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Cap.6 – T Transformadores ransformadores para Instrumentos . TP – Transformador de Potencial . TC – Transformador de Corrente
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6.1. INTRODUÇÃ INTRODUÇÃO O CONSIDERAÇÕES INICIAIS As principais funções dos transformadores para instrumentos (TI’s) são: ● Retratar condições reais de um sistema elétrico com a fidelidade necessária; ● Transformam o módulo da grandeza a ser medida sem alterar sua natureza (forma de onda, defasagem); ● Isolar o circuito primário do secundário.
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6.1. INTRODUÇÃO Há dois tipos de TI's: ● Transformadores de potencial (TP's) – saída de tensão
padronizada em 115 [V];
● Transformadores de corrente (TC's) – saída de
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TP – Transformador de Potencial A. Introdução; B. Diagrama Equivalente e Diagrama Fasorial; C. Valores Nominais dos TP’s; D. Classe de Exatidão; E. Grupos de Ligação e Potência Térmica Nominal; F. Determinação da Carga dos TP’s; G. Polaridade e Marcação dos Terminais de TP’s; H. Paralelogramos de Precisão e Classes de Exatidão; I. Observações Práticas Importantes Sobre TP’s; J. Representação das Tensões e Relações de Transformadores Nominais dos TP’s; K. Ordem de Grandeza das Perdas da Bobina de Potencial.
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) Primário do TP – 13,8kV fase-fase (existem diferentes níveis de tensão) Secundário do TP – Padronizado em 115V fase-fase Figura 1 – Exemplo de utilização de TP
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) A. INTRODUÇÃO Os TP’s reduzem os níveis de tensões das instalações a valores mais baixos, compatíveis com a segurança de operadores e das bobinas de tensões dos circuitos de medição, controle ou proteção. - A sua instalação pode ser externa ou interna (abrigada). - Ele alimenta a instrumentação de medição, proteção e controle. - A representação da relação de transformação e, por exemplo:
=
N1
N2
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) B. DIAGRAMA EQUIVALENTE E DIAGRAMA FASORIAL A carga Z’ do TP é um medidor: voltímetro e/ou medidor de energia elétrica e/ou wattímetro, etc.
Figura 3 - Diagrama Equivalente do TP (tal como um transformador convencional)
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) B. DIAGRAMA EQUIVALENTE E DIAGRAMA FASORIAL
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) B. DIAGRAMA EQUIVALENTE E DIAGRAMA FASORIAL
Características dos TP´s: Projetados para suportarem sobretensões a níveis determinados em regime permanente, sem que nenhum dano lhes seja causado; Como são empregados para alimentar instrumentos de alta impedância (voltímetros, reles de tensão, etc) a corrente secundária é extremamente baixa. Além disso, devem ter um erro mínimo na relação de transformação e no ângulo de fase. ●
●
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) B. DIAGRAMA EQUIVALENTE E DIAGRAMA FASORIAL Tipos de TP´s: • Indutivos, • Capacitivos (mais conveniente e econômico em circuitos de alta e extra-alta tensão) TP´s indutivos: Mesmo princípio de funcionamento dos transformadores de potência, variando-se a tensão primária haverá uma variação proporcional na tensão secundária, ou seja curva relacionando as duas tensões deve
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) B. DIAGRAMA EQUIVALENTE E DIAGRAMA FASORIAL Os TP’s podem ter, considerando a quantidade de enrolamentos secundários: • Um enrolamento secundário: é o caso mais normal para TP’s de média e baixa tensão. Amplamente utilizado na indústria em geral; • Um enrolamento secundário com tap’s: utilizados onde se desejam dois ou mais valores de tensão secundária; • Dois secundários: possuem dois secundários em núcleo magnético comum e possuem enrolamentos com ou sem tap’s. Naturalmente, cada secundário é afetado pelas condições de carga do outro.
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) C. VALORES NOMINAIS DOS TPs • Os valores nominais que caracterizam um TP, de acordo com a
NBR 6855/2009, são: a) Tensão primária nominal e relação nominal; b) Nível de isolamento; c) Frequência nominal; d) Carga nominal; e) Classe de exatidão; f) Potência térmica nominal.
