Transformadores para instrumentos - Parte 01

Prévia do material em texto

Parte 3.1
Transformadores para 
Instrumentos
1
Introdução
Considerações iniciais
CARGA
RELÉ
52 BO
52-a
125 Vdc TP's
TC's
ou TPC’s
2
Função:
– Retratar as condições reais de corrente e tensão de um
circuito elétrico com a fidelidade necessária, seja em
regime permanente ou durante faltas.
– Isolação galvânica.
Exatidão e Isolamento
Normalizada
Fácil utilização
Sem risco para a segurança pessoal e patrimonial
Grandeza primária Grandeza 
secundária
PMS – UNIFEI / GQEE
Introdução
Considerações iniciais
3
Três tipos básicos convencionais:
Transformadores de Potencial (TPs)
Transformadores de Corrente (TCs)
Transformadores de Potencial Capacitivos (TPCs)
PMS – UNIFEI / GQEE
Introdução
Considerações iniciais
Relé 21
Wattímetro
outros
TP
TC
Carga
elétrica
4
Revisão da Teoria Básica de Transformadores
• Princípio de Funcionamento
– Transformação Eletromagnética.
• Tensões e correntes primarias são transformadas para valores
secundários adequados para uso em reles, medidores e outros
instrumentos. Em geral 115(V) e 5(A).
2
2
  .
. . ch
E
k
N f S
PMS – UNIFEI / GQEE
Introdução
Considerações iniciais
V1 V
2
E2

5
• Circuito Equivalente:
PMS – UNIFEI / GQEE
Introdução
Considerações iniciais
6
• Circuito Equivalente:
1 0 2 I I I
2
2
  .
. . ch
E
k
N f S
PMS – UNIFEI / GQEE
2 1
1 1
2 1 0
1 1
100
100
100
100
 



( . ).
.
( . ).
.
KnV V V
V V
Kn I I I
I I
Introdução
Considerações iniciais
E2
L1 L2 R2R1
 Iw
I1 I2
 V1 V2
Z
 Zc
I
7
• Circuito Equivalente:
PMS – UNIFEI / GQEE
2 1
1 1
100
100
 

( . ).
.
KnV V V
V V
2 1 0
1 1
100
100


( . ).
.
Kn I I I
I I
Erro % tensão Erro % corrente
Introdução
Considerações iniciais
E2
L1 L2 R2R1
 Iw
I1 I2
 V1 V2
Z
 Zc
I
8
Notas:
• Perdas:
– Devido a indução magnética não ser linear e nem biunívoca , a cada ciclo 
ter-se-a o laço de histerese.
* perdas por histerese
=> qualidade do aço
* perdas por Foucault
=> lâminas

H
H 
PMS – UNIFEI / GQEE
Introdução
Considerações iniciais
9
• A reatância de magnetização representa a parcela que consome 
I, logo:
• Com a conexão uma carga de impedância Zc teremos:
0   WI I I
2
2
  .
. .
T
ch
Z I
k
N f S
I0
Iw
I
ZT – Impedância total do secundário incluindo a carga
Sch – Seção da chapa
N2 – Número de espiras do secundário
PMS – UNIFEI / GQEE
E2
Introdução
Considerações iniciais
10
Normas :
• NBR6820 – TPs Ensaios 
• NBR6821 – TCs Ensaios
• NBR6855 – TPs Espec.
• NBR6856 – TCs Espec.
• IEEE C57.13 (ANSI)
• IEEE C37.110
• IEC série 185, 186
• IEC 60044-2
PMS – UNIFEI / GQEE
ABNT
Introdução
Considerações iniciais
11
Transformadores de
Potencial 12
Função: Reproduzir a tensão primária no secundário,
em níveis normalizados (115 ou 115/3 [V]) -
economia e segurança.
Instalação : Externa (ao tempo) ou interna (abrigada)
Condição de funcionamento: a vazio
– Circuitos voltimétricos (30 < Zc < 1200 )
– Tensão secundária praticamente constante
Transformadores de Potencial
Considerações iniciais
PMS – UNIFEI / GQEE
13
Relação de transformação :
Erros : Nenhum equipamento é ideal!
V1  V2 em modulo e ângulo
• Causa : Quedas de tensão no secundário (passagem da
corrente de carga  I2) e no primário (passagem da
corrente de carga mais a corrente a vazio I0 + I2).
1 1
2 2
 TP
N V
K
N V
2 1
1 1
100 100
  
  
 
