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FACULDADE ESTÁCIO DE CURITIBA

ENGENHARIA ELÉTRICA

NARO RODRIGUES

ROBSON FONSECA

TRANSFORMADOR DE POTENCIAL

CURITIBA

2013

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NARO RODRIGUES

ROBSON FONSECA

TRANSFORMADOR DE POTENCIAL

Trabalho acadêmico de curso de graduação, apresentado à disciplina de Conversão Eletromecânica de Energia I, do curso superior de Engenharia Elétrica da Universidade Estácio de Curitiba, como requisito parcial para aprovação na disciplina.

Prof. Marcos Wilson

CURITIBA

2013

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SUMÁRIO

1 RESUMO....................................................................................................................................................3

2 INTRODUÇÃO............................................................................................................................................4

1 TRANSFORMADOR DE POTENCIAL............................................................................................................5

2 CARACTERISTICAS TÉCNICAS.....................................................................................................................6

2.1 TIPOS DE LIGAÇÕES........................................................................................................................7

3 CONSTITUIÇÃO ELÉTRICA..........................................................................................................................8

3.1 POLARIDADE...................................................................................................................................8

3.2 APLICAÇÕES ESQUEMÁTICAS..........................................................................................................9

3.3 DEFINIÇÃO....................................................................................................................................10

3.4 ASPECTOS CONSTRUTIVOS...........................................................................................................10

4 TP´s INDUTIVOS.......................................................................................................................................12

5 TP´s CAPACITIVOS ...................................................................................................................................12

5.1 CONDIÇÕES DE INSTALÇÃO...........................................................................................................14

5.2 DADOS DE ESPECIFICAÇÃO...........................................................................................................14

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS..........................................................................................................................14

7 BIBLIOGRAFIA ……………………………………………………………………………………………………………………………………...16

RELAÇÃO DE FIGURAS:

Figura 01 –TRANSFORMADOR DE POTENCIAL USO INTERNO E EXTERNO..................................................05

Figura 02 – TRANSFORMADOR DE POTENCIAL ESQUEMÁTICO...................................................................08

Figura 03 – TRANSFORMADOR DE POTENCIAL E CARGA.............................................................................09

Figura 04 – TP´s INSTALADOS EM CABINA...................................................................................................09

Figura 05 – ASPECTOS CONSTRUTIVOS.......................................................................................................10

Figura 06 – TP´s CAPACITIVOS.....................................................................................................................12

Figura 07 – TP CAPACITIVO ESQUEMATICO DE LIGAÇÃO............................................................................13

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RESUMO

O trabalho a seguir apresentado, tem por objetivo analisar e descrever as principais característica e funcionalidades do transformador de potencial, que é composto por enrolamentos primário e secundário envoltos em resina ou óleo isolante. Serão destacadas algumas partes construtivas dos transformadores de potencial, assim como o seu princípio de funcionamento e aplicação nos sistemas de proteção e medição.

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INTRODUÇÃO

Os transformadores de tensão (TP) – também conhecidos como transformadores

de potencial são utilizados para reduzir a tensão presente num circuito elétrico,

transformando-a em um valor conveniente para alimentar uma carga ou um

equipamento de medição (voltímetro). Há casos em que a tensão de saída do

transformador tem o mesmo valor da tensão de entrada, neste caso sua utilização

serve para isolação entre o circuito elétrico principal (primário) e o circuito secundário. É

muito comum fazer uma medição com instrumentos diretamente em circuitos de baixa

tensão, sem a necessidade de TP, porem quando os níveis de tensão excedem a

capacidade de medição dos equipamentos, estes se tornam necessários.

Nas instalações de alta tensão, não é possível ligar diretamente às linhas aos

instrumentos de medida, porque fazendo dessa maneira, esses aparelhos adquirem

uma d.d.p perigosíssima o que acarretaria em avaria dos equipamentos de medição e

também colocariam em risco de choque elétrico as pessoas que os operam.

