores. Hoje em dia é comum a operação das redes elétricas em níveis de

corrente da ordem de centenas ou milhares de ampéres,e de muitos milhares de volts.

Não existindo aparelhos de medição, de uso prático, que possam medir

diretamente estas tensões e correntes, faz-se mister um dispositivo que possa reduzir,

tantas vezes quanto necessário, os altos valores a serem medidos, até se adequarem

aos aparelhos de medição normalmente usados.

Ao mesmo tempo, este dispositivo deverá isolar os aparelhos de medição (os

quais operam em níveis de isolamento baixos) das altas tensões existentes nos

sistemas a serem medidos.

O dispositivo em questão é o transformador para instrumentos (TI).

Figura 1 – Transformador de Potencial (TP)

O número de vezes que a grandeza é reduzida se denomina relação de transformação nominal.

• Para um T.C. é dado por
• Para um T.P. é dado por

Onde:

Kc= Relação de transformação do “T.C.”

Kp= Relação de transformação do “T.P.”

R.T.N.= Relação de transformação nominal.

O poder do isolamento de resistir (sem se alterar) às altas tensões e, portanto, isolar os aparelhos de medição define o nível de isolamento.

Os ensaios a que são submetidos os transformadores para instrumentos visam, antes de tudo, verificar essas duas características, podendo ser classificadas em duas categorias principais:

ensaios de isolamento (dielétricos); ensaios de exatidão.

A ocorrência inevitável de perdas no ferro, quedas de tensão nos enrolamentos,

e corrente de extinção necessária para a magnetização do núcleo, torna impossível a obtenção de uma exatidão de 100%, em quaisquer condições. Não só a relação de transformação efetiva se afasta da nominal, como também surge um defasamento angular entre os valores primário e secundário da grandeza medida. O erro introduzido pelo transformador ao efetuar a transformação é, portanto, composto de dois

elementos.

1. Um erro de relação de transformação (ERT)
2. um erro de ângulo de fase (EAF).

Erro Angular de Fase

Qualquer que seja a grandeza medida, ela será afetada pelo primeiro tipo de erro. O segundo tipo, porém, só afetará a medição de grandezas ligadas ao FP do circuito, tais como: energia (Kwh), potência ativa (Kw) e reativa (KVAr),etc. Neste caso,

os dois erros agem independentemente sobre o aparelho medidor e seus efeitos podem somar-se, subtrair-se ou se anular.

A existência de dois tipos de erro dá origem a dois fatores de correção:

1. o fator de correção da relação (FCR), originado pelo primeiro
2. o fator de correção do ângulo de fase (FCAF), originado pelo segundo.

A exatidão do transformador depende diretamente da carga a ele ligada, isto é, do tipo e quantidade dos aparelhos de medição aplicados no secundário. Por esta razão, quando se especificada uma classe de exatidão, é indispensável especificar também a carga correspondente.

Essa carga, sendo uma impedância, costuma ser expressa em volt ampéres sob

um determinado fator de potência. Desde que a carga aplicada ao secundário não ultrapasse o valor nominal, o transformador mantém sua classe de exatidão. Uma vez excedido esse valor, porém, o erro aumenta rapidamente.

Quanto maior a exatidão desejada em um transformador, maior o seu custo. Do mesmo modo, quanto maior a carga especificada, maior o preço de custo. Na verdade,

o custo aumenta mais rapidamente do que a exatidão e a carga. Por esta razão não se deve especificar transformadores com valores de carga e exatidão superiores aos estritamente necessários.

Em todo aparelho elétrico e, portanto, também nos transformadores para

instrumentos, o que determina a vida útil do aparelho é o tipo e as condições do isolamento. A vida do isolamento depende diretamente de sua temperatura e esta por sua vez é função da corrente que circula no aparelho.

TRANSFORMADORES DE CORRENTE:

Praticamente, apenas duas grandezas são medidas diretamente através de transformadores para instrumentos: a corrente da linha e a tensão entre fases ou de fase para terra. Todas as outras grandezas – potência ativa, reativa e aparente, energia, ângulo de fase, freqüência, etc., são derivadas da tensão e da corrente medida. Em conseqüência, dividem-se os transformadores para instrumentos em dois tipos: os transformadores de corrente e os de potencial.

Os transformadores de corrente são sempre monofásicos e dispõem, em geral, de dois terminais primários. O circuito cuja corrente se deseja medir é secionada e o transformador é inserido na linha, ligando-se cada um dos seus terminais primários a uma das extr4emidades do trecho secionado. Verifica-se , portanto, que o circuito primário do transformador é ligado em série como circuito a ser medido.

Entre o circuito e a terra existe uma diferença de potencial que, em muitos casos, pode atingir a centenas de milhares de volts. Estando o circuito primário do

transformador de corrente diretamente ligado à linha, será também submetido a esta mesma tensão.

