Transformadores para Instrumentos - Parte 02

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Parte 3.2
Transformador de Potencial Capacitivo
PMS – EFEI/GQEE
1
Acima de 600 V, utiliza-se transformadores
de potencial com a finalidade de: i) reduzir a
tensão para medição e proteção reproduzindo
todos os estados da rede (permanente ou
transitório), ii) isolamento.
Há cinco tipos de TPs: TPI, TPC, divisores
capacitivos, resistivos e mistos.
• Tensão entre 600 V e 69 kV – TPI’s são
dominantes
• Tensão entre 69 e 138 kV – TPI ou TPC (com
PLC deve-se usar TPC)
• Tensão acima de 138 kV – TPC’s são
dominantes.
• Divisores são utilizados em ensaios e pesquisa
de laboratório.
Transformadores de Potencial Capacitivo
Considerações iniciais
2
Custos de TPs e TPCs em função da tensão nominal
A diferença de custos se deve principalmente ao elevado
número de bobinas necessárias para que um TPI possa
operar na mesma tensão de um TPC.
Transformadores de Potencial Capacitivo
Considerações iniciais
20
40
60
80
100
120
140
160
24 72 145 245 420 550 765 kV
Custo (pu)
TPI
TPC
3
Transformadores de Potencial Capacitivo
Características construtivas
1: Manômetro – pressão do óleo
2: Capacitores
3: Óleo isolante
4: Isolador de porcelana
5: Selo
6: Diafragma
7: Tanque
8: Circuito de amortecimento contra efeitos 
de ferroressonância
9:Transformador de potencial MT 
10: Caixa de terminais secundários, neutro e 
de filtro alta freqüência
11: Indutância série
4
Transformadores de Potencial Capacitivo
Circuito elétrico
A: Terminal primário
C1: Capacitor HV
C2: Capacitor intermediário
1: TPI média tensão
2: indutância de compensação
3: indutância de bloqueio das correntes do carrier
4: limitador de tensão
5: circuito de amortecimento de ferroresonância
6: terminal de HF para correntes do carrier
7: terminal terra do enrolamento de MT
8: terminal terra
9: terminais secundários de BT 
10: chave de aterramento
11: aterramento do tanque
12: resistência de aquecimento
F: fusível
Acessórios do carrier
13: Chave de desconexão do carrier
14: limitador de sobretensão 
15: bobina de dreno
5
Transformadores de Potencial Capacitivo
Esquema Elétrico
T
XL
6
• C1 e C2 – capacitores
• XL – reator de compensação
• PR – pára-raios ou espinterômetros
• FL – filtro supressor de ressonância
• Bb – bobina de bloqueio do “carrier”
• P – proteção contra sobretensões
transitórias (pára-raios e centelhadores)
• TI – transformador indutivo
Transformadores de Potencial Capacitivo
Esquema Elétrico
7
Um reator XL é colocado em série com o primário do TPI, de modo que leve Ztotal
próximo a zero e satisfaça a igualdade:


)(
1
21 CC
L
Desprezando-se Rp e Rs e considerando a impedância de magnetização muita 
alta tem-se .
spLeq xaxxx
2
Transformadores de Potencial Capacitivo
Circuito equivalente
Relação de Transformação
a = N1/N2
8
Aplicando-se Thevenin no circuito acima, temos:











21
21
cc
cc
eqtotal
xx
xx
xjZ
sp
cc
cc
L xax
xx
xx
x 2
21
21 



21
1
21
2
2
CC
C
E
xx
x
EEaV s
cc
c
scs











Transformadores de Potencial Capacitivo
Circuito equivalente
Z
Ztotal
Xeq
Ec2 aVs Zba
2
Is /a
2
2
1 2
c
c s
c c
x
E E
x x
 