A fim de eliminar qualquer perigo, os instrumentos de medida dos quadros de

alta tensão são alimentados á baixa tensão, mediante os transformadores de medida.

Esses transformadores também são usados em circuitos de baixa tensão,

quando precisamos medir altas correntes onde os equipamentos de medição já não

suportaria tamanho nível de corrente passando por ele (TC).

Os transformadores de instrumentos podem ser divididos em transformadores

para medição e transformadores para proteção. Os transformadores para medição e

para proteção são transformadores de corrente (TC) e transformadores de potencial

(TP).

Neste trabalho será comentado apenas sobre TP. Os relés de proteção utilizam

correntes e tensões advindos do sistema de potência. Como os níveis de tensão e

corrente do sistema são elevados implicariam em relés maiores e mais dispendiosos.

Por conseguinte, a tensão e corrente provenientes do sistema devem ter suas

magnitudes reduzidas antes de chegarem aos relés.

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1 TRANSFORMADOR DE POTENCIAL

O transformador de potencial (TP) é um equipamento capaz de reduzir a tensão

de um circuito para níveis compatíveis com a tensão máxima suportável pelos

aparelhos de medidas.

A tensão nominal primaria no TP é função da tensão nominal do sistema elétrico

ao qual está ligado. A tensão secundaria, no entanto, é padronizada e tem valor fixo de

115V. Variando-se a tensão primaria, a tensão secundaria varia na mesma proporção.

Os TP´s podem ser construídos para serem ligados entre fases de um sistema

ou entre fase e neutro ou terra. Os TP´s devem suportar uma sobre tensão permanente

de até 10% sem que lhes ocorram nenhum dano. São próprios para alimentar

instrumentos de impedância elevada, tais como voltímetros, bobinas de potencial de

medidores de energia e etc.

Figura 1 – Transformador de potencial uso interno e externo. Fonte: www.ufmg.com.br/pdf/s%tpie12.pdf

Os TP´s possuem dois tipos de isolação sendo em resina de epóxi para os de

uso interno e em óleo para uso externo.

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2 CARACTERISTICAS TÉCNICAS

Os TP apresentam as seguintes funções :

- Isolamento entre o circuito primário e secundário para altas tensões;

- Redução da tensão para níveis proporcionais ao nível da tensão primária e com

segurança para os equipamentos de proteção ligados no secundário.

Os TP de proteção possuem as seguintes características:

- Faixa de Operação: de 0,05 a 1,9 x Vn (tensão nominal)

- Classes de Exatidão: 2,5 - 5,0 - 10 (%)

Os TP podem ser Eletromagnéticos, usados para tensão até 138 kV, e TP Capacitivos

usados para tensão maiores que 138 kV.

Os TP (transformadores de potencial) de proteção possuem maiores erros

normalizados e maiores faixas de operação que os TP de medição.

Tensão Primária Nominal, em Volts:

Valores acima de 115 V para ASA-ABNT (American Standards Association- Associação

Brasileira de Nornas Técnicas) ou 110 V para IEC (International Electrotechnical

Commission).

Tensão Secundária Nominal, em Volts:

115 – 115 /√3 (ASA-ABNT)

110 – 110 /√3 (IEC)

A carga (Burden) nos TP também é expressa em termos de impedância e suas

componentes resistência e reatância, potência aparente (S) e fator de potência (FP)

para a tensão nominal secundária.

