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TRANSFORMADORES DE CORRENTE NORMAS • NBR 6546 - Transformadores para Instrumentos – Terminologia • NBR 6821 - Transformador de Corrente – Método de Ensaio • NBR 6856 - Transformador de Corrente – Especificação • IEEE Std C57.13 – 1993 (R2003) - IEEE Standard Requirements for Instrument Transformers • IEEE Std C37.110 – 2007 - IEEE Guide for the Application of Current Transformers Used for Protective Relaying Principles • IEC 60044 – 1 - Instruments Transformers – Part 1: Current Transformers • IEC 60044 – 6 - Instruments Transformers – Part 6: Requirements for Protective Current Transformers for Transient Performance Barramento CLASSIFICAÇÃO DOS TRANSFORMADORES DE CORRENTE • TCs para Medição • TCs para Proteção Classe A: TC que possui alta impedância interna Classe B: TC que possui baixa impedância interna Tipo construtivo de um TC da classe A Tipo construtivo de um TC da classe B TIPOS CONSTRUTIVOS • TC Tipo Enrolado • TC Tipo Barra • TC Tipo Janela • TC Tipo Bucha • TC Tipo com Núcleo Dividido • TC Tipo com Vários Enrolamentos Primários • TC Tipo com Vários Núcleos Bucha CARACTERÍSTICAS PARA ESPECIFICAÇÃO DE UM TC CONVENCIONAL • Corrente(s) Primária(s) Nominal(is) e Relação(ões) Nominal(is) • Tensão Máxima do Equipamento e Níveis de Isolamento • Frequência Nominal • Carga(s) Nominal(is) • Exatidão • Número de Núcleos para Proteção e Medição • Fator Térmico Nominal • Corrente Suportável Nominal de Curta Duração • Valor de Crista Nominal da Corrente Suportável • Tipo de Aterramento do Sistema • Uso Interno ou Externo Enrolado VALORES NOMINAIS • Corrente(s) Nominal(is) e Relação(ões) Nominal(is) As relações nominais são baseadas na corrente secundária nominal de 5 A Podem ser utilizadas, também, correntes secundárias nominais de 1 A e 2 A VALORES NOMINAIS • Tensão Máxima do Equipamento e Níveis de Isolamento VALORES NOMINAIS • Carga Nominal Cargas nominais padronizadas pela ABNT Cargas nominais padronizadas pelas normas ANSI VALORES NOMINAIS • Carga Nominal Cargas nominais padronizadas pelas normas IEC VALORES NOMINAIS • Classe de Exatidão TCs para Serviço de Medição ABNT - São enquadrados em uma das seguintes classes de exatidão: 0,3 – 0,6 – 1,2 – 3,0 ANSI - São enquadrados em uma das seguintes classes de exatidão: 0,3 – 0,6 – 1,2 As classes de exatidão 0,3 e 0,6 destinam-se, normalmente, às medidas de laboratório e faturamento A classe 1,2 serve, normalmente, para os demais medidores Para valores de 10% a 100% da corrente nominal, devem apresentar erro de relação (quantificado pelo FCR, fator de correção de relação) e de ângulo de fase (β) mínimos O fator de correção da transformação (FCT) assume os valores máximos e mínimos VALORES NOMINAIS • Classe de Exatidão TCs para Serviço de Medição VALORES NOMINAIS • Classe de Exatidão TCs para Serviço de Medição VALORES NOMINAIS • Classe de Exatidão TCs para Serviço de Medição VALORES NOMINAIS • Classe de Exatidão TCs para Serviço de Medição VALORES NOMINAIS • Classe de Exatidão TCs para Serviço de Medição A classe de exatidão 3,0, por não ter limitação do ângulo de fase, não deve ser usada em serviço de medição de potência ou de energia No caso de um transformador de corrente com classe de exatidão 3,0, considera-se que está dentro de sua classe de exatidão, em condições especificadas, quando nestas condições o fator de correção da relação está entre os limites de 1,03 a 0,97 Janela VALORES NOMINAIS • Classe de Exatidão TCs para Serviço de Proteção Estes TCs são enquadrados, segundo ABNT, nas classes de exatidão 5 e 10 Segundo as normas ANSI, tem-se apenas a classe 10 Considera-se que um TC