  
  Ztotal
spLeq xaxxx
2
Relação de Transformação
0totalZ
9
Transformadores de Potencial Capacitivo
Precisão
melhorar
10
Considerando Ztotal próximo a zero, o erro introduzido é:
 
seqEC
PR
Tg
Q
e









11
100(%)
Q = fator de qualidade do reator de compensação [ X/R ]
Tg  = fator de perda do isolamento dos capacitores
R = relação do divisor = Es/Ec2 = (C1+C2)/C1
P = potência da carga [ VA ]
 = 2f
Ceq = (C1
. C2) / (C1 + C2) [ F ]
Es = tensão do sistema equivalente [ V ]
Transformadores de Potencial Capacitivo
Precisão
11
Transformadores de Potencial Capacitivo
Precisão
Conseqüentemente, para um melhor desempenho do TPC,
maiores terão que ser os valores de Q e Ceq e menores os de
R e Tg . Deve-se ressaltar que quanto maior a capacitância,
menor a atenuação nos circuitos de comunicação. Em
compensação os capacitores terão que ser dimensionados
para produzirem uma corrente maior à freqüência industrial.
Normalmente, para sistemas com tensão nominal menor
igual que 500 kV, a capacitância mínima especificada é de
500 pF e para sistemas de tensão maior que 500 kV, o valor é
de 4000 pF.
12
• Tensão máxima do equipamento e níveis de isolamento;
• Freqüência nominal;
• Carga nominal;
• Classe de exatidão;
•Número de enrolamentos secundários;
• Relação de transformação nominal;
• Conexão dos enrolamentos secundários;
• Desvios de tensão nominal permitidos para os enrolamentos 
Secundários mantendo a classe de exatidão;
Transformadores de Potencial Capacitivo
Dados para especificação
13
• Carregamento máximo dos enrolamentos secundários;
• Potência térmica nominal de cada enrolamento;
• Capacitância mínima;
•Faixa de freqüência para “carrier”;
•Variação de freqüência nominal;
• Uso interno ou externo.
Transformadores de Potencial Capacitivo
Dados para especificação
14
Transformadores de Potencial Capacitivo
Especificações
15
Transformadores de Potencial Capacitivo
Especificações
16
Transformadores de Potencial Capacitivo
Fenômenos Transitórios
Os TPCs são as fontes de sinais secundários mais
predominantes na rede básica (AT e EAT) alimentando
relés de distância.
No entanto deve-se ter alguns cuidados na
especificação e uso. Durante faltas nas linhas, quando a
tensão primária afunda, a energia armazenada nos
capacitores e no reator de compensação necessita ser
dissipada. Isto pode gerar severos transitórios no
secundário, afetando o desempenho dos relés de
proteção. Estes transitórios podem ter elevadas
magnitudes, bem como “grande” duração e podem
causar sérios problemas principalmente para elevados
valores de SIR (Source Impedance Ratio).
17
Transformadores de Potencial Capacitivo
Fenômenos Transitórios
Considerando faultas sólidas na linha pode-se calcular 
aproximadamente a tensão no local do relés como 
sendo:
Altos valores de SIR resultam em SNR extremamente 
desfavorável para as medições de um relé.