O número de espiras em um transformador é diretamente proporcional à tensão no

enrolamento (devido à densidade de campo magnético desejado). Portanto, quanto

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maior a tensão no primário dos TP (transformador de potencial), maior será o número

de espiras. Como a potência em volt-ampère em um transformador mantém-se entre

primário e secundário, para níveis de tensão maiores no primário implica em níveis de

correntes menores e consequentemente espiras mais finas. Para níveis de tensão

primária maiores que 138 kV, implicam em espiras extremamente finas que pelo

aspecto construtivo é dispendioso (em decorrência da dificuldade de

execução/confecção). Juntando a este fato, quanto maiores os níveis de tensão mais

elaborados devem ser os isolamentos. Por conseguinte, não são usados TP

eletromagnéticos para tensões maiores que 138 kV. Quando existe esta necessidade

por causa da tensão do sistema, usam-se TP com tensão primária de 13,8 kV

acoplados a divisores de potencial capacitivos.

Os TP são usualmente ligados na configuração estrela aterrada-estrela aterrada.

É necessário que seja definido, no mínimo, os seguintes parâmetros para se

especificar corretamente um TP, ou seja:

* Isolação ( Epóxi ou Óleo )

* Uso ( Interno ou Externo )

* Tensão suportável de impulso ( TSI )

* Tensão Nominal primária

* Tensão nominal secundária ( 115 V)

* Frequência nominal

* Classe de exatidão requerida

* Carga nominal

* Polaridade.

2.1 TIPOS DE LIGAÇÕES

Os transformadores de potencial podem ser classificados dentre os seguintes grupos

de ligação:

a. Grupo de ligação 1: projetados para ligação entre fases;

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b. Grupo de ligação 2: projetados para ligação entre fase e terra de sistemas

eficazmente aterrados;

c. Grupo de ligação 3: projetados para ligação entre fase e terra de sistemas onde não

se garante a eficácia do aterramento.

A indicação do grupo de ligação deve ser feita no processo de aquisição.

3 CONSTITUIÇÃO ELÉTRICA

São formados por duplo enrolamento (primário e secundário). No primário tem

grande quantidade de espiras de fio menos espesso. No secundário tem uma pequena

quantidade de espiras, no entanto com fio mais espesso. A transferência magnética é

feita através do núcleo de aço silício.

Figura 2 - Transformador de Potencial Esquemático Fonte: http://www.ebah.com.br/content/ABAAAAVVYAD

3.1 Polaridade

A polaridade dos transformadores de potencial deve ser subtrativa. As

polaridades de todos os enrolamentos devem ser claramente indicadas no

transformador e em todos os desenhos, inclusive na placa de identificação. A indicação

da polaridade deve ser conforme norma NBR.

Núcleo de Aço Silício

Enrolamento Primário

Enrolamento Secundário (115V)

Polaridade Polaridade

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3.2 APLICAÇÕES ESQUEMÁTICAS

Figura 3 - Transformador de Potencial e carga Fonte: Livro; Eletricidade Industrial; G. Martino

A seguir segue um exemplo de um Transformador de Potencial em cabines de

alta tensão de uma indústria.

Figura 4 - TPs Instalado em cabine de AT Fonte: Arquivos cedidos pela Proeletric Engenharia.

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3.3 DEFINIÇÃO

• São transformadores desenvolvidos para operar com os terminais do secundário com cargas de elevadas impedâncias, como é o caso da bobina de voltímetros, bobinas

Voltimétricas dos relés, etc. (SIMONE, 1998).

3.4 ASPECTOS CONSTRUTIVOS

Figura 5Fonte: http://s3.amazonaws.com/magoo1.

• O enrolamento primário de um TP consiste de um número elevado de espiras adequado a tensão operacional da rede à qual será conectado.

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• O enrolamento secundário, entretanto, possui um número de espiras menor, adapta-se a tensão do equipamento ou dispositivo que será conectado ao enrolamento secundário.

• Por norma, a tensão secundária é de 115 V, nos TPs empregados em medição.

• As condições de operação normal de um TP correspondem a operação de um transformador em vazio.

• O TP é usado para conectar, voltímetros, freqüêncímetros, e bobinas de aparelhos eletrodinamométricos (como Wattímetros, Wattímetro integrador e Cossímetro).

