 Clever Pereira
Proteção de SEP
TRANSFORMADORES DE POTENCIAL
1 - Introdução:
• Tipos de TPs
TPs Eletromagnéticos
(TPs)
TPs Capacitivos
(TPCs)
Até 138 kV
Acima de 138 kV
• Funções Básicas
- Isolamento contra altas tensões.
- Fornecimento no secundário de uma tensão proporcional à
tensão primária, com um certo grau de precisão, dentro de
uma faixa especificada para a tensão primária.
• Classes
TP’s de Medição
Faixa de operação:
( 0 – 1,1 ) Vn
TP’s de Proteção
Faixa de operação:
( 0,05 – 1,9 ) Vn
TPs de proteção possuem maiores erros normalizados e
maiores faixas de operação que os TPs de medição
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2 - Definições:
(a) Tensão Primária Nominal (Vpn)
Acima de 115 V (ASA-ABNT) ou 110 V (IEC).
(b) Tensão Secundária Nominal (Vsn)
115 – 115 / 3 (ASA-ABNT)
110 – 110 / 3 (IEC)
(c) Relação de Transformação Nominal (kn)
kn =
V pn
Vsn
(d) Relação de Transformação Real (k)
k=
Vp
Vs
(e) Fator de Correção de Relação (FCR)
FCR =
k
kn
(f) Erro de Relação ou de Corrente [ξi(%)]
ξ v (%) =
kn − k
x100
k
(g) Erro de Ângulo de Fase (γ)
γ = arg(Vs / V p )
(h) Carga ou Burden
Zb , cosΦ
ou
S , cosΦ ( para Vs = Vsn )
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3 – Transformadores de Potencial Eletromagnéticos
3.1. Características Gerais
1. Projetos: similares aos trafos de potência e funcionamento bem
abaixo do limite térmico.
- Trifásico com 5 pernas
Tipos
- Monofásico
• Limite de Tensão
Vpn ≤ 138 kV
Em geral: Vpn ≤ 15 kV
• Exemplo
TP
A = 5 cm x 5 cm = 25 cm2
Bm ≤ 1,6 Wb/m2
f = 50 Hz
Burden: Vs = 110 V (65 V fase/neutro); Ss ≤ 150 VA
E p = 4,44 Bm A f N p

Ss = Vs I s
Ep
Ep

N
=
=
 p 4,44 B A f 4,44 × 1,6 × 25 × 10 − 4 × 50 = 1,126 E p

m

 I = S s = 150 = 2,36 A
 s Vs 63,5
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Desta forma, pode ser construída uma tabela mostrando o
número de espiras do primário e a corrente primária nominal
para diversas classes de tensão nominal. Assim procedendo:
Tensão
de Linha
[kV]
Ep [kV]
11
11 3
132
132
3
380
380
3
Np (espiras)
Ip (mA)
11
≈ 7150
3
132
1,126 ×
≈ 85815
3
380
1,126 ×
≈ 247000
3
110
= 23,6
11000
110
2360 ×
= 1,96
132000
110
2360 ×
= 0,68
380000
1,126 ×
2360 ×
Pode-se notar que à medida que a tensão nominal vai
aumentando, o número de espiras necessários para se
estabelecer a densidade de campo magnético desejada de
1,6 Wb/m2 também aumenta. Por outro lado, a corrente primária
nominal diminui. Isto significa construir, para níveis de tensões
elevadas, TPs com enrolamento primário dotado de um número
muito grande de espiras de um fio muito fino (capaz de suportar
uma corrente primária nominal cada vez menor). Do ponto de
vista construtivo isto significa maiores custos pela dificuldade
de execução da tarefa (a chance de romper o fio fica muito
grande), sem esquecer a natural necessidade de maiores
quantidades de isolamentos, para tensões maiores. Desta forma
é praticamente impossível bons projetos de TPs com tensão
primária nominais acima de 138 kV. Desta forma, é usual
construir-se TPs eletromagnéticos até a classe de tensão de
138 kV e para aplicações em sistemas com tensões superiores
a 138 kV utilizam-se TPs de 13,8 kV acoplados a um divisor de
potencial capacitivo, denominados TPCs (transformadores de
potencial capacitivos).
• Forma de Ligação
A ligação usual em TPs é a ligação estrela aterrada-estrela
aterrada.
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3.2. Circuito Equivalente (referido ao secundário)
I’p
R’p
X’p
Rs
Xs
Is
Ie
Ia
V’p = Vp / kn
Es
Im
Rb
Vs
Xm
Ra
Xb
Zb = Rb + j Xb
Zb =! Zb! ∠Φ b
3.3. Diagrama Fasorial
Construção do Diagrama
V’p
Es
γ
Ia
Φ
Im
Ie
j X’p I’p
R’p Ip
j Xs Is
Vs
Rs Is
Is
§
§
§
§
§
§
§
Φ = arg(Es / Is)
Es = Vs + RsIs + j XsIs
Ia em fase com Es
Im atrasada 90° de Es
Ie = I a + I m
I’p = Is + Ie
V’p = Es+R’p I’p+j X’p I’p
I’p
3.4. Erros em Regime Permanente Senoidal
(a) Erro de relação ou de tensão (εv)
Vs − V p'
kn Vs − V p
ε v (%) =
×
100
%
=
× 100%
V p'
Vp
(a) Erro de ângulo de fase ou de fase (γ)
γ = arg(Vs / V p' )
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3.5 Valores de Norma
(a) Normalização IEC
TPs de Medição
Vp = (0,9 – 1,1) Vpn
Classe de
Exatidão
ξv (%)
γ (min)
A
+ 0,5
+2
B
+ 1,0
+ 30
C
+ 2,0
+ 60
 S = (0,25 − 1,0) S n