1
nom
f
V
V
SIR
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Transformadores de Potencial Capacitivo
Fenômenos Transitórios
Um transitório em um TPC pode afetar o desempenho 
de um relé de distância: (i) no sentido dele 
sobrealcançar (o relé opera durante faltas localizadas 
fora do seu alcance); (ii) em termos de velocidade de 
operação (lento para trip em sistemas com alto SIR), 
(iii) bem como em termos de direcionalidade.
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Transformadores de Potencial Capacitivo
Fenômenos Transitórios
Um transitório em um TPC pode afetar o desempenho 
de um relé de distância: (i) no sentido dele 
sobrealcançar (o relé opera durante faltas localizadas 
fora do seu alcance); (ii) em termos de velocidade de 
operação (lento para trip em sistemas com alto SIR), 
(iii) bem como em termos de direcionalidade.
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Transformadores de Potencial Capacitivo
Fenômenos Transitórios
Dois exemplos: => 500 kV
TPC 1 TPC 2 
21
Transformadores de Potencial Capacitivo
Fenômenos Transitórios
Tempo (s)
T
e
n
sã
o
 (
p
u
)
TPC com alta C
TPC com extra-alta C
Tensão passando por zero no momento da falta 22
Transformadores de Potencial Capacitivo
Fenômenos Transitórios
Tempo (s)
T
e
n
sã
o
 (
p
u
) TPC com alta C
TPC com extra-altaC
Tensão passando por máxmo no momento da falta 23
Transformadores de Potencial Capacitivo
Fenômenos Transitórios
Tempo (s)
Componente – 1.4 (ms)
Componente – 9.5 (ms)
Componente – 4.2 (ms)
Componente - 1 (ms)
Extra alto valores de C 24
Transformadores de Potencial Capacitivo
Fenômenos Transitórios
Tempo (s)
Componente 1
Componente 2
Informação do 60 Hz
Altos valores de C 25
Transformadores de Potencial Capacitivo
Fenômenos Transitórios
Fatores que contribuem com os transitórios:
I) Soma de todas as capacitâncias do divisor;
II) Forma e parâmetros dos circuitos de supressão de 
ferroresonância;
III) Carga do TPC;
IV) Point-on-wave da falta.
I) Tipicamente, a soma das capacitâncias está na faixa 
de 100 nF. TPCs são classificados como “normal-C”, 
“alto-C” e “extra-alto-C”. Os valores limiares não são 
bem definidos. No exemplo: 91.6nF (H-C - TPC 1), 
162.4nF (EH-C - TPC 2).
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Transformadores de Potencial Capacitivo
Fenômenos Transitórios
Fatores que contribuem com os transitórios:
I) Soma de todas as capacitâncias do divisor;
II) Forma e parâmetros dos circuitos de supressão de 
ferroresonância;
III) Carga do TPC;
IV) Point-on-wave da falta.
I) Tipicamente, a soma das capacitâncias está na faixa 
de 100 nF. TPCs são classificados como “normal-C”, 
“alto-C” e “extra-alto-C”. Os valores limiares não são 
bem definidos. No exemplo: 91.6nF (H-C - TPC 1), 
162.4nF (EH-C - TPC 2).
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Transformadores de Potencial Capacitivo
Fenômenos Transitórios
II) Difícil encontrar circuitos supressores de F-Res bem
definidos. Contudo, existem dois modelos genéricos:
1) Consiste de um resistor em série com um ramos LC
paralelo, sintonizado na frequência nominal (60Hz ou
50Hz), comportando-se como um circuito aberto. Para
frequências fora da nominal o circuito LC drena a corrente e
dissipa a energia no resistor. Trata-se de um filtro RLC
passa-banda (“circuito ativo de supressão”).
2) Usa-se um resistor e um indutor saturável conectado a um
spark-gap. O circuito RL é uma carga permanente para o
TPC. O indutor satura em cerca de 150% da tensão nominal.
O “air gap” pode disparar abaixo deste nível se um outro
resistor de amortecimento for inserido. Algumas vezes
chamado de “circuito passivo de supressão”).
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Transformadores de Potencial Capacitivo
Fenômenos Transitórios
III) A carga é um caminho de supressão dos transitórios!
Relés eletromecânicos x relés numéricos!
IV) Ângulo da falta => piores casos quando a tensão passa
por zero!
Todas estas questões devem ser levadas em consideração
para se fazer modelos de simulação e testes em laboratórios!
Exemplo de RTDS 29
Transformadores de Potencial Capacitivo
Fenômenos Transitórios
Sobrealcance transitório em relés de distância
Generalmente, sobrealcance transitório pode ser causado por:
* Sobre-estimação da corrente (I > valor real) => falta parece mais 
próxima. => Componente DC da falta
* Sub-estimação da tensão (V < valor real) => falta parece mais 
próxima => transitório de tensão do TPC
* Combinação de ambos.
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Transformadores de Potencial Capacitivo
Fenômenos Transitórios
Tempo (s)
T
e
n
sã
o
 (
V
)
Janela de 1 ciclo
Janela de 1/2 ciclo
Janela de 1/8 ciclo
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Transformadores de Potencial Capacitivo
Fenômenos Transitórios
Local da falta
Linha de Transmissão
Trajetória da falta
Mho dinâmico
R - ohm
X
 -
o
h
m
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