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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