para proteção está dentro de sua classe de exatidão quando o erro de relação percentual não for superior ao valor especificado (da classe de exatidão), desde a corrente secundária nominal até a corrente igual a 20 vezes a corrente secundária nominal VALORES NOMINAIS •Classe de Exatidão TCs para Serviço de Proteção Por exemplo, segundo a ABNT, a designação 10B800 para um TC, que tem uma corrente secundária nominal de 5 A Significa que o referido TC é da classe de baixa reatância (classe B) e que o erro de relação não excede 10% para qualquer valor de corrente secundária, variando de 1 a 20 vezes a corrente secundária nominal, desde que a carga não exceda a 8 ohms O número 800, na designação 10B800 do TC, corresponde à tensão secundária nominal deste mesmo equipamento Núcleo Dividido ����� ��� �� · ������ � ������á� � ��� �� · 20 � 8Ω · 5� · 20 � 800� VALORES NOMINAIS • Classe de Exatidão TCs para Serviço de Proteção A tensão secundária nominal é a tensão que se desenvolve nos terminais da carga secundária nominal, que o TC alimenta, quando circula por esta mesma carga uma corrente igual a 20 vezes a corrente secundária nominal Quando isto acontece, o erro da relação não excede o valor especificado Segundo as normas ABNT, as tensões secundárias nominais padronizadas são: 10 V, 20 V, 50 V, 90 V, 100 V, 180 V, 200 V, 360 V, 400 V e 800 V Segundo as normas ANSI [4], as tensões secundárias padronizadas são: 10 V, 20 V, 50 V, 100 V, 200 V, 400 V e 800 V Para as duas normas, estes valores correspondem à corrente secundária nominal de 5 A TC de Vários Núcleos VALORES NOMINAIS • Número de Núcleos para Proteção e Medição O número de núcleos para proteção e para medição de um TC deverá ser especificado de acordo com as necessidades de informação de corrente para alimentar, por exemplo, sistemas de proteção, de medição de faturamento, de medição indicativa para controle da operação, etc. TC de Vários Núcleos Para até 7 núcleos VALORES NOMINAIS •Número de Núcleos para Proteção e Medição VALORES NOMINAIS • Fator Térmico Nominal É o número pelo qual a corrente primária nominal de um TC deve ser multiplicada, de forma a se obter a corrente primária máxima que pode ser conduzida continuamente por este TC, sob frequência nominal e com a maior carga especificada, sem exceder os limites de elevação de temperatura A norma ANSI especifica o valor médio de 30º C para esta temperatura ambiente A norma ABNT estabelece como “condições normais” uma temperatura ambiente média não superior a 30º C e uma temperatura ambiente máxima de 40º C Segundo as normas ABNT, estes fatores são: 1,0 – 1,2 – 1,3 – 1,5 – 2,0 Já segundo as normas ANSI, os fatores térmicos nominais padronizados são: 1,0 – 1,33 – 1,5 – 2,0 – 3,0 – 4,0 VALORES NOMINAIS • Corrente Suportável Nominal de Curta Duração É o valor eficaz da corrente primária de curto-circuito (simétrica) que o transformador de corrente pode suportar por um tempo determinado (normalmente igual a 1 s) • Valor de Crista Nominal da Corrente Suportável É o valor de crista da corrente primária que um TC é capaz de suportar, durante o primeiro meio ciclo, com o enrolamento secundário curto-circuitado, sem se danificar mecanicamente, devido às forças eletromagnéticas resultantes A ABNT estabelece que o valor de crista nominal da corrente suportável é igual a 2,5 vezes o valor da corrente suportável nominal de curta duração USO INTERNO OU EXTERNO FORMA DE ESPECIFICAÇÃO DA CLASSE DE EXATIDÃO • TC para Serviço de Medição Indica-se a classe de exatidão, seguida do símbolo da maior carga nominal, com a qual se verifica esta classe de exatidão Pela ABNT ....................... 