Trabalho TM UnidadeII
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UNIVERSIDADE FEDERAL DE CAMPINA GRANDE
CENTRO DE ENGENHARIA ELÉTRICA E
INFORMÁTICA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
Técnicas de MediçãoProfessor: Ubirajara Meira
Seminário:
Transformadores de Potencial (TP)
Aluna: Camila Pires Gouveia GuedesMatrícula: 107210145
Campina Grande,
Fevereiro de 2013.
Sumário
1. INTRODUÇÃO...............................................................................................................2
2. TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTOS...................................................................3
2.1 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL.....................................................................3
2.1.1 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS..................................................................4
2.1.2 DEFINIÇÕES BÁSICAS.......................................................................................6
2.2 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL INDUTIVOS................................................11
2.3 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL CAPACITIVOS.............................................14
3. CONCLUSÃO...............................................................................................................17
4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS..................................................................................18
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1. INTRODUÇÃOA grande expansão dos sistemas elétricos exige o uso de correntes e tensões
cada vez maiores. Hoje em dia é comum a operação das redes elétricas em níveis de
corrente da ordem de centenas ou milhares de ampéres, e de muitos milhares de
volts.
Não existindo aparelhos de medição, de uso prático, que possam medir
diretamente estas tensões e correntes, faz-se mister um dispositivo que possa reduzir,
tantas vezes quanto necessário, os altos valores a serem medidos, até se adequarem
aos aparelhos de medição normalmente usados.
Ao mesmo tempo, este dispositivo deverá isolar os aparelhos de medição (os
quais operam em níveis de isolamento baixos) das altas tensões existentes nos
sistemas a serem medidos.
O dispositivo em questão é o transformador para instrumentos (TI). As técnicas
de medida e o domínio do conhecimento dos princípios aplicados ao setor da
instrumentação são conteúdos indispensáveis para o desempenho do técnico em
qualquer área industrial ou de pesquisa.
As grandezas elétricas envolvidas em fenômenos físicos podem ser medidas (ou
acompanhados) cada vez mais com maior precisão ao desenvolvimento dos
instrumentos de medidas. É claro que nós conceitos básicos de medidas são também
indispensáveis àquele que executa as medições.
A confiabilidade de uma medida esta ligada a precisão dos instrumentos e ao
rigor que empregamos ao fazê-la. Portanto o técnico de medidas deve saber
solucionar os tipos de instrumentos de acordo com suas características de
funcionamento e o tipo de medida desejada, sem extrapolar a sofisticação dos
instrumentos e os métodos de utilização.
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2. TRANSFORMADORES DE INSTRUMENTOS
Transformadores de Instrumentos são equipamentos de precisão utilizados na
geração, transmissão e distribuição de energia da usina elétrica até o usuário final. A
medição do fluxo de corrente e tensão em linhas de alta tensão exige equipamentos
especiais de alta precisão que indiquem exatamente o que está sendo conduzido pela
linha. O Transformador de Instrumentos coleta correntes e tensões elevadas e as
transforma em níveis adequados para utilização em equipamentos e dispositivos de
medição e proteção.
Os transformadores para instrumentos (TIs) são equipamentos elétricos
projetados e construídos especificamente para alimentarem instrumentos elétricos de
medição, controle ou proteção (MEDEIROS FILHO, 1983).
Os TIs devem fornecer corrente e/ou tensão aos instrumentos conectados aos seus
enrolamentos secundários, de modo a atender as seguintes prescrições (MAMEDE
FILHO, 2005):
O circuito secundário deve ser galvanicamente separado do primário,
proporcionando segurança aos operadores dos instrumentos ligados ao
mesmo;
A medida da grandeza elétrica deve ser adequada aos instrumentos que serão
utilizados.
2.1 TRANSFORMADORES DE POTENCIALOs transformadores de potencial são equipamentos que permitem aos
instrumentos de medição e proteção funcionarem adequadamente sem que seja
necessário possuir tensão de isolamento de acordo com a rede à qual estão ligados.
Na sua forma mais simples, os transformadores de potencial possuem um
enrolamento primário de muitas espiras e um enrolamento secundário através do qual
se obtém a tensão desejada, normalmente padronizada em 115V ou 115/√3. Dessa
forma, os instrumentos de proteção e medição são dimensionados em tamanhos
reduzidos com bobinas e demais componentes de baixa isolação.