.
Erro percentual de tensaoTP
K V V V
V V
..
Transformadores de Potencial
Erros introduzidos
PMS – UNIFEI / GQEE
14
PMS – UNIFEI / GQEE
Diagrama Fasorial do TP
Normalmente o erro de relação é referido em valor % (módulo)
Erro de fase em minutos
Transformadores de Potencial
Erros introduzidos
PMS – UNIFEI / GQEE
Es
Im
Lp Ls RsRp
Ia
Ip Is
Vp Vs
Z
Zc
15
PMS – UNIFEI / GQEE
• Fatores que determinam 
a exatidão : 
Projeto e construção;
Condições do sistema elétrico, 
tais como a tensão e a freqüência;
Carga conectada no secundário do TP.
Transformadores de Potencial
Erros introduzidos
PMS – UNIFEI / GQEE
16
PMS – UNIFEI / GQEE
0,8Vn
Vn
1,2Vn
VA
-
1,2Vn
Vn
0,8Vn
VA
- (cos = 0,8)
+min
Comportamento dos erros em função da carga secundária
PMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial
Erros introduzidos
17
PMS – UNIFEI / GQEE
Erro a vazio (0 e 0)
Erros sob carga (c e c)
==> Erro total
 0 1 1
2
100
% wr I x I
V
    0 1 1
2
3438
min wr I x I
V
  
   2
2
100 100
% cos sen cos senc
c
I
r x r x
V Z
           
 
3438
sen cosc
c
r x
Z
    
0
0
c
c
    
    
Transformadores de Potencial
Erros introduzidos
18
PMS – UNIFEI / GQEE
- De acordo com as normas vigentes (ANSI C57.13 – ABNT NBR
6855) a classe de exatidão de um TP, expressa em %, é o erro
máximo admissível que o TP pode introduzir na medição de uma
potência
- Três classes: 0,3; 0,6 e 1,2
- A ABNT prevê ainda uma classe de precisão de 3%, a qual não
tem limite de ângulo de fase.
- As normas estipulam que os limites de erros devem ser
mantidos entre 90% e 110% da tensão nominal, entre o
funcionamento a vazio e sob carga, com fp no sistema primário
do TP, compreendido entre 0,6 e 1,0, uma vez que esses limites
definem o traçado dos paralelogramos.
PMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial
Erros introduzidos
19
PMS – UNIFEI / GQEE
• Fator de Correção de Relação
• Medida de defasamento
2 rd  21600 min
1 rd  3438 min 
• Fator de potência do sistema elétrico
1F   1  
rel. real
rel. nominal
F
0 6 1 53 13 0 1 333 0          , cos , ,c c ctg
Transformadores de Potencial
Classes de exatidão
PMS – UNIFEI / GQEE
20
PMS – UNIFEI / GQEE
• erro de potência
desenvolvendo a expressão anterior:
sendo V’= (1+). V
Carga ()
W
V
V’
I

  L Rp
R
P P
P
'. .cos( ) . .cos
. .cos
p
V I V I
V I
  
 

(1 ) . .cos( ) . .cos
. .cos
p
V I V I
V I
    
 

(1 )cos( ) cos
cos
p
    
 

PMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial
Classes de exatidão
21
PMS – UNIFEI / GQEE
 é muito pequeno => sin   e cos  1
p= (1+ ) (1 – .tan) – 1
p= 1 – .tan +  – ..tan - 1 
p=  – .tan
(1 ).(cos .cos sin .sin ) cos
cos
p
       
 