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) C. VALORES NOMINAIS DOS TPs TENSÃO PRIMÁRIA E RELAÇÃO NOMINAL: • A tensão primária nominal depende da tensão entre fases, ou entre fase e neutro, do circuito em que o TP vai ser utilizado; • A tensão secundária nominal é, aproximadamente, 115 Volts (fase-fase). Caso a ligação seja fase-neutro, utiliza-se 115/ √3 volts. Outras possibilidades de tensão no secundário (não muito comum): 110[V], 120 [V], 125[V]; • A relação de transformação é definida como:
1 = 2
•
U 1N – é a tensão primária nominal, em [V]
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) C. VALORES NOMINAIS DOS TPs TENSÃO PRIMÁRIA E RELAÇÃO NOMINAL:
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) C. VALORES NOMINAIS DOS TPs
FREQUÊNCIA NOMINAL: 60 [Hz] no Brasil.
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) C. VALORES NOMINAIS DOS TPs CARGAS NOMINAIS:
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) D. CLASSE DE EXATIDÃO Classe de exatidão é o valor máximo de erro, expresso em porcentagem, que poderá ser causado pelo TP aos instrumentos a ele conectados. TP’s são enquadrados em uma ou mais das três seguintes classes de
exatidão: 0,3; 0,6 e 1,2. A seleção da classe de precisão depende da aplicação a que se destina o TP.
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) D. CLASSE DE EXATIDÃO Tabela 4 – Aplicações dos TP’s conforme sua classe de exatidão
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) E. GRUPOS DE LIGAÇÃO E POTÊNCIA TÉRMICA NOMINAL TP´s classificam-se em 3 grupos de ligação: a) Grupo 1 - TP´s projetados para ligação entre fases; b) Grupo 2 - TP`s projetados para ligações entre fases e neutro de sistemas diretamentes aterrados; c) Grupo 3 – TP´s projetados para ligações entre fases e neutro de sistemas onde não se garanta a eficácia do aterramento.
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) E. GRUPOS DE LIGAÇÃO E POTÊNCIA TÉRMICA NOMINAL Potência térmica nominal é a maior potência aparente que um TP pode oferecer em regime permanente e tensão e frequência nominais. • Para os TP´s pertencentes aos grupos 1 e 2 a potência térmica deve ser superior a 1,33 vezes a carga mais alta em [VA], referente a exatidão do TP, com sobretensões de 15 % continuamente. • Para os pertencentes ao grupo 3 a potência térmica superior a 3,6 vezes a carga mais alta em [VA] com sobretensões 90 % continuamente. •
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) E. GRUPOS DE LIGAÇÃO E POTÊNCIA TÉRMICA NOMINAL A potência térmica é expressa por :
> ∗ 1,21 ∗
Pt - potência térmica; K - 1,33 (grupos 1 e 2) ou 3,6 (grupo 3); U - tensão secundária em [V]; Z - impedância correspondente à carga nominal em [Ω]. Tabela 5 Potências térmicas aceitáveis para secundário
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) F. DETERMINAÇÃO DA CARGA DOS TPs Representação ABNT: 0,6P12,5 -> 0,6 – exatidão e 12,5 – potência máxima VA X-P.VA onde X é a classe de precisão. VA a potência da carga acoplada ao secundário Representação ANSI: Designação por letras:; a) 0,3WXY -> TP com cargas padronizadas W, X e Y acopladas ao secundário, tem classe de exatidão 0,3; b) 0,6Z -> Com carga padronizada Z acoplada ao secundário, tem classe de exatidão 0,6.
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) F. DETERMINAÇÃO DA CARGA DOS TPs
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) G. POLARIDADE E MARCAÇÃO DOS TERMINAIS DE TPs
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) H. PARALELOGRAMOS DE PRECISÃO E CLASSES DE EXATIDÃO Os paralelogramos definem a área onde um determinado TP está dentro de uma classe de exatidão.
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) I. OBSERVAÇÕES PRÁTICAS IMPORTANTES SOBRE TPs
1. Se um TP alimenta vários instrumentos elétricos, estes devem ser ligados em paralelo a fim de que todos eles fiquem submetidos à mesma tensão secundária do transformador ; 2. Estando um TP com carga e havendo a necessidade de retirá-la, é necessário que o enrolamento secundário fique aberto . O fechamento do secundário de um TP através de um condutor de baixa impedância provocará um curto-circuito; em outras palavras, uma corrente secundária demasiadamente elevada, e em consequência a primária, pode provocar a danificação do TP e, ainda, uma possível perturbação no sistema do circuito principal;
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) I. OBSERVAÇÕES PRÁTICAS IMPORTANTES SOBRE TPs 3. Outro aspecto importante é o aterramento rígido, que deva haver entre carcaça e circuito secundário dos TP’s do Grupo 1 e dos terminais do neutro dos TP’s dos Grupos 2 e 3 à malha de terra da instalação; isto se deve aos seguintes fatores: a) Contato ocasional entre primário, secundário e carcaça devido à falha ou defeitos internos, resultando no aparecimento de potenciais perigosos a operadores; b) Aparecimento de altos potenciais estáticos no enrolamento secundário, devido à indução estática entre enrolamentos primário e secundário (funcionam, basicamente, como as placas de um capacitor). 4. Os TP’s, assim como outros transformadores monofásicos, devem ter polaridade subtrativa.