0,3 C50 Pela ANSI ........................ 0,3 B2 FORMA DE ESPECIFICAÇÃO DA CLASSE DE EXATIDÃO • TC para Serviço de Proteção Indica-se a classe de exatidão, a classificação quanto à impedância interna e a tensão secundária que aparece nos terminais, quando circula pela sua carga secundária uma corrente igual a 20 vezes a sua corrente secundária nominal (esta tensão é obtida multiplicando-se a impedância da carga nominal considerada por 20 vezes a corrente secundária nominal,geralmente 5 A) Segundo as normas ABNT................... 5 (ou 10) A800 Segundo as normas ANSI ................... T800 Segundo as normas ABNT .................. 5 (ou 10) B800 Segundo as normas ANSI ................... C800 CÁLCULO DA EXATIDÃO DE UM TRANSFORMADOR DE CORRENTE PARA SERVIÇO DE PROTEÇÃO UTILIZANDO SUA CURVA DE EXCITAÇÃO SECUNDÁRIA • Se a curva de excitação secundária e a impedância do enrolamento secundário são conhecidas, a exatidão da relação de transformação pode ser determinada CÁLCULO DA EXATIDÃO DE UM TRANSFORMADOR DE CORRENTE PARA SERVIÇO DE PROTEÇÃO UTILIZANDO SUA CURVA DE EXCITAÇÃO SECUNDÁRIA • É necessário assumir uma magnitude para a corrente secundária (�� ) e calcular a queda de tensão no circuito formado pelo enrolamento secundário e pela carga • Esta queda de tensão é numericamente igual a �� CÁLCULO DA EXATIDÃO DE UM TRANSFORMADOR DE CORRENTE PARA SERVIÇO DE PROTEÇÃO UTILIZANDO SUA CURVA DE EXCITAÇÃO SECUNDÁRIA • Com este valor de tensão �� , entrando-se na curva de excitação secundária obtém-se �� • A soma de �� com �� dará a corrente �� �⁄ • Multiplicando-se �� �⁄ por � obtém- se �� , que é a corrente primária que produzirá a corrente secundária �� , que foi assumida inicialmente • O fator de correção da relação de relação (FCR) será �� � · ��⁄ CÁLCULO DA EXATIDÃO DE UM TRANSFORMADOR DE CORRENTE PARA SERVIÇO DE PROTEÇÃO UTILIZANDO SUA CURVA DE EXCITAÇÃO SECUNDÁRIA • O fator de correção da relação de transformação (FCR) será �� � · ��⁄ • Assumindo-se vários valores de �� e obtendo-se o fator de correção da relação de transformação para cada um destes valores, pode-se traçar uma curva do fator de correção da relação de transformação em função de �� CÁLCULO DA EXATIDÃO DE UM TRANSFORMADOR DE CORRENTE PARA SERVIÇO DE PROTEÇÃO UTILIZANDO SUA CURVA DE EXCITAÇÃO SECUNDÁRIA • O método de cálculo da exatidão de um TC descrito não pode ser aplicado, de forma geral, para todos os tipos de TC • Pode ser usado apenas para TCs do tipo B, segundo a ABNT (ou do tipo C, segundo as normas ANSI), que possuem enrolamentos secundários completamente distribuídos e para os quais a reatância de dispersão secundária é tão pequena que pode ser considerada desprezível • O cálculo da exatidão pelo método da curva de excitação secundária é válido para correntes e cargas conectadas ao secundário dos TCs que levem a um erro de no máximo 10% CÁLCULO DA EXATIDÃO DE UM TRANSFORMADOR DE CORRENTE PARA SERVIÇO DE PROTEÇÃO UTILIZANDO SUA CURVA DE EXCITAÇÃO SECUNDÁRIA • Quando o erro excede apreciavelmente este valor, a forma de �� , e, por consequência, de �� , começa a ficar distorcida devido à saturação do núcleo do TC • Esta forma, ou esta condição, de operação de um TC, produzirá resultados não confiáveis, uma vez que os cálculos “manuais” da exatidão são feitos assumindo-se ondas senoidais • Os resultados serão cada vez menos confiáveis, na medida em que as magnitudes das correntes (tanto ��, quanto ��) aumentam TRANSFORMADORES DE CORRENTE INSTALADOS JUNTO A GRANDES BANCOS DE CAPACITORES EM DERIVAÇÃO • Pode existir o problema da circulação de correntes de alta frequência e com amplitudes elevadas (advindas da energização de bancos de