(1 ).(cos tan .sin ) 1p       
PMS – UNIFEI / GQEE
0
Transformadores de Potencial
Classes de exatidão
22
PMS – UNIFEI / GQEE
em valores percentuais e minutos:
p%= % – 0,029’.tan 
lembrando que FCR = 1 –    = 1 – FCR
p%= 100.(1 – FCR) – 0,029.’.tan 
p=  – .tan
Erro introduzido 
na medida de uma
potência
PMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial
Classes de exatidão
23
PMS – UNIFEI / GQEE
considerando os limites de cos  = 0,6 (atrasado) até 1: 
cos = 0,6 ==> tan = 1,333
cos = 1 ==> tan = 0
substituindo na equação
ou
Classe => 0,6% significa o máximo erro introduzido na 
medição de uma potência, logo:
p% =  0,6%
p% = % – 0,029’.tan 
p%= 100.(1 – FCR) – 0,029.’.tan 
PMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial
Classes de exatidão
24
PMS – UNIFEI / GQEE
Para p% = 0,6 %e tan = 1,333
0,6 = % – 0,029.1,333 ’ 
p% = % – 0,029’.tan 
p%= 100.(1 – FCR) – 0,029.’.tan 
%
’
0,6
-15,38
%
% = 0,6 + 0,039.’ ou
FCR= 0,994-0,00039. ’
PMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial
Classes de exatidão
25
PMS – UNIFEI / GQEE
%
’
0,6
-15,38
para p% = - 0,6 % e tan = 1,333:
– 0,6 = % – 0,029.1,333 ’
p% = % – 0,029’.tan 
p%= 100.(1 – FCR) – 0,029.’.tan 
- 0,6
15,38
% = – 0,6 + 0,039.’ ou
FCR= 1,006-0,00039. ’
PMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial
Classes de exatidão
26
PMS – UNIFEI / GQEE
para p% = 0,6 % e tan = 0
% = 0,6 ou FCR= 0,994
p% = % – 0,029’.tan 
p%= 100.(1 – FCR) – 0,029.’.tan 
para p% = - 0,6 % e tan = 0
% = – 0,6 ou FCR= 1,006
%
’
0,6
-15,38
%- 0,6
15,38
PMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial
Classes de exatidão
27
PMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial
Classes de exatidão
1,000
1,002
1,004
1,006
1,008
1,010
1,012
0,994
0,996
0,998
0,988
0,990
0,992
0,986
1,014
Erro de tensão %
Ângulo de fase () em minutos
0
-0,20
-0,40
-0,60
-0,80
-1,00
-1,20
+0,60
+0,40
+0,20
+1,20
+1,00
+0,80
+1,40
-1,40
FCR
0 10 20 30 40 50 60 7070 60 50 40 30 20 10
+
_
1,2%
0,6%
0,3%
28
PMS – UNIFEI / GQEE
Os TPs podem ser considerados como Transformadores de
Potência funcionando a uma carga muito reduzida, de modo que
as quedas correspondentes de tensão sejam igualmente de valor
reduzido.
– Caracteriza-se por: 
• Resistências e reatâncias de fuga do primário e 
secundário com valores os menores possíveis.
• Corrente de magnetização relativamente fraca e uma 
indução nominal fixada a um valor moderado.
Transformadores de Potencial
Características construtivas
PMS – UNIFEI / GQEE
29
PMS – UNIFEI / GQEE
Tipos
– Relação única; relação dupla, com primário em duas 
seções; duas relações com derivações no primário; duas 
relações com derivações no secundário; dois enrolamentos 
secundários
Conexões
– Conexão V; conexão estrela aterrada; 
conexão estrela aterrado-triângulo aberto.
Transformadores de Potencial
Características construtivas
PMS – UNIFEI / GQEE
30
PMS – UNIFEI / GQEE
TP's do tipo seco - resina epoxi ou papel impregnado em óleo - BT - MT -
AT - EAT
Transformadores de Potencial 
Características construtivas
PMS – UNIFEI / GQEE
31
PMS – UNIFEI / GQEE
TP's do tipo seco - resina epoxi ou papel 
impregnado em óleo - BT - MT - AT - EAT
Transformadores de Potencial
Características construtivas
PMS – UNIFEI / GQEE
32
Características Construtivas
TP's do tipo seco - resina epoxi ou papel 
impregnado em óleo - BT - MT - AT - EAT
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
PMS – UNIFEI / GQEE
33
PMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial 
Características construtivas
Clever - UFMG
34
PMS – UNIFEI / GQEE
Tensões nominais
Tabela I 
(NBR 6855)
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
PMS – UNIFEI / GQEE
35
PMS – UNIFEI / GQEE
Tensões nominais
Tabela I 
(NBR 6855)
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
PMS – UNIFEI / GQEE
36
Grupo de ligação
– O ponto fundamental é o aterramento dos sistemas elétricos !!
• GL 1 – fase-fase (isolamento pleno)
• GL 2 – fase-terra (isolamento reduzido)
• GL 3 – fase-terra (isolamento pleno)
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
PMS – UNIFEI / GQEE
37
Grupo de ligação
• GL 1 – fase-fase (isolamento pleno)
• GL 2 – fase-terra (isolamento reduzido)
• GL 3 – fase-terra (isolamento pleno)
– Além do grau de isolamento (testes de tensão aplicada e 
induzida) outras diferenças fundamentais irão aparecer entre 
os três grupos, tais como a potência térmica nominal e ensaios 