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) J. REPRESENTAÇÃO DAS TENSÕES E RELAÇÕES DE TRANSFORMADORES NOMINAIS DOS TP’s As tensões primárias nominais e as relações nominais devem ser representadas em ordem crescente, do seguinte modo: a) Sinal de dois pontos (:) deve ser usado para representar relações nominais. Por exemplo: 120:1 b) Hífen (-) deve ser usado para separar relações nominais de enrolamentos
diferentes.
Por exemplo: 700-1200:1 c) Sinal (x) deve se usado para separar tensões primárias nominais e relações nominais de enrolamentos destinados a serem ligados em série ou paralelo. Por exemplo: 6900 x 13800[V] x 120:1
d) A barra (/) deve ser usada para separar tensões primárias nominais e
relações nominais obtidas por meio de derivações, seja no enrolamento primário, ou seja, no enrolamento secundário.
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) K. ORDEM DE GRANDEZA DAS PERDAS DA BOBINA DE POTENCIAL
Tabela 9 Ordem de grandeza das perdas da bobina de potencial de instrumentos elétricos empregados com TP´s de 115V, 60Hz.
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6.2. TRANSFORMADORES DE POTENCIAL (TP) K. ORDEM DE GRANDEZA DAS PERDAS DA BOBINA DE POTENCIAL Ex.: Especificar um TP para medição de energia elétrica para faturamento a um consumidor energizado em 69 kV, em que serão utilizados os seguintes instrumentos: a) medidor de kWh com medidor de demanda; b) medidor de kVArh sem medidor de demanda. OBS.: Utilizar os maiores valores.
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TC – Transformador de Corrente
A. Introdução; B. Diagrama Equivalente e Diagrama Fasorial; C. Paralelogramos e Classes de Exatidão; D. TC’s para Medidas e Proteção; E. Tipos de TC’s conforme sua Construção; F. Tipos de TC’s conforme seus Enrolamentos; G. Valores Nominais dos TC’s; H. Especificação de TC’s; I. Polaridade e Marcação dos Terminais de TC’s; J. Relação de Transformação;
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) A. INTRODUÇÃO Reduz valores de corrente em outro de menores intensidades. Mais comum 5[A]; • O circuito primário é ligado em série com a alimentação de uma instalação ou equipamento onde se deseja medições ou proteção; • O circuito secundário alimenta as bobinas de corrente dos aparelhos destinados para tal fim. Ex.: Amperímetro, bobina de corrente do wattímetro e do medidor de energia elétrica. •
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) A. INTRODUÇÃO Em TC´s a corrente primária que define a secundária, independente do instrumento que esteja alimentando. • Baixa impedância de primário para não influenciar o circuito de alta corrente. • Alta tensão de secundário. • Inconveniente: •
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) A. INTRODUÇÃO “ Antes de qualquer operação com TC´s deve-se primeiro aplicar um
curto circuito através de um condutor de baixa impedância ou de chave apropriada. ”
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) B. DIAGRAMA EQUIVALENTE E DIAGRAMA FASORIAL
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) C. PARALELOGRAMOS E CLASSE DE EXATIDÃO TC para medição
CLASSE 0,3 0,6 1,2 3,0
APLICAÇÃO Medidas de precisão (laboratório e faturamento) Medidas de energia (faturamento) Instrumentos de painel em geral Amperímetros.
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) D. TCs PARA MEDIDAS E PROTEÇÃO • Construção diferente para medição e proteção; • TC´s para medição mais precisos e saturam em 150 % da corrente
nominal; • TC´s para proteção menos precisos e não devem saturar facilmente. Saturam cerca de 20 a 25 x In (2000 % In , 2500 % In).
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) E. TCs CONFORME SUA CONSTRUÇÃO Tipo enrolado: enrolamento primário constituído por uma ou mais espiras, envolve mecanicamente o núcleo do transformador; Tipo barra: primário constituído por uma barra montada permanentemente através do núcleo do transformador.
