DISCIPLINA: SISTEMAS DE PROTEÇÃO I 112

3 – TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) E POTENCIAL (TP) PARA PROTEÇÃO

3.1 _– TC

(a) NORMAS

As seguintes normas são comumente utilizadas:

 NBR 6856

 IEEE Std C57.13-1993

 IEC 185

 IEEE Std C37.110-1996

(b) DEFINIÇÃO

Transformador de Corrente (TC) é um equipamento monofásico de dois enrolamentos, um chamado primário e outro secundário, isolados eletricamente um do outro, acoplados magneticamente. Os TC´s são usados para reduzir a corrente a valores baixos, 1 ou 5 A.

Embora todos os TCs tenham o mesmo princípio de funcionamento, há de se considerar as características de projeto que diferenciam os TCs de proteção dos de medição. As diferenças básicas, são :

TCs de medição têm classe de exatidão 0,3 , 0,6 e 1,2 % , determinadas de acordo com os paralelogramos de exatidão, onde são levados em conta os erros de relação e fase;

TCs de proteção têm classe de exatidão 10% , onde é levado em consideração somente o erro de relação. De acordo com a ABNT, considera-se que um TC de proteção está dentro de sua classe de exatidão, em condições especificadas, quando o seu erro se mantém dentro dos 10% , para valores de corrente até 20 vezes a corrente nominal do mesmo.

Os relés e medidores de grandezas elétricas, geralmente são conectados ao sistema de potência através de transformadores de corrente (TCs) e/ou potencial (TPs).

(b1) CARACTERÍSTICAS

Os enrolamentos primários têm geralmente poucas espiras, às vezes, uma única. Os

enrolamentos secundários, ao contrário, têm muitas espiras. A eles são ligados os circuitos de corrente de medidores e/ou relés.

(c) PRINCIPAIS DADOS PARA ESPECIFICAÇÃO

Segundo a ABNT, os valores nominais que caracterizam os TCs, são: a) Corrente nominal e relação nominal;

b) Classe de tensão de isolamento; c) Freqüência nominal;

d) Carga nominal;

e) Fator de sobrecorrente; f) Classe de exatidão; g) Fator térmico;

(d) FORMA DE CONECTAR NO CIRCUITO

O TC é conectado em série com o circuito de força, e assim deve provocar pouca queda de tensão no sistema.

 TC´s de Baixa Impedância

 TC´s de Alta Impedância

(e) CIRCUITO EQUIVALENTE DO TC

É importante que os TCs retratem com fidelidade as correntes de defeito, sofrendo, o mínimo possível, os efeitos da saturação, conforme curvas a seguir:

(f) Polaridade

Conexão em estrela

Na ligação estrela, em condições normais de cargas balanceadas, apenas deverão existir correntes de fase, porém na presença de desequilíbrios, a corrente residual (i res = iA + IB + iC), existira e corresponderá a 3I0, desde que haja caminho para ela circular no sistema.

Conexão delta

A ligação delta é utilizada, quando se requer correntes compostas ou a eliminação da corrente de seqüência zero ( I0 ). Quando adicionalmente for necessário a detecção de I0 , utiliza-se um TC tipo janela, que alimentara unicamente o neutro.

(g) Segurança

Olhando o circuito equivalente do TC, pode-se observar que ao abrir o secundário do mesmo, toda corrente, que normalmente vai para a carga, só tem, agora um caminho, através do ramo magnetizante, o qual se sabe que apresenta impedância muito elevada. Ao se passar esta corrente elevada nesta impedância elevada surge uma sobretensão que pode chegar a alguns

kV´s pondo em risco a vida das pessoas que estão “trabalhando” em seu secundário, bem como

NUNCA se deve deixar o secundário do TC aberto!

(h) Exatidão de TC para Fins de Proteção

Norma ABNT NBR 6856

Na norma NBR-6856 a exatidão é expressa, por exemplo, na forma:

10B100 – O número 10 representa o erro máximo em %, a 20xln (100A secundários), com

“burden” (carga) nominal.

A letra _“B” significa que o TC é de baixa impedância. Poderia ser _“A”, o que significa que o TC é de alta impedância.

O número 100 significa que o TC consegue entregar até 100V para carga, na

condição de 20xIn e “burden” nominal.

Burden - Impedância de carga imposta ao secundário do TC em condições especificadas para componentes simétricas.