de aquecimento.
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
PMS – UNIFEI / GQEE
38
Grupo de ligação
• GL 1 – fase-fase (isolamento pleno)
• GL 2 – fase-terra (isolamento reduzido)
• GL 3 – fase-terra (isolamento pleno)
– Além do grau de isolamento (testes de tensão aplicada e 
induzida) outras diferenças fundamentais irão aparecer entre 
os três grupos, tais como a potência térmica nominal e ensaios 
de aquecimento.
Freqüência
• É importante especificar a freqüência nominal !!
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
PMS – UNIFEI / GQEE
39
Tensões nominais
– Tabela I (NBR 6855)
Sinais padronizados
– (:) relações nominais; (-) tensões nominais de enrolamentos diferentes; (/)
tensões e relações nominais obtidas por derivação; (x) tensões primárias
nominais e relações nominais de enrolamentos série paralelo.
Níveis de Isolamento
– NI = TA/NBI/NBS – Tabela II (NBR 6821)
_____ /_____ / _____ kV
Tensão de 
manobra 
(BSL) para 
tensões 
superiores ou 
iguais a 345 
kV
onda 
200x2000s
Nível Básico 
de 
Isolamento 
para 
Impulso 
Atmosférico 
(BIL) - onda 
1,2X50 s
Tensão aplicada 
ao dielétrico 
(60Hz) - 1 min. 
com valores 
especificados 
por norma.
Este ensaio só 
deve ser 
aplicado uma 
única vez.
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
PMS – UNIFEI / GQEE
40
Tensões nominais
– Tabela I (NBR 6855)
Sinais padronizados
– (:) relações nominais; (-) tensões nominais de enrolamentos diferentes; (/)
tensões e relações nominais obtidas por derivação; (x) tensões primárias
nominais e relações nominais de enrolamentos série paralelo.
Níveis de Isolamento
– NI = TA/NBI/NBS – Tabela II (NBR 6821)
_____ /_____ / _____ kV
Tensão de 
manobra 
(BSL) para 
tensões 
superiores ou 
iguais a 345 
kV
onda 
200x2000s
Nível Básico 
de 
Isolamento 
para 
Impulso 
Atmosférico 
(BIL) - onda 
1,2X50 s
Tensão aplicada 
ao dielétrico 
(60Hz) - 1 min. 
com valores 
especificados 
por norma.
Este ensaio só 
deve ser 
aplicado uma 
única vez.
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
PMS – UNIFEI / GQEE
41
Carga nominal
– Soma das cargas nominais (consumo) de todos os 
instrumentos conectados no secundário do TP.
Classe de exatidão %
– 0,1; 0,2; 0,3; 0,5; 0,6; 1,2; 3
– A escolha da classe de exatidão dos TP’s depende da precisão dos 
aparelhos a serem conectados  devem ser compatíveis
Ex.: Classe : 0,3% - Laboratórios, medidas de energia
0,6% - Instrumentação geral e integradores
1,2% - Instrumentação geral e relés de proteção
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
PMS – UNIFEI / GQEE
42
PMS – UNIFEI / GQEE
Carga nominal
– Soma das cargas nominais (consumo) de todos os 
instrumentos conectados no secundário do TP.
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
43
PMS – UNIFEI / GQEE
Carga nominal
– Soma das cargas nominais (consumo) de todos os instrumentos 
conectados no secundário do TP.
ANSI C57.13 ABNT NBR 6855
Designação VA f.p. Designação VA f.p.
w 12,5 0,10 P12,5 12,5 0,10
x 25 0,70 P25 25 0,70
y 75 0,85 P75 75 0,85
z 200 0,85 P200 200 0,85
zz 400 0,85 P400 400 0,85
Conectando-se até 75 VA, o
o transformador de potencial
permanece dentro da classe de exatidão igual a 0,3%
Ex. : 0,3P75 ==> O fabricante garante que:
PMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de PotencialEspecificações básicas
44
PMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
45
PMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
46
PMS – UNIFEI / GQEEPMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
Norma IEC 
47
PMS – UNIFEI / GQEEPMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
Norma IEC 
48
PMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
49
Potência Térmica
– É a carga máxima que pode ser suportada pelo transformador de
potencial continuamente, sem exceder seus limites prescritos de
elevação de temperatura (classe A).
• GL1 e GL 2 não deve ser inferior a 1,33VAn
• GL3 não deve ser inferior a 3,6VAn
Ambiente de utilização
• Uso exterior ou interior
Posição de montagem
• Vertical ou invertida
Observações complementares
Polaridade e marcações
• Subtrativa – Primário (H), secundário (x) ou (x, y, z)
Manuseio do secundário
Ensaios : vide norma NBR6820
PMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
50
PMS – UNIFEI / GQEE
Transformadores de Potencial
Especificações básicas
13.800 – 115 v
13.800/11.000 – 115 v
13.800 – 115/115/sqrt(3) v
51