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) E. TCs CONFORME SUA CONSTRUÇÃO
Tipo janela: sem primário próprio, construído por uma abertura no núcleo, por onde passará o condutor primário, Formando uma ou mais espiras. Tipo bucha: tipo especial de TC janela, instalado sobre a bucha de um equipamento elétrico fazendo parte dele. dele.
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) E. TCs CONFORME SUA CONSTRUÇÃO
TC núcleo dividido: tipo especial de TC janela em que parte do núcleo é separável.
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) F. TCs CONFORME SEUS ENROLAMENTOS Objetivo: variação da relação de transformação. VÁRIOS ENROLAMENTOS PRIMÁRIOS Ex.: TC com 4 enrolamentos primários que suportam 100A cada, tem-se: Ligação série 100-5[A] RTC – 20:1 Ligação série-paralelo 200-5[A] RTC – 40:1 Ligação paralelo 400-5[A] RTC – 80:1
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) F. TCs CONFORME SEUS ENROLAMENTOS Objetivo: variação da relação de transformação. VÁRIOS ENROLAMENTOS SECUNDÁRIOS EM NÚCLEOS DISTINTOS. Os TC’s possuem dois tipos de enrolamentos secundários, um para medição e outro para proteção. Por este fato, nota-se que, neste caso, deve haver dois núcleos diferentes e independentes entre si devido às diferenças de saturação.
Figura 9 – TC’s com vários enrolamentos
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) G. VALORES NOMINAIS DOS TCs
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) G. VALORES NOMINAIS DOS TCs A. CORRENTE NOMINAL E RELAÇÃO NOMINAL Corrente Primária: TC´s deve ser escolhido de acordo com a corrente máxima do circuito ao qual será inserido; • Corrente Secundária: No Brasil padronizada 5[A], casos especiais em proteção pode haver 2,5[A], 1[A]. •
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) G. VALORES NOMINAIS DOS TCs B. NIVEL DE ISOLAMENTO: Normalmente considera a tensão como sendo a imediatamente superior à nominal de linha do circuito em que o TC será utilizado.
C. FREQUÊNCIA NOMINAL: 60 [Hz] no Brasil.
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) G. VALORES NOMINAIS DOS TCs D. CARGA NOMINAL :
Designadas pela letra C seguida da carga em [VA] em 60 [HZ], corrente secundária 5[A].
A resistência, indutância, das cargas nominais são obtidas multiplicando-se os
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) G. VALORES NOMINAIS DOS TCs E. CLASSE DE EXATIDÃO TC´s Medição: Objetivo detectar a qualidade do TC´s . NBR 6856/81 TC´s devem ser enquadrados nas seguintes classes de exatidão: 0,3; 0,6; 1; 2; 3. TC´s e os instrumentos (destinados a serem ligados ao mesmo) devem apresentar a mesma classe de exatidão.
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) G. VALORES NOMINAIS DOS TCs TC´s proteção: NBR 6856/81 padronizou a classe de exatidão 5 ou 10 % , para qualquer corrente secundária, desde 1 a 20 vezes a corrente nominal, e qualquer carga igual ou inferior a nominal.
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) G. VALORES NOMINAIS DOS TCs G. FATOR TÉRMICO NOMINAL: • É o fator que multiplicado pela corrente primária indica a corrente primária máxima que o TC pode suporta em regime permanente. • Os fatores térmicos são : 1,0; 1,2; 1,3; 1,5; 2. H. CORRENTE TÉRMICA NOMINAL (Ith): É a maior corrente primária que um TC é capaz de suportar durante 1seg., com o secundário curto-circuitado, sem exceder os limites de elevação de temperatura correspondente a sua classe de isolamento. •
I. CORRENTE DINÂMICA NOMINAL: É o valor da crista da corrente primária que um TC é capaz de suportar, durante o primeiro ciclo com o secundário curto-circuitado. A NBR 6856 cita que o valor da crista é •
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) H. ESPECIFICAÇÃO DE TCs Medição: Verificar a aplicação do TC, para se determinar a classe de exatidão.
Depois determina-se as cargas em termos de suas potências consumidas Representação da NBR: X é a classe de exatidão e VA a potência. Ex: 0,6C25 Representação ANSI: X é a classe de exatidão e Z a impedância. Para o TC do ex. anterior, com I 2n=5A, P=Z.I2 -> Z=1Ω -> 0,6B1
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) H. ESPECIFICAÇÃO DE TCs Proteção: Maneira Antiga : ANSI e ABNT
A ANSI utilizava os seguintes termos: Onde: H impedância secundária interna elevada (TC do tipo enrolado) L impedância secundária interna baixa (TC do tipo bucha ou janela) X representa o máximo erro de relação especificado em porcentagem (valor 10 ou 2,5), V significa a máxima tensão terminal secundária. –
–
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) H. ESPECIFICAÇÃO DE TCs
Maneira atual: A
NBR 6856/2009 modificou a especificação de TC´s de proteção.