Os transformadores de potencial são equipamentos utilizados para suprir
aparelhos que apresentam elevada impedância, tais como voltímetros, relés de tensão,
bobinas de tensão de medidores de energia etc. São dispositivos projetados e
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construídos para alimentar instrumentos de medição, proteção ou controle em redes
elétricas. Eles reduzem a tensão da rede a um valor adequado aos instrumentos,
estabelecendo uma relação fixa entre os valores instantâneos correspondentes das
ondas de tensão de saída e de entrada, com diferenças de fase mínimas possíveis
entre elas. Também objetivam promover isolação elétrica entre os instrumentos e o
sistema de potência. Os TPs podem ser do tipo indutivo (TPI) ou capacitivo (TPC)
2.1.1 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVASOs transformadores de potencial são fabricados em conformidade com o grupo
de ligação requerido, com as tensões nominais primárias e secundárias necessárias e
com o tipo de instalação desejado.
O enrolamento primário é constituído de uma bobina de várias camadas de fio,
submetido a uma esmaltação, em geral dupla, enrolado em um núcleo de ferro
magnético sobre o qual também se envolve o enrolamento secundário. Já o
enrolamento secundário ou terceário é de fio de cobre duplamente esmaltado e
isolado do núcleo e do enrolamento primário por meio de fitas de papel especial.
Se o transformador for construído em epóxi, o núcleo com as respectivas
bobinas são encapsulados através de processos especiais de modo a evitar a formação
de bolhas no seu interior, o que, para tensões elevadas, se constitui num fator de
defeito grave. Nestas condições, esse transformador torna-se compacto, de peso
relativamente pequeno, porém descartável ao ser danificado.
Se o transformador for de construção de óleo, o núcleo com as respectivas
bobinas são secos sob vácuo e calor. O transformador, ao ser completamente
montado, é tratado a vácuo para em seguida ser preenchido com óleo isolante.
A seguir, o circuito de um TP real:
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Figura 1 – Circuito demonstrativo de um TP real.
A norma NBR 6855 da ABNT estabelece valores de tensão secundária nominal
de 115 V ou 115/√3 V, ou ambos, como é mostrado na Fig. 2.
Fig.2. Transformador de potencial com derivação no secundário.
São mostrados três tipos de núcleo na Fig. 4. As duas colunas mais externas no
TP trifásico (c) proporcionam baixa relutância para os componentes de fluxo sequência
zero, em caso de operação em regime desequilibrado, e de harmônica triplas, em caso
de operação em regime de distorção.
Fig. 3. Circuitos magnéticos; (a), (b) TPs monofásicos; (c) TP trifásico.
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Para um TP monofásico operando em regime senoidal, tem-se:
U 1=4,44 ∙ N1 ∙ A ∙ f ∙Bm,
Onde:
U1 - Tensão eficaz no enrolamento primário.
N1 - Número de espiras do enrolamento primário.
A - Área de seção reta do núcleo magnético.
f - Frequência de operação, em Hz.
Bm - Valor de pico da indução no núcleo.
Dois tipos de TPs usados em média tensão (15 kV) são mostrados na Fig. 5, um
com isolamento de óleo mineral e o outro encapsulado por isolamento sólido (epóxi).
Um TP usado em tensões de até 138 kV é mostrado na Fig. 6.
Fig. 4. TPs de média tensão. Fig. 5. TP de alta tensão.
2.1.2 DEFINIÇÕES BÁSICAS
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Relação Nominal
É a relação entre os valores nominais U1N e U2N das correntes primária e
secundária, respectivamente. Tais valores são estabelecidos no projeto do TP, sendo
indicada na placa de dados. É comumente denominada relação de transformação,
recebendo a notação KN.
Esta relação não corresponde exatamente à relação de espiras. Porém, elas se
acham muito próximas; assim, tem-se:
K N=U1N
U2 N
≈N 1
N 2
Relação Real
Já a relação real, é definida por:
K R=U 1
U 2
As tensões U1 e U2 são os valores reais correspondentes no primário e no
secundário, respectivamente, compreendidos na faixa de variação permissível da
corrente primária.