 cos φ = 1
TPs de Proteção
Vp = (0,25 – 0,9) Vpn
Classe de
Exatidão
Vp = (1,1 – k) Vpn
ξv (%)
γ (min)
ξv (%)
γ (min)
E
+3
+ 120
+3
+ 120
F
+5
+ 250
+ 10
+ 300
Condições de Aterramento
Enrolamento Primário Aterramento do Sistema
k
Duração
1,1
-
não aterrado
efetivamente ou
não efetivamente
1,5
30 seg
aterrado
efetivamente
aterrado
não efetivamente
1,9 30 s – 8 horas
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(b) Normalização ASA (ABNT)
Classe de
Exatidão
Vp = (0,9 – 1,1) Vpn
Ensaios
ξv (%)
γ (min)
0,3
+ 0,3
-
0,9 Vpn
0,6
+ 0,6
-
Vpn
1,2
+ 1,2
-
1,1 Vpn
CARGAS NOMINAIS PADRONIZADAS PARA ENSAIOS EM TP’S
Designação
Potência
Aparente
(VA)
Fator de
Potência
W
12,5
0,10
1152
384
X
25
0,70
576
192
Y
75
0,85
192
64
Z
200
0,85
72
24
ZZ
400
0,85
36
12
Z (Ω)
Z (Ω)
60 Hz - 120 V 60 Hz - 69,3 V
Exemplo: TP 0,3WXY;0,6Z
TP ensaiado com cargas padronizadas W, X e Y →
Z→
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εv ≤ 0.3%
εv ≤ 0.6%
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4 – Transformadores de Potencial Capacitivos TPC’s
4.1. Introdução
• Circuito Básico
Linha
C1
L
TP
T
Rb
Vp
C2
gap
Vs
Xb
Observações:
(a)
Capacitores C1 e C2
§ funcionam como divisores de tensão
§ circuito de acoplamento para sistema Carrier
(b) Tensão no ponto T é ajustada próxima de 15 kV (na
tensão nominal do TP)
(c)
Reator variável L
§ utilizado para sintonizar com os capacitores de
maneira que a corrente de carga não afete a tensão de
saída Vs
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4.2. Circuito equivalente do TPC (referido ao primário)
XC1
XL
Rp
R’s
Xp
X’s
T
+
I’s
R’b
Vp
-
R’a
XC2
V’s
X’m
X’b
Desprezando-se o circuito de excitação e as resistências Rp e R’s ,e
tomando-se o circuito equivalente de Thevenin visto dos terminais
do secundário do TP obtem-se o circuito abaixo.
XTh
X’L
T
X L' = X L + X p + X s'
I’s
X Th =
+
VTh
Z0
V’s
Z’b
-
VTh =
X C1 X C 2
X C1 + X C 2
XC2
Vp
X C1 + X C 2
Para que a tensão V’s independa da corrente de carga I’s , o reator
XL deve ser ajustado de tal forma que
X L' = X L + X p + X s' = X Th =
X C1 X C 2
X C1 + X C 2
ou seja
XL =
X C1 X C 2
− (X p + X s' )
X C1 + X C 2
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Desta forma

X X 
Z 0 = j  X L' − C1 C 2  = 0
X C1 + X C 2 

e a tensão no secundário V’s não será influenciada pela corrente de
carga I’s sendo dada por
Vs' = VTh =
XC2
Vp
X C1 + X C 2
4.3. Diagrama Fasorial
T
VC2
Construção do Diagrama
VC1
j I’s .X’L
V’s
Vp
I’s
§
§
§
§
§
§
§
Zb é conhecido (burden)
V’s é conhecida também
Determina-se I’s= V’s / Zb
V’s = k Vp (em fase)
VC2 = V’s + j X’L I’s
VC2 + VC1 = Vp então
VC1 = Vp - VC2
Notas:
1. Na prática não se pode desconsiderar o circuito de excitação
( R’a em paralelo com Xm ) e as resistências dos enrolamentos
( Rp e R’s ). Neste caso, vão aparecer pequenos erros que podem
ser mantidos dentro de níveis aceitáveis em razão das baixas
correntes de carga.
2. Para que a presença do gap de ar?
Se a corrente no secundário I’s crescer muito, como por
exemplo num curto-circuito no secundário do TP, a tensão no
ponto T pode atingir níveis perigosos. O gap vai ter então a
função de limitar esta tensão a níveis seguros (em geral a
máxima tensão suportável pelo capacitor C2 ).
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