Carga - De acordo com a ABNT, as cargas padronizadas ensaio de classe de exatidão de

TCs , são: C2,5 ; C5,0 ; C7,5 ; C12,5 ; C25 ; C50 ; C75 ; C100 e C200 . A letra “C” se

refere a TC e o valor após, corresponde a potência aparente (VA) da carga do TC. Por exemplo, 5VA, 7,5VA, 12,5VA,etc.

Todas as considerações sobre exatidão de TC está condicionada ao conhecimento da carga secundária do mesmo. Os catálogos dos fabricantes de relés e medidores fornecem as cargas que os mesmos solicitam aos TCs .

Por exemplo, para a exatidão supra citada o “burden” máximo que pode ser imposto ao TC será:

100

.

)

20

.(

100

.

I

Z

xIn

Z

Z

U









Norma IEEE Std C57.13-1993

Na norma IEEE Std C57.13 a exatidão é expressa, por exemplo, na forma: C100 - Embora não apareça fica implícito que o erro máximo é de 10%.

A letra “C” significa que o erro pode ser calculado (equivalente ao TC de baixa impedância da ABNT). Poderia ser “T”, o que significa que para o cálculo do erro o

TC deve ser testado, ou seja, necessita da curva de saturação.

O número 100 significa que o TC consegue entregar até 100V para carga, na

condição de 20xln e “burden” nominal.

Por exemplo, para a exatidão supra citada o “burden” máximo que pode ser imposto ao TC será:

100

.

)

20

.(

100

.

I

Z

xIn

Z

Z

(i) Saturação [55],[56]

E fundamental, que os TC´ reproduzam no secundário a corrente do circuito primário. Uma vez que o núcleo do TC é feito de material saturável, quando o mesmo atinge a região de saturação, a corrente secundária não mais terá a forma senoidal e não mais reproduzirá fielmente a corrente primária. Quando isto ocorre diz-se que o TC saturou.

Os seguintes fatores podem promover a saturação do TC:

 _{Elevado “Burden” (carga conectada) secundário}  Elevada Corrente Primária

 Assimetria da corrente de falta

 Fluxo remanescente no núcleo do TC

Existem dois tipos fundamentais de TC, um para fins de medição e outro para fim de proteção. Ambos os tipos devem reproduzir fielmente a corrente primária de interesse, sem danificar os dispositivos instalados no secundário as quais são expressas na sua exatidão.

Um TC de proteção deve reproduzir fielmente as correntes de falta.

Um TC de medição deve reproduzir fielmente as correntes de carga. Assim, é interessante que o mesmo sature a partir de certo valor de corrente para não danificar os medidores instalados em seu secundário.

Atualmente, como muitos relés possuem também incorporados unidades de medição, os TC´s devem ser de proteção, pois os relés já são projetados para suportarem as elevadas correntes de curto-circuito.

(i1) Saturação por corrente alternada AC

A saturação em AC acontece quando a componente fundamental da corrente primaria excede ao fator de sobrecarga máximo, excedendo o valor máximo da tensão secundaria conforme equação a seguir:

Us = Zs x Is

Onde:

Us = Tensão de Saturação [V] Zs = ZTC+ZC+ZR

ZTC = Impedância do TC ZR = Impedância dos relés

ZC = Impedância dos cabos secundários IS = Icc/RTC

Icc = Corrente de Curto-Circuito RTC = Relação do TC = N2/N1

(i2) Saturação por corrente DC

Ocorre pela componente DC da corrente primária (componente exponencial), comumente presente no primeiros ciclos das correntes de curtos-circuitos. Esta componente estabelece um fluxo de polarização no núcleo do TC, sobre o qual as variações de fluxo da componente

simétrica se sobrepõe, resultando em um valor muito elevado que provocará a saturação do TC.











 



R

X

xI

Z

U

.

1

Onde:

US = Tensão de Saturação [V] ZS = ZTC+ZC+ZR

ZTC = Impedância do TC ZR = Impedância dos relés

ZC = Impedância dos cabos secundários Is = Icc/RTC

Icc = Corrente de Curto-Circuito RTC = Relação do TC = N2 / N1

X/R = Relação X/R do sistema no ponto de falta.

Se a carga conectada no secundário do TC é indutiva, a equação anterior deve ser corrigida:



















Z

R

R

x

R

X

xI

Z

U

.

1

(i3) Tempo para Saturar

O TC consegue manter a corrente primária com fidelidade por 1 ou 2 ciclos. A referência [56] apresenta a equação seguinte para calcular este tempo.