Fator de Correção de Relação
É o fator pelo qual se deve multiplicar a relação nominal do TP para que seja obtida a
relação real KR, ou seja:
FCRP=KRK N
Este fator também é expresso em termos de percentagem, FCRP%.
Circuito Elétrico Equivalente e Diagrama Fasorial
O circuito elétrico equivalente de um TP para análise em baixas freqüências é
mostrado na Fig. 6. Todos os elementos são referidos ao secundário.
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Fig. 6 Circuito elétrico equivalente de um TP.
Onde:
R1’ – Resistência do enrolamento primário.
X1’ – Reatância de dispersão do enrolamento primário.
R2 – Resistência do enrolamento secundário.
X2 – Reatância de dispersão do enrolamento secundário.
Rp – Resistência de perdas no núcleo (histeréticas e parasíticas).
Xm – Reatância de magnetização do núcleo.
Rc – Resistência da carga ligada ao secundário.
Xc – Reatância da carga ligada ao secundário.
O diagrama fasorial de um TP indutivo:
Fig. 7. Diagrama fasorial de um TP indutivo.
Os transformadores de potencial indutivo são construídos segundo três grupos
de ligação previstos pela NBR 6855/81 – Transformadores de potencial –
Especificações:
Grupo 1 – São aqueles projetados para ligação entre fases. São basicamente os
do tipo utilizado em sistemas de até 34,5kV. Os transformadores enquadrados
neste grupo devem suportar continuamente 10% de sobrecarga;
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Grupo 2 – são aqueles projetados para ligação entre fase e neutro de sistemas
diretamente aterrados, isto é:
RZX P≤1
Onde:
RZ - resistência de sequência zero do sistema;
X P - reatância de sequência positiva do sistema;
Grupo 3 – são aqueles projetados para ligação entre fase e neutro de sistemas
onde não se garanta a eficácia do aterramento.
Erro de Relação
Esse erro é registrado na medição de tensão com TP, onde a tensão primária
não corresponde exatamente ao produto da tensão lida no secundário pela relação de
transformação de potencial nominal. Este erro pode ser corrigido através do fator de
correção de relação (FCR).
O erro de relação do TP é dado pela seguinte expressão:
ε=K N ∙U 2−U 1
U 1
Este erro também é definido em termos de porcentagem, ou seja:
ε%=100KN ∙U 2−U 1
U 1
Erro de Fase
É o ângulo que mede a defasagem entre a tensão vetorial primária e a tensão
vetorial secundária de um transformador de potencial.
Do diagrama da Fig. 7, vê-se que o erro de fase corresponde ao ângulo φ entre
os fasores U1 ’ e U2.
Classes de Exatidão
A classe de exatidão de um TP expressa o seu grau de precisão considerando o
erro de relação e o erro de fase entre as tensões primária e secundária. Exprime
normalmente o erro esperado do transformador de potencial, levando em conta o erro
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de relação de transformação e o erro de defasamento angular entra as tensões
primária e secundária.
Considera-se que um TP está dentro de sua classe de exatidão, quando os
pontos determinados pelos fatores de correção de relação (FCR) e pelos ângulos de
fase (γ ) estiveram dentro do paralelogramo de exatidão, correspondendo a sua classe
de exatidão.
A seguir, são citadas destinações para as respectivas classes de exatidão.
• Aferição e calibração de instrumentos de medidas de laboratório: 0,1;
• Medição de demanda e consumo para faturamento: 0,3;
• Alimentação de medidores sem finalidade de fatura-mento: 0,6;
• Alimentação de instrumentos indicadores instalados em painéis: 1,2.
A norma NBR 6855 da ABNT estabelece as classes de exatidão 0,3, 0,6, 1,2 e 3.
A mesma considera que um TP para o serviço de medição acha-se dentro de sua classe
de exatidão nominal quando os pontos determinados por ε% (ou FCRP%) e φ acham-se
no interior dos paralelogramos da Fig. 8.
Figura 8 - Paralelogramo de exatidão de TPs.
Polaridade
Os transformadores de potencial destinados ao serviço de medição de energia
elétrica, relés de potência etc. são identificados nos terminais de ligação primário e
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secundário por letras convencionadas que indicam polaridade para o qual foram
construídos.
