Transformador de Potencial Capacitivo

Transformador de Potencial

Capacitivo

Produtos Unidade especializada em TI´s, há mais

de 25 anos no mercado brasileiro. Linha de produtos :

TC de baixa tensão especial - 0,6 kV TC e TPI a seco até 72.5 kV TC a óleo de 72,5 até 362 kV TPI a óleo de 72,5 até 245 kV TPC/CC a óleo de 72,5 até 500 kV Reatores e Bobinas de Bloqueio

Introdução Durante muitos anos utilizou-se na indústria

elétrica os divisores capacitivos para se obter baixa energia para sistemas indicativos , sinalização e comunicação via alta tensão.

Na busca do aumento da potência da carga mais a melhoria da precisão ,temos a evolução do divisor de potencial capacitivo desde sua forma mais simples até o atual transformador de potencial capacitivo.

Evolução

O TPC É um equipamento constituído basicamente por duas partes:

TPC - Função

Fornecer uma tensão adequada para operação de equipamentos , instrumentos de proteção , controle e medição ,da mesma forma que um TPI convencional.

Trabalhar em sistemas de comunicação via a linha de alta tensão (OPLAT) executando transmissão e recepção de voz , sinais elétricos para telemetria , telecomando e proteção ,tais como religadores de grandes distâncias via onda portadora.

TPC - vantagem Executa a função de dois equipamentos , um TPI e um capacitor

de acoplamento. Economizando estruturas e é claro espaço.

TPC - vantagem Desde que previsto pode ser facilmente convertido a classes

de Isolamento superior , simplesmente montando módulos capacitivos sobre a unidade eletromagnética.

TPC - vantagem

Quando usados para apenas medição ou proteção resultam ser mais econômicos que os TPI’s ,a partir de 230kV , além é claro de possuir a parte de comunicação.

Não precisa de cablagem especial para comunicação . Utiliza a própria linha de alta tensão.

TPC - desvantagem Ferro-ressonância no secundário , solucionável por dispositivos

internos.

TPC - desvantagem Uma resposta menos rápida a transitórios , o que se

deverá fazer um estudo real do tempo de resposta necessária para o sistema de proteção. (ver pág.. 39)

TPC - desvantagem

Não se aplica para descarga de linha de transmissão , já que o seu primário é um capacitor e não uma bobina como um TPI, dissipar energia . Este caso é mais para efeito de aplicação do que uma desvantagem propriamente dita.

TPC no Sistema

Esquema Elétrico

Análise - Divisor Capacitivo

K = U1 / Uo Cn = C1 x C2 / C1+C2 Uo = U1.(ZC2 / ZC1+ZC2) Uo = U1.(C1 / C1 + C2)

Circuito Equivalente

CE = C1 + C2 Ui = Uo - ( I . Zc) Erro =[Uo - ( I . Zc)] / Uo

Aplicando o teorema de THEVENIN chegaremos ao circuito abaixo:

Reator de Compensação Para compensar a reatância capacitiva de CE e colocar em fase a tensão

secundária com a primária , incorporamos um reator de compensação.

Reator de Compensação Este é calculado em ressonância com CE a uma freqüência “f “.

Ficando: wLA = 1 / wCE ; LA = 1 / (w2.CE) ; Q = wLA / R Nesta condição fica então: Erro = Uo-Ui / Uo. Queda em “R” somente.

Erro do Divisor Capacitivo

Quanto > Q : < Erro ; Quanto < K : < Erro ; Quanto > Cn : < Erro ; Quanto > U1 : < Erro ; Quanto < P : < Erro.

Pela análise feita até agora e acrescentando a potência da carga Z(em VA) e substituindo valores em fórmulas , chegaremos que:

Exemplo

Calculando iremos chegar a Cn= 0,1mF = 100.000pF . Podemos concluir que para trabalharmos com uma

capacitância possível de ser fabricada, temos que aumentar a tensão intermediária e reduzindo o K da coluna.

Seja fabricar um divisor de potencial capacitivo de relação 230000/V3-115/V3 , classe de precisão 1% , carga 100VA e fator de qualidade 30. Qual a Cn necessária ? Sendo que:U1=230000/V3 , Ui=115/V3 , K=2000 , Erro=1% , Q=30.

O Divisor Capacitivo e o TPI É então mais interessante realizar a tomada do divisor

capacitivo a uma tensão mais elevada e utilizar um TPI para abaixar a tensão aos valores normalizados.