É indispensável, portanto, que esse circuito seja isolado do núcleo e do enrolamento secundário e que esse isolamento seja previsto para o mesmo nível de isolamento que a linha em que o transformador será ligado.

O custo do transformador cresce a medida que aumenta seu nível de isolamento, razão pela qual normalmente não se de vê especificar um transformador de nível de isolamento superior àquele do circuito em que será ligado.

Em volta do núcleo são aplicadas as espiras secundárias. Caso o transformador

disponha de mais de um núcleo, cada enrolamento de baixa tensão é aplicado sobre o próprio núcleo, sendo que o circuito primário é comum a todos os núcleos. Os núcleos geralmente são aterrados, e como os circuitos secundários operam com uma pequena diferença de potencial em relação à terra (não mais de 600V) o isolamento entre eles e os respectivos núcleos é projetado para o menor nível de isolamento, a

classe 0,6kV. Para se assegurar que os circuitos e aparelhos de medição manterão o seu potencial em relação à terra, próximo deste valor, costumam eles ser solidamente aterrados em um só ponto.

Sendo a corrente a ser medida geralmente superior a 5 ampéres, normalmente os transformadores de corrente têm seu circuito primário formado por poucas espiras

de fio grosso. O secundário, por outro lado, disporá de muitas espiras de fio fino.

Não existe, praticamente, tensão entre espiras no transformador de corrente. A tensão secundária é determinada pela carga aplicada no secundário, uma vez que a corrente secundária só depende da corrente primária. Assim, se tivermos um TC de relação 200-5A com uma corrente de 160A circulando no primário e uma carga de

0,5ohms aplicada aos bornes secundários, a corrente secundária será: 160/40=4A e a tensão entre bornes de BT será: 4x0,5=2volts.

O erro introduzido pelos transformadores de corrente na transformação é devido à corrente de excitação necessária para magnetizar o núcleo. Essa corrente aumenta à medida que cresce a densidade de fluxo do núcleo, aumentando também o erro. Por

essa razão, é indispensável manter a densidade de fluxo e, portanto, a tensão entre os bornes secundários próximo aos valores projetados, a fim de evitar que o erro ultrapasse os valores garantidos.

Sendo a tensão secundária resultado do produto I2.Z a corrente secundária pela impedância dos aparelhos ligados aos bornes secundários, verifica-se que o aumento

indevido de qualquer um destes fatores introduzirá um erro excessivo na transformação. Tanto uma corrente muito superior à nominal, motivada por sobrecarga ou curto-circuito na linha primária, quanto um aumento na carga secundária, devido ao uso de muitos aparelhos, ou aparelhos de grande impedância, ocasionarão erros superiores aos previstos na transformação.

Devido a relação existente entre a carga secundária e o erro, a Associação Brasileira de Normas Técnicas – ABNT, padronizou uma série de cargas, cada uma com um valor definido de resistência e indutância, em constantes da tabela I. Sendo fixa a indutância da carga, sua reatância dependerá da freqüência de voltampéres e de cos em 60Hz.

Tabela 1 - Cargas nominais padronizadas para ensaios de TC´s Cargas nominais Características

Designação ABNT

Designação ANSI

Potência aparente VA

Fator de potência

Resistência Indutância Impedância

devem agir sobre os relés aplicados em seus secundários enquanto circula na linha uma alta corrente ocasionada por um curto–circuito no sistema primário.

Apesar de os relés exigirem apenas uma exatidão grosseira (em geral 10% algumas vezes 2,5%) as correntes primárias podem chegar a 10, 20 e, em alguns casos50 vezes o valor nominal do transformador. Tais condições de operação exigem transformadores especiais, projetados especialmente para esse tipo de funcionamento,não só para assegurar a exatidão desejada no momento do curto – circuito como também para a evitar a queima dos enrolamentos e do isolamento devido à alta corrente.

Também as classes de exatidão normalizadas são definidos pelos paralelogramos representados nas figuras 1, 2 e 3 a seguir. Para cada valor da relação, o paralelogramo determina os valores máximo e mínimo do defasamento angular.

2.3. Paralelogramos de exatidão:

Limites das classes de exatidão 0,3 – 0,6 – 1,2 em transformadores de corrente para serviço de medição.

a) Limites da classe de exatidão 0,3 (com 100% e 10% da corrente nominal)

Ângulo de fase em minutos TRANSFORMADORES DE CORRENTE Limites de classe em exatidão 0, (com 100% e 10% de corrente nominal)

Limites das classes de exatidão 0,3 – 0,6 – 1,2 em transformadores de corrente para serviços de medição.

Limites das classes de exatidão 0,3 – 0,6 – 1,2 em transformadores de corrente para serviço de medição.

c) Limites da classe de exatidão 1,2 (com 100% e 10% da corrente nominal).