capacitores em derivação, ou da descarga destes equipamentos sobre curtos-circuitos, próximos aos locais onde estiverem instalados) através das suas cargas secundárias (relés, medidores, cabos de controle etc.) TRANSFORMADORES DE CORRENTE INSTALADOS JUNTO A GRANDES BANCOS DE CAPACITORES EM DERIVAÇÃO • Estas correntes de alta frequência e com amplitudes elevadas podem provocar o aparecimento de tensões elevadas nos secundários dos transformadores de corrente • Exemplo: pelo ramal onde se encontra instalado um transformador de corrente com relação de transformação igual a 1000:5 A, circula uma corrente transitória de 30000 A, com frequência de 5.400 Hz. A reatância da carga secundária que o transformador de corrente alimenta é igual a 0,867 ohms. TRANSFORMADORES DE CORRENTE INSTALADOS JUNTO A GRANDES BANCOS DE CAPACITORES EM DERIVAÇÃO TRANSFORMADORES DE CORRENTE INSTALADOS JUNTO A GRANDES BANCOS DE CAPACITORES EM DERIVAÇÃO • Os valores das tensões desenvolvidas nos secundários dos TCs não deverão ultrapassar as tensões suportadas pelos equipamentos ligados ao seu secundário (relés, medidores, cabos de controle etc.), normalmente 1500 Volts-rms ou 2121 Volts- pico, ou pelos secundários dos próprios TCs, normalmente 2475 Volts-rms ou 3500 Volts-pico • Se a tensão desenvolvida for superior a estes valores, protetores deverão ser instalados nos secundários dos transformadores de corrente, de forma a se limitar esta a níveis compatíveis com os suportáveis pelos secundários dos transformadores de corrente, ou por seus circuitos associados (relés, medidores, cabos de controle etc.) TRANSFORMADORES DE CORRENTE INSTALADOS JUNTO A GRANDES BANCOS DE CAPACITORES EM DERIVAÇÃO Circuito para representação do transformador de corrente no EMTP/ATP TRANSFORMADORES DE CORRENTE INSTALADOS JUNTO A GRANDES BANCOS DE CAPACITORES EM DERIVAÇÃO ABERTURA DO CIRCUITO SECUNDÁRIO DE UM TRANSFORMADOR DE CORRENTE •O circuito secundário de um TC não pode ser aberto quando se tem corrente fluindo no circuito primário! • Quando o circuito secundário está aberto, não há força magnetomotriz secundária em oposição à força magnetomotriz oriunda da corrente primária • Toda força magnetomotriz primária atua na magnetização do núcleo • Se a corrente primária tem um valor apreciável, o núcleo do transformador de corrente satura a cada meio ciclo e a alta taxa de variação do fluxo, quando a corrente primária passa por zero, induz uma elevada força eletromotriz no enrolamento secundário ABERTURA DO CIRCUITO SECUNDÁRIO DE UM TRANSFORMADOR DE CORRENTE • Com corrente nominal fluindo, esta força eletromotriz poderá atingir algumas centenas de volts para um pequeno TC, e muitos kilovolts para o caso em que tenha um TC para serviço de proteção com alta relação de transformação • Tais tensões são perigosas, não apenas para o isolamento dos TCs e dos equipamentos conectados aos seus secundários (relés, medidores, cabos de controle etc.), mas, principalmente, para as pessoas que, eventualmente, estiverem trabalhando com o TC e com os seus circuitos associados • Se o circuito secundário tiver que ser aberto, quando se tem corrente fluindo no primário, é necessário que primeiro os terminais secundários do TC sejam curto-circuitados SOBRETENSÕES NOS SECUNDÁRIOS DOS TRANSFORMADORES DE CORRENTE SATURADOS • Embora o valor eficaz das tensões induzidas nos secundários dos TC seja limitado pela saturação do núcleo, valores elevados de tensões secundárias poderão ocorrer • Tais tensões secundárias poderão ocorrer caso a carga secundária deste TC seja grande e a corrente primária seja muitas vezes a corrente primária nominal SOBRETENSÕES NOS SECUNDÁRIOS