O divisor de potencial capacitivo acoplado a um transformador de potencial indutivo é denominado transformador de potencial capacitivo.

Circuito Equivalente do TPC

Rp = resist.primária do TPI +resist.LA +perdas dielétricas em C1 e C2.

Lp = Indutância LA + Indutância de fuga do primário. Lm= Indutância equivalente das perdas no ferro. Rw = Resistência equivalente as perdas no ferro. Ls Rs=Indutância de fuga do secundário e resistência

do secundário.

Circuito Equivalente Referido ao Secundário

Quando da inserção do TPI temos novas variáveis que interferirão no cálculo do erro.

Para podermos considerá-las no cálculo , temos que trabalhar com todas estas na mesma base . É quando referimos todos os valores ao secundário . Divide-se os valores pela relação do TPI ao quadrado.

Erro do TPC

Equacionando o circuito anterior , teremos:

Erro do TPC Usando o diagrama vetorial da equação anterior ,

verificaremos que:

Fatores de Influência dos Erros do TPC

Importante : A variação do erro devido a variação de freqüência não é corrigível , mas pode ser minimizado aumentando-se o valor de Ce . Lembrando que Ce = CE . K´2 .

Freqüência:O valor de freqüência do sistema varia de um valor fo a um valor (fo +- Df ). Os erros de relação correspondentes as freqüências f1 e f2 valem respectivamente :


Temperatura: Há três causas diferentes de influência no erro

devido a temperatura:

A resistência ôhmica dos enrolamentos do TPI e indutância LA.

A variação da capacitância equivalente (C1+C2) que ocasiona mudança na impedância de fuga do TPC (erros análogos à freqüência).

A variação da relação (C1+C2)/C1 , quando os dois capacitores têm temperaturas diferentes. Sendo esta a mais problemática das três devido a sua influência direta nos erros do TPC. Alteração do K da coluna.

Variação da Temperatura e Freqüência

N ORMA MEDIÇÃO PROTEÇÃO TEMP. AMBIENTE

IEC 99 à 101% 59,4 Hz à 60,6 Hz

96 à 102% 57,6 Hz à 61,2 Hz

-5 ºC à +40 ºC- 25 ºC à + 40 ºC

ANSI SEM VARIAÇÃO DA FREQUÊNCIA

58 à 62 Hz97% à 103%

- 40 ºC à + 40 ºC

ABNT(Projeto de Norma)

99 à 101% 59,4 Hz à 60,6 Hz

96 à 102% 57,6 Hz à 61,2 Hz

-5 ºC à + 40 ºC - 25 ºC à + 40 ºC


Núcleo magnético da indutância LA. As perdas deste núcleo interferem na resistência R

Portanto, este não é rigorosamente constante com a carga secundária , devendo ser dimensionado para atender a esta variação de carga secundária.

O consumo de Corrente a vazio do TPI do TPC .

Este consumo a vazio deve ser menor que de um TPI “convencional” , visto há uma queda de tensão provocada pela indutância LA em série com o TPI.

TPC no Transitório Introdução: Os TPC´s estão sujeitos a três estados distintos de

transitório:

A ferro ressonância , que aparece principalmente na abertura de um curto circuito secundário e operação da chave de potencial.Baixa freqüência.

As oscilações que aparecem quando são energizado bruscamente . Estas oscilações tem sempre a freqüência da rede.

Ao tempo de recuperação ou resposta a um curto circuito primário também denominado resposta a transitórios.

TPC no Transitório

Estas oscilações se devem ao fato de estarmos lidando com um equipamento RLC , que trabalha com capacitâncias e indutâncias saturáveis .

Estas são inadmissíveis , visto que podem ocasionar sobre tensões elevadas que podem deteriorar o TPC e os equipamentos a ele conectados.

Proteção contra Ferro-Ressonância

Ocorrendo um curto-circuito e sendo o TPC mantido sob tensão , o disjuntor atua eliminando o curto circuito .

Toda energia armazenada nos elementos reativos descarrega-se bruscamente , criando uma corrente iD .


O produto desta corrente pela impedância primária causa uma sobre-tensão na unidade eletromagnética , fazendo saturar as indutâncias do TPI e LA .

Isto ocasiona oscilações no circuito , que não desaparecem a não ser que o TPC seja desenergizado.