A maioria dos transformadores de potencial tem polaridade subtrativa, sendo
inclusive indicada pela NBR 6855/81. Somente sob encomenda são fabricados
transformadores de potencial com polaridade aditiva.
Tensões Nominais
As tensões primárias nominais dos TPs devem ser compatíveis com as tensões
operacionais dos sistemas aos quais os mesmos serão ligados. Para TPs do grupo 1 a
tensão secundária e 115 V, já para TPs do grupo 2 e 3 a tensão secundaria e 115/_3 V,
ou 115 V no caso de um enrolamento secundário com derivação. Os TPs são
projetados e construídos para suportarem uma sobretensão de até 10% em regime
permanente, sem que se danifiquem.
Cargas Nominais
São as cargas padronizadas em que se baseiam os requisitos de exatidão de um
TP. De acordo com a ABNT, as cargas nominais são designadas por um símbolo
formado pela letra “P”, seguida do numero de volt-ampéres correspondente a tensão
de 120V ou 69,3V. Exemplo: 0,3-P25 (classe de exatidão 0,3 – carga padrão de 25VA).
2.2 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL INDUTIVOSSão dotados de um enrolamento primário envolvendo um núcleo de ferro-
silício que é comum ao enrolamento secundário. Os transformadores de potencial
indutivos funcionam com base na conversão eletromagnética entre os enrolamentos
primário e secundário. Assim, para uma determinada tensão aplicada nos
enrolamentos primário, obtém-se nos terminais secundários uma tensão elevada de
valor dado pela relação de transformação considerada.
Devido a sua classe de tensão e dimensões, alguns TPIs são constituídos de
duas partes acopladas formando uma única unidade.
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Fig. 9. Transformador de potencial indutivo.
A forma construtiva e o modo de ligação do TPI são mostrados a seguir:
Fig. 10. Transformador de potencial e modo de ligação ao sistema elétrico.
Normalmente, o núcleo é de liga ferro-silício (3,2% Si) de grãos orientados. O
enrolamento primário de N1 espiras é ligado em paralelo ao sistema de potência. O
enrolamento secundário de N2 espiras alimenta um instrumento (medidor ou relé de
proteção). Se Φ o fluxo magnético no núcleo, tem-se:
U 1= N1d∅dt
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U 2= N2d∅dt
U 1
U 2
=N1
N2
Como os TPs promovem abaixamento de tensão, tem-se N1>N2. Ao contrário
dos TCs, os TPs devem operar com altas impedâncias ligadas ao secundário. A
diferença entre os transformadores de potência e os TPs é que os primeiros se
destinam a transmitir energia de um enrolamento para outro, enquanto os TPs
reduzem tensões para valores adequados aos instrumentos, proporcionando também
isolamento em relação ao circuito primário.
Exemplo: Um TP usado em uma linha de 138 kV, 60 Hz, possui um núcleo magnético
com área de seção reta de 16 cm² e BS ≈ 1,6 T. Calcular o número mínimo de espiras
do enrolamento primário, N1.
Solução:
N1=1,2∙138000/√3
4,44 ∙1,6 ∙16 ∙10−4 ∙60
N1≈140193espiras
Para altas tensões, o número espiras N1 é muito alto. Como a impedância da
carga secundária é elevada, o fio do enrolamento primário é muito fino. Isto implica
em maior custo devido à dificuldade de fabricação (a possibilidade de rompimento do
fio torna-se muito grande). Uma solução é utilizar núcleos e enrolamentos ligados em
cascata. Ainda assim, os TPs do tipo indutivo (TPIs) não são economicamente viáveis
para aplicações acima de 138 kV.
Nestes casos, a solução mais econômica consiste no emprego dos
transformadores de potencial capacitivos (TPCs), estudados mais adiante.
Assim, os transformadores de potencial indutivos são basicamente todos os
transformadores de potencial até a tensão de 138kV, por apresentarem o custo de
produção inferior ao capacitivo.
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2.3 TRANSFORMADORES DE POTENCIAL CAPACITIVOS
Os transformadores de potencial capacitivos (TPCs) são constituídos de um divisor
capacitivo que serve para fornecer um divisor de tensão, alem de permitir a
comunicação através do sistema carrier.