• Os TPs são conectados diretamente a rede de alimentação e são fabricados para todas as Classes de Tensão de Isolamento previstas na norma NBR 5410.

• O TP é similar em construção a um pequeno transformador de potência, onde o primário com várias espiras, é conectado ao lado de alta tensão, enquanto o secundário é conectado ao voltímetro.

• Os TPs tem enrolamentos concêntricos e o enrolamento de alta envolve o enrolamento de baixa, à semelhança dos transformadores de potência.

• Todos os instrumentos de medida são conectados em paralelo ao mesmo secundário, atuando sobre todos os instrumentos simultaneamente.

• As resistências dos voltímetros, em geral, são da ordem de milhares de Ohms, de modo que o TP opere em condições similares ao transformador de potência com o secundário em aberto.

• Devido a isto, as quedas de tensão internas aos mesmos, dadas por suas resistências e suas reatâncias equivalentes, são relativamente pequenas, e pode-se considerar que:

Ε1=(N 1N 2 )x Ε2• Portanto a relação de transformação é a própria constante de proporção entre o primário e o secundário do TP.

• A tensão do secundário tem fase oposta a tensão do primário e a polaridade do enrolamento deve ser avaliada quando se necessita da fase do sinal.

• A correta transmissão da fase do sinal de primário é de vital importância para instrumentos como um registrador integrador (Wattímetro hora).

• Se um voltímetro estiver permanentemente ligado, a escala do aparelho é projetada para aparecer no visor a tensão de alta tensão, sem a necessidade de conhecer a

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• Por segurança, um dos terminais do secundário do TP, a carcaça e principalmente o núcleo magnético devem ser aterrados no mesmo ponto.

• Isto evita que uma fuga de corrente pela isolação dos enrolamentos, ou um transitório de sinal, que gere um pulso de alta tensão, venha a danificar o equipamento ou alcançar o operador.

4 TPs INDUTIVOS

Os TP indutivos são construídos segundo três grupos:

• Grupo 1 - são aqueles projetados para ligação entre fases.

• São basicamente os do tipo utilizados nos sistemas de até 34,5 kV.

• Os transformadores enquadrados neste grupo devem suportar continuamente 10% de sobrecarga;

• Grupo 2 - são aqueles projetados para ligação entre fase e neutro de sistema diretamente aterrados, isto é: onde Rz é a resistência de sequência zero do sistema; e Xp é a reatância de sequência positiva do sistema.

• Grupo 3 - são aqueles projetados para ligação entre fase e neutro de sistemas onde não se garante a eficácia do aterramento.

5 TPs CAPACITIVOS

Figura 6Fonte: http://html.rincondelvago.com/000661361.jpg

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• Os transformadores capacitivos basicamente utilizam-se de dois conjuntos de capacitores que servem para fornecer um divisor de tensão e permitir a comunicação através do sistema carrier.

• São construídos normalmente para tensões iguais ou superiores a 138 kV.

• O esquema básico do TP, onde se vê que o primário constituído por um conjunto C1 e C2 de elementos capacitivos em série.

Figura 7Fonte: http://www.slideshare.net/jimnaturesa/transformadores-1-presentation

• É ligado entre fase e terra, havendo uma derivação intermediária E, correspondente a uma tensão V da ordem de 5 kV a 15 kV, para alimentar o enrolamento primário de um TP tipo indução intermediário, o qual fornecerá a tensão V2 aos instrumentos de medição e de proteção ali instalados.

• Notação adotada pela NBR6855:

• Dois pontos (:) é usado para representar relações nominais como por exemplo 120:1 (13800 para 115 V);

• Hífen (-) é usado para separar relações nominais de enrolamentos diferentes, como por exemplo, 13.800-115 volts;

• Sinal x é usado para separar tensões primárias nominais e relações nominais de enrolamentos destinados a serem ligados em série ou paralelo, como por exemplo, 69000x13800-115 volts;

• A barra (/) é usada para separar tensões primárias nominais e relações nominais obtidas por meio de derivações, seja no enrolamento primário ou no secundário, por exemplo, TP grupo 2.