DOS TRANSFORMADORES DE CORRENTE SATURADOS • As tensões elevadas ocorrem quando a taxa de variação do fluxo no núcleo for máxima • Isto ocorre quando o fluxo no núcleo estiver passando por zero • A máxima densidade do fluxo que pode ser atingida não afeta a magnitude da tensão que se terá no secundário • A magnitude da tensão desenvolvida no secundário depende da relação de transformação nominal do TC SOBRETENSÕES NOS SECUNDÁRIOS DOS TRANSFORMADORES DE CORRENTE SATURADOS • As tensões suportáveis pelos equipamentos ligados ao secundário dos TCs (relés, medidores, cabos de controle etc.) são, normalmente, 1.500 Volts-rms ou 2121 Volts-pico • As tensões suportadas pelos próprios secundários dos TCs são, normalmente, 2475 Volts-rms ou 3.500 Volts-pico • O mais baixo destes valores não deverá ser ultrapassado • Em vista dos valores acima, observar que mesmo que os TCs, eventualmente, possuam protetores para os seus secundários, poderá ser necessário proteger os seus circuitosassociados (relés, medidores, cabos de controle etc.) SOBRETENSÕES NOS SECUNDÁRIOS DOS TRANSFORMADORES DE CORRENTE SATURADOS • As tensões suportáveis pelos equipamentos ligados ao secundário dos TCs (relés, medidores, cabos de controle etc.) são, normalmente, 1.500 Volts-rms ou 2121 Volts-pico • As tensões suportadas pelos próprios secundários dos TCs são, normalmente, 2475 Volts-rms ou 3.500 Volts-pico • O mais baixo destes valores não deverá ser ultrapassado • Em vista dos valores acima, observar que mesmo que os TCs, eventualmente, possuam protetores para os seus secundários, poderá ser necessário proteger os seus circuitos associados (relés, medidores, cabos de controle etc.) RESPOSTA TRANSITÓRIA DE TRANSFORMADORES DE CORRENTE • A componente assimétrica das correntes de falta em sistemas de potência pode causar, em certas situações, a saturação dos TCs que alimentam os sistemas de proteção • Após a ocorrência de saturação do TC, a corrente fornecida aos relés ficará distorcida e o desempenho dos sistemas de proteção poderá ser afetado RESPOSTA TRANSITÓRIA DE TRANSFORMADORES DE CORRENTE • Nos modernos sistemas de potência, em EHV e UHV, preocupa- se mais com a fidelidade da transformação da corrente que alimenta os sistemas de proteção devido a: Aumento da magnitude das correntes de falta Aumento da constante de tempo da componente assimétrica das correntes de falta Necessidade de um tempo mais rápido na eliminação da falta Aumento dos requisitos de confiabilidade dos esquemas de proteção • Estes fatores implicam uma necessidade de se reduzir o tempo em que os relés de proteção deverão operar e que a “decisão de operar”, do sistema de proteção, seja feita num tempo em que a componente transitória da corrente de falta ainda está presente RESPOSTA TRANSITÓRIA DE TRANSFORMADORES DE CORRENTE • Resposta de TCs para Serviço de Proteção às Correntes de Faltas Assimétricas A causa de maior preocupação é a componente de corrente contínua, assimétrica, da corrente de falta primária Esta componente causa um aumento do fluxo magnético que circula pelo núcleo e é uma possível causa de erros no transformador de corrente RESPOSTA TRANSITÓRIA DE TRANSFORMADORES DE CORRENTE • Resposta de TCs para Serviço de Proteção às Correntes de Faltas Assimétricas Devido a sua característica ferromagnética, o núcleo do TC poderá reter certa quantidade de fluxo Este fluxo residual poderá ser devido a várias causas, como, por exemplo, correntes de falta fortemente assimétricas, correntes geomagnéticas induzidas nos sistemas de potência (mais prováveis no hemisfério norte) ou, ainda, testes de continuidade realizados nos circuitos secundários Se existir um