Este tempo depende do grau de assimetria da corrente de falta, do valor da corrente de falta, do fluxo remanescente no núcleo do TC, da impedância do circuito secundário, da tensão de saturação do TC e da relação do TC.

































R

X

Ks

T

T

1

1

ln

.

R

X

T

.

1



_





2

.



.

f

Onde:

TS = Tempo para saturar

T1 = Constante de tempo do sistema primário KS = Fator de Saturação

(i4) Efeitos da Saturação do TC

Os seguintes efeitos podem ser observados quando um TC satura:

 Forma de onda secundária não é mais senoidal

 Os relés temporizados ficam mais lentos (vide figura abaixo)

 Podem ocorrer desligamentos indevidos das proteções diferenciais

 Os relés de sobrecorrentes podem não operar.

Na figura a seguir mostra o efeito da diminuição da corrente no secundário do TC devido ao efeito da saturação. A curva azul mostra o valor da corrente sem a saturação e a curva preta mostra o valor eficaz da corrente com o efeito da saturação. É evidente que a área da curva preta é inferior à curva azul.

(j) Coordenação com os Relés

Deve-se fazer a escolha correta da relação dos TC´s que suprem os relés.

Via de regra os relés digitais atuais possuem uma característica térmica de curta duração de 100xln durante 1 segundo. Assim, para 5A suportam 500A durante 1 segundo.

Para que haja coordenação entre os TC´s e o relé a seguinte equação deve ser respeitada:

 

 





_RTC

t

cc

I

t

I

´



















t

RTC

cc

I

t

I

2

2



´

RELÉ inação e RELÉ t t I cc I RTC lim 2 2 2  RELÉ inação e RELÉ t t I Icc

RTC lim

Em resumo, deve-se especificar a tensão secundária máxima (US Máxima ) , a partir da qual o TC passa a sofrer os efeitos da saturação, deixando de apresentar a exatidão de sua classe. Ou seja :

(US Máxima) = Is x ZS (ZTC+ZC+ZR)= Is x ZS

3.2 - Bobina de Rogowski

É um equipamento utilizado como redutor de medida para corrente alternada, que possui núcleo de ar( não possui núcleo de material ferromagnético) e traduz a corrente primaria em uma tensão secundaria, que é proporcional á taxa de variação dessa corrente no tempo. Normalmente apresenta menor custo e maior precisão devido a não saturação. Consiste de uma bobina helicoidal de fio, em que o condutor de uma extremidade retorna pelo centro da bobina à outra extremidade, veja figura a seguir:

Bobina de Rogowski

Para se transformar em corrente secundaria, esta tensão secundaria deve ser integrada. Para integrar o valor da tensão secundaria se emprega um capacitor no secundário, veja figura a seguir:

Integrando o valor da tensão na bobina de Rogowski.

O principio de funcionamento pode ser explicado na figura a seguir. Ao circular uma corrente i(t) no núcleo da bobina, gera-se uma tensão u(t).

3.3 _– TP

(a) DEFINIÇÃO

Norma de referencia: NBR 6855

O TP é um equipamento monofásico que possui dois circuitos, um denominado primário e outro denominado secundário, isolados eletricamente um do outro,porém,acoplados magneticamente. São usados para reduzir a tensão a valores baixos com a finalidade de promover a segurança do pessoal, isolar eletricamente o circuito de potencia dos instrumentos e reproduzir fielmente a tensão do circuito primário no lado secundário.

Funções Básicas

Isolamento contra altas tensões.

Fornecimento no secundário de uma tensão proporcional à tensão primária, com um certo grau de precisão, dentro de uma faixa especificada para a tensão primária.

Classes

TP’s de Medição

Faixa de operação: ( 0 a 1,1 ) Vn

TP’s de Proteção

Faixa de operação: (0,05 a 1,9) Vn

TPs de proteção possuem maiores erros normalizados e maiores faixas de operação que os TPs de medição

(b) DADOS PARA ESPECIFICAÇÃO (Principais)

U1n ou V1n : tensão nominal primaria;

U2n ou V2n : tensão nominal secundaria;

RTP : relação nominal do TP;

Carga nominal;

Tensão máxima e classe de isolamento;

Frequência;

Classe de exatidão;

Potencia Térmica Nominal;

Grupo de ligação ou fator(es) de sobretensão(ões) nominal(is);

NBI : nível básico de isolamento;

Tipo de aterramento do sistema;

(c) FORMA DE CONECTAR NO CIRCUITO