É necessário indicar se o TC de proteção deve ser de classe A(alta impedância) ou B (baixa impedância) e também a tensão secundária nominal
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) I. POLARIDADE E MARCAÇÃO DOS TERMINAIS DE TCs Polaridade: sentido das tensões induzidas no primário e secundário.
As diversas normas internacionais especificam que os TC’s devem ser subtrativos e os terminais marcados como mostrado na tabela a seguir.
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) I. POLARIDADE E MARCAÇÃO DOS TERMINAIS DE TCs
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) J. RELAÇÃO DE TRANSFORMAÇÃO
Procura-se aplicar a corrente primária I com um valor mais próximo possível dos nominais do TC. Efetuadas as medidas calcula-se os erros.
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) J. REPRESENTAÇÃO DAS CORRENTES E RELAÇÕES DE TRANSFORMAÇÃO NOMINAIS DOS TCs Hífen (-): separar as correntes nominais Dois pontos (:) : exprimir as relações nominais (X): separar as corrente primárias ou relações obtidas e enrolamentos cujas bobinas
devem ser ligadas em série ou paralelo Barra (/): separar correntes primárias ou relações obtidas por meio de
derivações.
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6.3. TRANSFORMADORES DE CORRENTE (TC) L. ORDEM DE GRANDEZA DAS PERDAS DA BOBINA DE CORRENTE
Universidade Federal de Itajubá - UNIFEI 6.3. TRANSFORMADORES DEElétricas CORRENTE (TC) Disciplina ELE505 – Medidas ESPECIFICAÇÃO DE TCs . O cálculo de potência ê idêntico ao cálculo feito para o TP. . Os condutores secundários devem entrar no cálculo de carga; . Os TC's fornecem isolamento também; . Tipos de TC´s: - Enrolamento: primário enrolado; - Barra: circ. primário é uma barra; - Janela; - Bucha; Núcleo dividido: alicate amperímetro. . As cargas devem ser ligadas em série; . I secundária (5A); . I primária; . Classe de exatidão; . Carga nominal; . Fator térmico - FT x In (Para atingir temperatura limite mantendo-se dentro da precisão) - 1,0; 1,2; 1,3; 1,5; 2,0 . Nível de Isolamento; . Corrente térmica nominal → chegar à temperatura limite para determinada corrente em 1s; . Corrente din. nominal → 2,5 x Ith para não destruir o TC, aplicação = 0,5 ciclo;
. Polaridade; . Utilização e tipo (externo. interno/janela, bucha, etc.) . Há TC's: - Vários núcleos; - Múltipla relação de transformação (vários primários); - Derivação no
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EXERCÍCIOS Especificar um TC para medição de energia elétrica para faturamento a um consumidor energizado em 69 kV, cuja corrente na linha chegará em 80 A no 1º ano de operação, podendo atingir cerca de 160 A, no 2º ano. Os instrumentos elétricos que serão empregados, abaixo indicados, ficarão a 25m do TC e serão ligados ao 2º deste através de fio de cobre 2,5 mm2. O medidor de kWh com indicador de demanda máxima tipo mecânico apresenta consumo de 1,4 W e 0,8 VAr. O medidor de kVArh, específico para energia reativa, sem indicador de demanda máxima com consumo de 1,4 W e 0,8 VAr. O condutores conduzindo 5 A apresentam um consumo de 6,6 W. Especificar um TC para medição de energia elétrica e controle, sem finalidade de faturamento, sabendo que a tensão entre fases do circuito é de 13,8 kV e que a corrente na linha chegará no máximo a 80 A. Os instrumentos elétricos que serão empregados são: Medidor de kWh com indicador de demanda máxima, consumo 1,4 W, e 0,8 VAr; Medidor de kWh, sem indicador de demanda máxima, acoplado a um autotransformador de defasamento, utilizado para medir kVArh, consumo 1,4 W, e 0,8 VAr; Wattímetro com consumo de 0,7 W e 2,0 VAr; Varmetro com consumo de 0,7 W, e 2,0 VAr; Amperímetro com consumo de 1,5 W, e 0,7 VAr; Fasímetro 2,5 W e 2,0 VAr.