O divisor capacitivo e ligado entre fase e terra e uma derivação intermediaria
alimenta um grupo de medida de media tensão, que compreende, basicamente, os
seguintes elementos (MAMEDE FILHO, 2005):
Um TPI ligado na derivação intermediaria que fornece as tensões secundarias;
Um reator de compensação ajustável para controlar as quedas de tensão e a
defasagem do divisor capacitivo;
Um circuito de amortecimento dos fenômenos de ferroressonância;
Um circuito de proteção contra sobretensões.
Foi anteriormente afirmado que os TPs indutivos não constituem solução
economicamente viável para tensões superiores a 138 kV. Acima deste valor, usam-se
os TPs com divisores capacitivos de tensão (TPCs). O esquema básico dos mesmos é
mostrado na Fig. 10.
Além do divisor capacitivo, há um TP indutivo que efetua redução adicional de
tensão, além de promover isolação em relação ao circuito primário.
Na Figura 11 e apresentado o esquema elétrico básico de um TPC típico a 60 Hz,
constituído dos itens enumerados acima.
Figura 11 -Esquema elétrico básico de um TPC a 60Hz.
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Figura 10 -Aspecto exterior de um TPC.
Aplicação em Sistemas de Onda Portadora
Além de alimentarem relés de proteção e instrumentos de medição, os TPCs
também servem como dispositivos de acoplamento para sistema de onda portadora
(Power Line Carrier - PLC, em inglês), como é ilustrado na Fig. 16. Tais sistemas se
destinam a transmitir através da linha um sinal de baixa potência e de frequência
compreendida entre 30 kHz e 300 kHz, o qual se destina a teleproteção, telemedição,
telecontrole ou transmissão de voz.
Para simplificar o esquema, os circuitos de proteção contra surtos e os
supressores de ferroressonância do TPCs são omitidos.
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Figura 11 - Esquema básico de um sistema de onda portadora.
Os elementos indicados são descritos a seguir.
Unidade de bloqueio (UB): Associação em paralelo de um indutor e um
capacitor, constituindo um circuito ressonante com impedância desprezível
para a frequência de 60 Hz e alta impedância para as correntes de alta
frequência. Esta unidade faz com que o sinal de carrier se propague apenas no
trecho de linha indicado, evitando interferência com sistemas das seções
adjacentes. Também evitam que curtos-circuitos ou manobras que ocorram
fora da seção linha interfiram no sinal desta seção.
Bobina de drenagem (BD): Constitui um caminho de baixa impedância entre os
capacitores de acoplamento e a terra para correntes de 60 Hz.
Assim, a tensão entre o ponto P e a terra é reduzida. Em altas frequências, a
impedância é alta, reduzindo-se as perdas. Em paralelo há um centelhador para
proteção contra surtos de tensão.
Unidade de sintonia (US): Com os capacitores de acoplamento, constitui um
caminho de baixa impedância entre o cabo coaxial e a linha.
Cabo coaxial: Liga a unidade de sintonia ao transmissor-receptor.
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3. CONCLUSÃO
Assim, tem-se que o transformador de potencial é um equipamento de suma
importância para os sistemas de medição de tensão elétrica, com a capacidade de
reduzir a tensão do circuito para níveis compatíveis com a máxima suportável pelos
instrumentos de medição.
A contribuição dos transformadores de potencial é bastante valiosa, podendo
ser aplicado na medição de tensões com valores elevados, ou seja, em seu circuito
primário (entrada) é conectada a tensão a ser medida, sendo que no secundário
(saída) será reproduzida uma tensão reduzida e diretamente proporcional a do
primário. Desse modo, tem-se um menor custo e uma maior segurança, pois é possível
conectar o instrumento de medição (voltímetro) no secundário.
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4. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS
[1] Mamede Filho, J. (2005). Manual de Equipamentos Elétricos - 3ª ed., LTC, Rio de
Janeiro, Brasil.
[2] ABNT (1992) - NBR 685 Transformadores de Potencial – Especificação.
[3] MEDEIROS FILHO, Solon de. Medição de Energia Elétrica. 3ed. Rio de Janeiro:
Editora Guanabara, 1983.
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