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5.1 CONDIÇÕES DE INSTALAÇÃO

• Queda de tensão no circuito de não deve ultrapassar a 5%, em regime intermitente;

• Carga a ser computada para o dimensionamento do transformador de potencial deve levar em consideração a potência das lâmpadas de sinalização, a carga consumida continuamente pelas bobinas e a sua potência de operação;

• No cálculo da carga total deve-se levar em consideração tanto as cargas ativas como as cargas reativas das bobinas em regime contínuo e em regime de operação.

5.2 DADOS DE ESPECIFICAÇÃO

• Destinação: medição, proteção ou automação;

• Uso: interior, exterior, conjunto de manobra;

• Carga instalada (especificação dos instrumentos e dispositivos) (Potência nominal);

• Não empregar como fonte de carga auxiliar

• Classe de exatidão (finalidade);

• Classe de tensão (nível de isolamento);

• Números de enrolamentos secundários ou derivações;

• Relação de transformação;

• Valor nominal das correntes e tensões (primárias e secundárias);

• Grupo de ligação (TP);

• Fator térmico;

• Tensão aplicada (Suportáveis e impulso)

• Tipo de encapsulamento (epóxi, imerso, seco).

6 CONSIDERAÇÕES FINAIS

• Os TPs e TCs servem também como elementos de isolamento entre os instrumentos ligados no secundário e o circuito de alta tensão, reduzindo assim o perigo para o operador e tornando desnecessária uma isolação especial para tais instrumentos.

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• Assim, é que há TCs de 5-5 A, mas com nível de isolamento para alta tensão;

• Um mesmo instrumento elétrico, utilizado com TCs ou TPs de diferentes relações nominais, podem servir para um campo muito largo de medições graças à padronização dos valores secundários deles, 5A para os TCse 115 volts para os TPs.

• Deve-se ter o cuidado de ligar àterra o secundário e o núcleo dos TCs e TPs por medida de segurança.

• Além disso, os TCs para alta tensão são construídos normalmente com camadas de material condutor envolvendo o enrolamento primário para uniformização da distribuição dos potenciais.

• Estas camadas são ligadas entre si e também a um terminal externo, o qual deve ser ligado à terra.

• Os TCs e TPs têm todos os terminais primários e secundários providos de marcas indeléveis.

• Estas marcas permitem ao instalador a rápida identificação dos terminais de mesma polaridade.

• O instalador somente precisa se preocupar com a polaridade no momento em que for ligar ao secundário dos TCs ou TPs os instrumentos elétricos que têm bobinas providas de polaridades relativa, tais como wattímetros, medidores de energia elétrica, fasímetros, etc.

• A entrada das bobinas destes instrumentos deve ser ligada ao terminal secundário do TC ou TP que corresponde ao terminal primário que foi utilizado como entrada.

• É aconselhável, antes de instalar os TCs e TPs verificar pelo menos a "relação de transformação nominal" e a polaridade.

• O núcleo dos TPs e TCs é feito de chapas de ferro silício.

• Para os de melhor qualidade, emprega-se ferro silício de grãos orientados, laminado a frio, conseguindo-se bons resultados quanto à permeabilidade magnética e menores perdas.

• Os TCs especiais, os que serão utilizados como padrão por exemplo, para os quais se exige excelente classe de exatidão, tem o núcleo feito de chapas de ligas especiais de ferro níquel.

• Estas ligas têm alta permeabilidade magnética e perdas reduzidas, mas o seu custo bem maior.

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7 BIBLIOGRAFIA

Simone, GilioAluísio. Transformadores. São Paulo: Érica, 1998. WEG. Catálogo de Transformadores. 2009. G. Martino; Eletricidade Industrial