Transformador de Potencial Capacitivo

No sistema elétrico com tensões elevadas, o uso do transformador de potencial indutivo convencional fica inviável, devido à classe de exatidão e isolação, o que torna o TP muito grande e pesado. A Figura 3.7 mostra o custo de TPIs e TPCs em função da tensão nominal.

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Figura 3.7 – Custo de TPIs e TPCs em função da tensão nominal [65].

A diferença de custos se deve principalmente ao elevado número de bobinas necessárias para que um TP indutivo possa operar na mesma tensão de um TP capacitivo.

Em linhas de transmissão com tensão até 69 kV, o TP convencional é normalmente utilizado. Com o aumento do nível de tensão, passa-se a utilizar um transformador de potencial capacitivo [66]. O TPC é composto por um divisor capacitivo de potencial (DCP) em conjunto com um TP indutivo (Figura 3.8).

Figura 3.8 – Transformador de potencial capacitivo.

O DCP é composto por um banco de capacitores em série com a finalidade de reduzir a tensão do circuito de potência a níveis aceitáveis para o circuito primário de um transformador de potencial indutivo. Por vezes, o DCP também é utilizado para acoplamento de um transmissor e receptor carrier, para transmissão e recebimento de dados informativos do sistema elétrico.

A associação do TPI e capacitores em série tem uma impedância muito elevada, consumindo pequeníssima potência. Portanto, nesse caso, pode-se considerar o sistema elétrico como sendo um elemento de potência infinita em relação ao consumo de

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potência do DCP e do TPI. Deste modo, a fase da linha de transmissão é considerada uma barra infinita e pode ser expressa por uma fonte de tensão ideal EFT [66].

O divisor capacitivo é energizado com a tensão E_FT e, conforme a relação de divisão, entrega ao primário do TPI uma tensão bem menor do que a tensão de alimentação original, tipicamente na ordem de 15 kV, para ser reduzida pelo transformador de potencial indutivo para 115 V ou 115/√3 V [60].

Para compreender com mais profundidade o acoplamento do TPI com o DCP, utiliza-se o circuito equivalente de Thévenin em relação aos terminais do capacitor C₂. A tensão de Thévenin (VTH) é a tensão existente entre os terminais do capacitor C2, quando esses terminais estão sem carga, isto é, a vazio. Utilizando-se o princípio do divisor de tensão, é possível encontrar a tensão Thévenin, conforme demonstrado na Equação 3.5. V_TH= E_C2 = −jXC2 −jX_C1− jX_C2 EFT EC2 = X_C2 XC1+ XC2 EFT E_C2 = 1 ωC2 1 ωC1+ 1 ωC2 E_FT E_C2 = 1 ωC₂ C2+ C1 ωC₁C₂ ⁄ E_FT EC2 = 1 ωC₂ x ωC₁C₂ C₁+ C₂ EFT VTH = EC2 = C1 C1 + C2EFT 3.5

na qual ω = 2πf, sendo f a frequência da rede igual a 60 Hz.

A impedância equivalente de Thévenin (Z_TH) é a impedância vista pelos terminais do capacitor C₂ com todas as fontes de tensão nulas (curto-circuitadas). Nesse caso, pela Figura 3.8, o conjunto dos capacitores C1 e C2 estão em paralelo e a impedância equivalente é dada pela Equação 3.6.

ZTH= −jX_C1 x −jX_C2 −jXC1 −jXC2 Z_TH = 1 jω(C₁+ C₂) 3.6

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A impedância equivalente é formada por um capacitor equivalente representado por C_eq= C₁ + C₂. O circuito equivalente Thévenin é formado pela fonte de tensão V_TH

e a impedância ZTH. O circuito equivalente Thévenin já acoplado ao TPI está na Figura 3.9.

Figura 3.9 – Circuito equivalente Thévenin acoplado ao TPI.

A indutância L é colocada de modo a entrar em ressonância com o capacitor equivalente. Isto garante que a tensão no primário do TPI seja igual a EC2 e esteja em fase com a tensão E_FT que se deseja medir. Para que isso aconteça, a reatância indutiva desse indutor deve satisfazer a igualdade da Equação 3.7.

X_L= X_Ceq

ωL = 1

ω(C1+ C2) 3.7

As variações da reatância capacitiva e indutiva em função da frequência é mostrada na Figura 3.10. A indutância L deve ser projetada para o ponto de interseção das duas curvas seja em 60 Hz.

Figura 3.10 – Reatância capacitiva e indutiva em função da frequência [66].

A indutância L é conhecida como reator de compensação e possui uma reatância X_L ajustável. Geralmente, os TPCs apresentam no reator de compensação e no transformador indutivo, derivações acessíveis para pequenos ajustes. Através do reator de compensação são realizados os ajustes de ângulo de fase e por meio de tap’s do TPI são realizados os ajustes de amplitude [67].

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O reator de compensação e o TPI possuem núcleo de ferro. Além de introduzirem perdas, estes dispositivos também podem produzir ferro-ressonância devido a não linearidade dos núcleos de ferro (indutância não linear) [67].

A tensão no secundário do TPI, que será entregue aos instrumentos de medição ou proteção, representados na Figura 3.8 por uma impedância Z, pode ser escrita remanejando a Equação 3.4:

ES = EP

RTC 3.8

Considerando a tensão no primário do TPI igual a E_C2, valor apresentado na Equação 3.5, temos:

E_P= E_C2 E_P = C1

C₁+ C₂EFT 3.9

Substituindo-se a Equação 3.9 na Equação 3.8, encontramos qual será a tensão no secundário do TPI entregue aos instrumentos.

ES = 1 RTP

C₁

C1+ C2EFT 3.10

A Figura 3.11 mostra os detalhes construtivos de um TPC comercializado pela Trafo. O item 12 representa o divisor capacitivo de potencial apresentado na Figura 3.8 e o item 6 (terminal de tensão intermediária) é o terminal entre o capacitor C₂ e o terra, que alimenta o TPI, chamado aqui de transformador intermediário de tensão.

O item 8 é o reator de compensação mencionado e fica numa caixa acoplada embaixo da coluna capacitiva, onde também se encontra o transformador intermediário de tensão.

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Figura 3.11 – TPC comercializado pela Trafo [2].

A capacitância equivalente em série com o reator de compensação constitui um circuito ressonante sintonizado em 60 Hz. As capacitâncias do circuito podem entrar em ressonância com algum valor particular de indutância não-linear dos elementos do núcleo ferromagnético do TPI, caracterizando o fenômeno da ferroressonância.

Esse fenômeno pode ocorrer sob certas condições, como por exemplo, em um religamento sem sucesso de uma linha de transmissão, ou logo após a eliminação de um curto-circuito no secundário do TPC. Quando isso ocorre, podem surgir sobretensões no capacitor C₂, bem como oscilações de baixas frequências (1/3, 1/5, 1/7 da frequência fundamental) [68].

A ferroressonância não pode ser tolerada em um TPC, uma vez que informações falsas podem acabar sendo transferidas aos instrumentos de medição, proteção ou controle, assim como sobretensões e sobrecorrentes destrutivas. Devido a isso, todo

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TPC necessita incorporar algum tipo de amortecimento de ferroressoância. Normalmente é colocado um circuito supressor de ferroressonância (CSF) em um dos enrolamentos do TPI, geralmente no enrolamento secundário, com intuito de amenizar os problemas mencionados [68].