Especificação:

Para a aquisição de um transformador de corrente é indispensável fornecer, no mínimo as seguintes informações:

3.5. Nível de isolamento:

Corrente primárias e secundária; Tipo de serviço (medição ou relés); Classes de exatidão com cargas normalizadas; Tipo de isolamento (seco, em óleo ou massa isolante); Uso (abrigado ou ao tempo).

Caso circunstâncias especiais de aplicação justifiquem, outras características deverão ser especificadas, tais como: nível de isolamento para impulso, fator térmico (sobrecarga permanente), limite térmico (sobrecarga admissível em um segundo), religação primária, secundário múltiplo, freqüência, etc.

O limite térmico é calculado de modo a restringir a temperatura nos enrolamentos a 250°c admitindo-se a temperatura inicial dos mesmos seja 95°c o fator térmico é determinado pela corrente que, circulando por tempo indeterminado, eleva a temperatura dos enrolamentos a 55°c acima do ambiente.

Representação de Transformadores de corrente:

Devem ser indicadas:

As correntes primárias nominais em ampéres e as correntes secundárias nominais em ampéres, ou as correntes primárias nominais em ampéres e as relações nominais.

As correntes primárias e as relações nominais devem ser escritas em ordem crescente, do seguinte modo: O hífen (–) deve ser usado para separar correntes nominais de enrolamentos diferentes. Por exemplo:

100 – 5 A

100 – 100 – 5 A ( caso de um transformador com vários enrolamento primários empregados individualmente).

O sinal de dois pontos ( : ) deve ser usado para exprimir relações nominais. Por exemplo:

O sinal ( x ) deve ser usado para separar correntes primárias ou relações obtidas de um enrolamento cujas bobinas devem ser ligadas em série ou em paralelo. Por exemplo:

100 X 200 - 5 A

20 x 40 : 1

A barra ( / ) deve ser usada para separar correntes primárias ou relações obtidas por meio de derivações, sejam estas no enrolamento primário ou secundário. Por exemplo:

150 / 200 – 5 A

TRANSFORMADORES DE POTENCIAL:

Em primeira aproximação, transformador de potencial poderá ser definido, simplificadamente, como um transformador de força ou distribuição ao qual se atribui uma nominal muito inferior ao valor real.

Com efeito, aplicando-se uma carga aos terminais secundários de um transformador de distribuição, a corrente solicitada pela carga provocará uma queda de tensão no transformador. Essa queda de tensão, motivada pela circulação da corrente através da resistência e reatância internas do transformador, faz com que a tensão entre os bornes de BT se afaste do valor teórico (tensão primária dividida pela relação nominal). A queda de tensão é diretamente proporcional à corrente e pode ser reduzida a valores muito pequenos se a corrente (e portanto a carga ) for proporcionalmente reduzida. Quando a queda de tensão, isto é, o erro ocorrido na transformação, atinge um valor aceitável para o fim em vista, o aparelho estará funcionando como um transformador de potencial.

É de se notar, por conseguinte, que fundamentalmente um transformador de potencial trabalha de maneira análoga à de um transformador convencional de força ou distribuição, ou seja, é ligado em “paralelo” com a linha, possui tensão entre os bornes aproximadamente constante e independente da carga, e a corrente em seus enrolamentos varia diretamente com a carga aplicada ao secundário. Diferentemente do transformador de corrente, o transformador de potencial precisa Ter não só os seus enrolamentos isolados entre si e do núcleo, mas também as próprias bobinas, camadas e espiras de cada enrolamento precisam ser devidamente isolados umas das outras, devido à grande diferença de potencial existente entre os bornes do circuitos primário.

Diferem os transformadores de potencial e de distribuição na potência nominal, que no primeiro é ditada por considerações de exatidão, ao passo que no segundo é definida pelo limite de temperatura atingido pelo ponto mais quente. Daí decorre que, do ponto de vista térmico, o transformador de potencial pode suprir uma carga muito maior do que aquela para qual é projetada, sem sofrer danos, embora nessas condições seu erro ultrapasse os valores garantidos. Também as perdas no ferro e no cobre, a impedância e a corrente de magnetização adquirem importância secundária no transformador de potencial, do qual se exige, antes de tudo, uma transformação fiel e exata da tensão.

Diretamente do transformador de corrente, que tem na sua corrente de excitação a principal causa do erro que introduz na medição, o transformador de potencial tem sua exatidão dependendo essencialmente de uma pequena queda de tensão interna. Por esta razão seu erro cresce à medida que aumenta a carga aplicada a seus bornes secundários. Com a finalidade de comparar o desempenho dos transformadores, a Associação Brasileira de Normas Técnicas padronizou uma série de cargas, cada uma com um valor definido de resistência e indutância, constantes da tabela III. Sendo fixa a indutância da carga, sua reatância dependerá da freqüência, razão pela qual cada carga tem valor de voltampéres e de fator de potência 60 Hz. Tabela 4 - Cargas Normalizadas para Transformadores de Potencial – Norma Brasileira Cargas nominais Características Características