Então colocamos uma impedância de amortecimento com um valor baixo , a fim de que a energia se dissipe nela , eliminando as oscilações e o efeito de ferro-ressonância.


Dispositivos de amortecimento:

Resistência pura : Consiste em um elemento resistivo conectado

constantemente ao secundário .

Elemento Saturável: É um dipolo auto-saturável na sub-harmônica de 3º

ordem em série com uma resistência . Apresenta o encoveniente de não ser insensível à tensão secundária.


Dispositivos de amortecimento:

Dispositivos Eletrônicos: Apresenta a dupla vantagem de baixo consumo e

de não perturbar o regime transitório .

Circuito tampão Ajustado: Consiste num circuito LC conectado em paralelo em

ressonância conectado em série com uma resistência. Apresenta baixo consumo , visto que em ressonância a impedância é muito alta


Circuito Tampão Ajustado:

TPC no Transitório O curto Circuito Primário: O estudo de um TPC a resposta a um curto circuito no

primário é muito complexa , porque nos encontramos na presença de um sistema de “n” equações que correspondem a “n” variáveis de estado. Ficando a equação que representa a tensão secundária:

U2 = S ni =1 .Ai e Pi t

Onde: Ai => Representa as condições iniciais das diferentes

variáveis no momento da falha.; Pi => Representa as diferentes constantes de tempo

do sistema.; t = > O tempo.

TPC no Transitório

O Erro Transitório:

Define-se o erro transitório como:

e= 100 . ( U2 t / U2 )% Onde: U2 => É a tensão de crista existente antes da falha; U2 t => É a tensão transitória neste secundário após o

defeito.

A Norma IEC estabelece que este deve ser menor que 10% em um ciclo.

Fatores que Afetam a Resposta a Transitórios

São oito os fatores que afetam o tempo de resposta a transitórios.

Ponto da onda primária onde ocorre o curto-circuito ; Magnitude de C1 e C2 (Ce) ; O fator de potência da carga ; Relação de transformação do TPI (tensão intermediária) ; Tipo do circuito supressor de ferro-ressonância; Composição da carga ( a mesma carga pode ter

componentes em série ou paralelo) ; Valor da resistência inerente ao circuito do TPC ; A magnitude da corrente de excitação do TPI .


Ponto da onda primária onde ocorre o curto-circuito Estipula a carga e descarga do capacitor.

Magnitude de C1 e C2 (Ce) Quanto maior Ce menor é Xce.I , portanto , menor

tensão para amortecer . Porém maior é a constante de tempo RC .

O fator de potência da carga Interfere na constante de tempo do circuito.


Relação de transformação do TPI (tensão intermediária) Ao aumentarmos a tensão temos uma menor corrente

para uma mesma carga numa tensão menor . Menor energia armazenada.

Tipo do circuito supressor de ferro-ressonância Atua na constante de tempo do primário.

Composição da carga ( a mesma carga pode ter componentes em série ou paralelo)

Se esta é composta de elementos série ou paralelo. Normalmente são em série e estas tem melhor resposta .


Valor da resistência inerente ao circuito do TPC Resistências muito baixas provocam correntes maiores ,

isto ocorre nos TPC´s atuais por terem classes de precisão baixa.Maior energia no capacitor na falha.

A magnitude da corrente de excitação do TPI . Quando a vazio a corrente de excitação deve ser mínima

visto que, esta corrente sendo muito alta carrega muito os capacitores e sem carga no secundário o TPC fica exposto a transitórios.

Comunicação

Escolha da Capacitância O responsável pela escolha da capacitância mínima do

Capacitor de acoplamento ou TPC ,é o engenheiro de comunicações , pois a ele interessa que o sinal de CARRIER injetado no extremo da linha chegue com suficiente intensidade ao outro extremo , além é claro da faixa de freqüência e números de canais.

Por norma a coluna capacitiva deve ter sua resistência equivalente série < 40omhs em qualquer freqüência.

Por norma a perda por inserção da bobina de drenagem deve ser menor que 0,5dB.

Capacitância x Atenuação

Por definição: At = 20 log (V1 / V2)

Dados para Especificação

Norma Tensão Máxima do

Sistema Nível de Isolamento Tensão Primária Nominal Grupo de Ligação e Fst Tensão Secundária

Nominal ou Relação

Freqüência Nominal Capacitância Classe e Carga de

Exatidão Potência Térmica Faixa de Freqüência de

Comunicação

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