fluxo remanescente no núcleo do TC, quando ocorrer uma falta no sistema, e se o fluxo produzido pela corrente desta falta for de mesma polaridade que o fluxo remanescente existente, o núcleo começará a saturar num tempo muito menor do que aquele que saturaria, caso não houvesse fluxo remanescente RESPOSTA TRANSITÓRIA DE TRANSFORMADORES DE CORRENTE • Desempenho do TC Durante Faltas A distorção da corrente secundária, que se obtém através do TC, começa sempre que a densidade do fluxo magnético entra na região de saturação do seu núcleo Os fatores que influenciam a densidade de fluxo magnético, que aparece no núcleo, são as características físicas do próprio núcleo do TC, a magnitude, a duração e a forma de onda da corrente primária e a natureza da carga secundária A saturação do núcleo pode ser produzida por correntes de faltas simétricas, de valor elevado, ou, o que é mais comum, por correntes de faltas assimétricas RESPOSTA TRANSITÓRIA DE TRANSFORMADORES DE CORRENTE • Desempenho do TC Durante Faltas Se o fluxo total excede o valor da densidade de fluxo de saturação, o TC poderá fornecer uma corrente secundária distorcida RESPOSTA TRANSITÓRIA DE TRANSFORMADORES DE CORRENTE • Desempenho do TC Durante Faltas O “tempo para saturação”, até o qual a corrente secundária é uma réplica fiel da corrente primária, é dependente dos seguintes parâmetros: Magnitude da corrente de falta Grau de deslocamento (assimetria) da corrente de falta Constante de tempo da componente de corrente contínua da corrente de falta Fluxo residual existente no núcleo do transformador de corrente Resistência e indutância do circuito secundário, incluindo resistência secundária do enrolamento Impedância secundária de excitação do transformador de corrente, à frequência nominal (obtida a partir da medida da corrente de excitação) Relação de espiras do transformador de corrente RESPOSTA TRANSITÓRIA DE TRANSFORMADORES DE CORRENTE • Desempenho do TC Durante Faltas A distorção da corrente secundária, que se obtém através do TC, começa sempre que a densidade do fluxo magnético entra na região de saturação do seu núcleo Os fatores que influenciam a densidade de fluxo magnético, que aparece no núcleo, são as características físicas do próprio núcleo do TC, a magnitude, a duração e a forma de onda da corrente primária e a natureza da carga secundária A saturação do núcleo pode ser produzida por correntes de faltas simétricas, de valor elevado, ou, o que é mais comum, por correntes de faltas assimétricas TRANSFORMADORES DE CORRENTE ÓPTICOS • Os TCs convencionais apresentam alguns problemas, em certas situações encontradas durante sua aplicação • Entre estes problemas podem ser citadas questões relativas à linearidade, resposta harmônica, resposta transitória, saturação, segurança, exatidão, etc. • Uma alternativa que tem recebido crescente atenção, por parte da indústria, nos últimos anos, é a utilização dos chamados TCs ópticos TRANSFORMADORES DE CORRENTE ÓPTICOS • Não apresentam a maioria dos problemas que se têm quando se aplica os TCs convencionais, de núcleo ferromagnético • Os TCs ópticos fornecem correntes com uma maior exatidão, tem tamanho e peso menores e trabalham com uma “largura de banda” maior do que os TCs convencionais • São fabricados atualmente para aplicação em sistemas de transmissão com tensão máxima de operação de 72,5 kV a 800 kV TRANSFORMADORES DE CORRENTE ÓPTICOS • Outra vantagem dos TCs ópticos, que merece ser comentada, é o fato de que eles são mais seguros para se trabalhar do que os convencionais • Este tipo de problema não acontece quando se trabalha com os TCs ópticos TRANSFORMADORES DE CORRENTE ÓPTICOS