📘 Transformador de Corrente de Proteção e Medição (TC)
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1. Identificação Normativa e Símbolos
Os Transformadores de Corrente (TC) são transformadores para instrumentos cujo enrolamento primário é ligado em série com o circuito de potência de alta tensão para conduzir a corrente da linha, e cujo enrolamento secundário fornece uma corrente proporcional reduzida e em fase (padronizada em ou ) para alimentação de instrumentos de medição, medidores tarifários de faturamento e relés de proteção microprocessados, isolando galvanicamente a instrumentação do potencial de alta tensão.
São regidos internacionalmente pelas normas IEC 61869-2 (que unificou e substituiu a antiga IEC 60044-1), IEEE C57.13 e no Brasil pela ABNT NBR 6856.
| Parâmetro Normativo de Catálogo | TC de Média Tensão Tipo Bloco/Pedestal (ex: Arteche / Balteau / WEG) | TC de Subestação de Alta Tensão Tipo Top-Core (ex: Trench / ABB) |
|---|---|---|
| Norma Técnica de Fabricação | ABNT NBR 6856, IEC 61869-2, IEEE C57.13 | ABNT NBR 6856, IEC 61869-2 |
| Tensão Máxima de Operação () | ||
| Nível Básico de Impulso Atmosférico (BIL) | () | |
| Isolamento Dielétrico Primário | Resina Epóxi Cicloalifática Sólida fundida a vácuo | Papel Impregnado com Óleo Mineral (OIP) ou Gás |
| Corrente Primária Nominal () | (com derivação primária ou secundária) | |
| Corrente Secundária Nominal () | (padrão em painéis internos) ou | (reduz perdas por efeito Joule em cabos longos) |
| Corrente Térmica de Curto-Circuito () | durante (até ) | durante |
| Corrente Dinâmica Suportável () | (suportabilidade eletrodinâmica de pico) | (até ) |
| Classe de Exatidão para Medição | (faixa de ) | (exatidão de para faturamento) |
| Classe de Exatidão para Proteção | ou (erro sob ) | , Classe X / PX (especificação por e ) |
| Carga Secundária Nominal ( / Burden) | () |
graph LR subgraph "Simbologia IEC 60617 para Transformador de Corrente (TC)" direction TB subgraph "Circuito Primário de Alta Tensão" P1["P1 (H1) - Entrada Linha"] === BarraPrimaria["===== Barra Primária (1 Espira) ====="] BarraPrimaria === P2["P2 (H2) - Saída Carga"] end subgraph "Circuito Secundário de Medição e Proteção" NucleoToroidal["( O ) Núcleo Toroidal Magnético CRGO"] -.->|Acoplamento| Secundario["[ Enrolamento Secundário N2 ]"] Secundario --- S1["Terminal S1 (X1) - Polaridade"] Secundario --- S2["Terminal S2 (X2) - Comum / Terra"] LaminaCurto["Lâmina Curto-Circuitadora"] -.->|Segurança| S1 LaminaCurto -.->|Segurança| S2 Terra["Malha de Aterramento"] --- S2 end end
2. Prancha Visual de Engenharia: Aspecto e Anatomia em Corte
Tabela de Chamada Anatômica do Corte
| N° | Elemento Construtivo | Material de Engenharia | Função Física e Justificativa de Projeto |
|---|---|---|---|
| ① | Barra Primária de Alta Tensão (P1-P2) | Cobre eletrolítico maciço estanhado ou prateado de alta pureza ( IACS) | Condução da corrente nominal e suportabilidade térmica/dinâmica: atua como primário de 1 espira passante (). Possui seção transversal generosa calculada para suportar a corrente térmica de curto-circuito de dezenas de quiloampères () durante sem deformação mecânica por forças de Lorentz. |
| ② | Núcleo Toroidal Magnético Fechado | Tiras contínuas enroladas de aço-silício com grão orientado (CRGO M4/M5) ou Mu-Metal | Circuito magnético de altíssima permeabilidade e baixas perdas: o formato toroidal contínuo sem entreferro de ar (jointless) minimiza a relutância magnética () e elimina o fluxo de dispersão primário. Para núcleos de proteção, a seção de ferro é aumentada para postergar a saturação magnética sob curtos de até . |
| ③ | Enrolamento Secundário Distribuído | Fio de cobre esmaltado (Classe H ) bobinado uniformemente ao redor do toroide | Indução da corrente secundária proporcional (): o enrolamento distribuído em toda a circunferência do núcleo toroidal garante que o fluxo de dispersão secundário seja virtualmente nulo, conferindo ao TC excelente resposta em frequência e exatidão sob transitórios rápidos. |
| ④ | Isolação Dielétrica Sólida em Resina Epóxi | Resina epóxi cicloalifática hidrofóbica fundida a vácuo com cargas de sílica | Isolamento galvânico total e integridade mecânica: encapsula o núcleo e a barra primária em um bloco monolítico estanque e livre de bolhas de ar. Elimina descargas parciais ( na tensão de ensaio), resiste ao trilhamento elétrico (tracking resistance) e suporta impulsos atmosféricos de até a . |
| ⑤ | Caixa de Bornes Secundários com Lâmina de Curto | Terminais tipo pino/parafuso M5 em latão estanhado com lâmina móvel de cobre dourada | Segurança operacional obrigatória: bornes S1 e S2 protegidos por tampa selável com orifício para lacre da concessionária. A lâmina de curto-circuito móvel permite curto-circuitar deliberadamente os terminais secundários antes de qualquer intervenção física no relé ou medidor, evitando o risco mortal de abertura de circuito. |
| ⑥ | Base Metálica Estrutural e Borne de Terra | Perfil de aço laminado estrutural galvanizado a fogo com parafuso de aterramento de latão M8 | Garante fixação rígida no barramento do cubículo de média tensão ou estrutura metálica de pátio, com conexão equipotencial direta à malha de terra da subestação para dreno de correntes de fuga e descargas capacitivas. |
3. Física e Princípios de Funcionamento
O funcionamento do Transformador de Corrente é governado pela Lei de Ampère-Maxwell e pela dinâmica da saturação magnética ferromagnética.
3.1 Balanço de Força Magnetomotriz e Corrente de Excitação
Em um transformador ideal, a força magnetomotriz líquida aplicada ao núcleo seria zero (). Em um TC real de ferro-silício, uma parcela da corrente primária é consumida para magnetizar o núcleo e suprir as perdas por histerese e correntes parasitas de Foucault:
Onde é a corrente de excitação (ou corrente magnetizante). Dividindo por (considerando primário de 1 espira e ):
O erro de relação percentual () e o erro de fase () decorrem exclusivamente da magnitude e defasagem de :
Para manter o erro inferior a em TCs de medição, a corrente de excitação deve ser uma fração microscópica () da corrente nominal!
3.2 O Perigo Mortal do Secundário Aberto em Operação
A Lei da Conservação da FMM revela por que NUNCA se deve abrir o secundário de um TC energizado:
flowchart TD OperacaoNormal["Operação Normal: Corrente Secundária I_s flui pelo relé/medidor (Burden fechado)"] --> FMM_Sec["FMM do secundário (N2 · I_s) se opõe à FMM do primário (N1 · I_p)"] FMM_Sec --> FluxoBaixo["Fluxo magnético resultante no núcleo é baixíssimo (Φ_res ≈ 0.05 a 0.1 Tesla)"] AberturaSec["Circuito Secundário é ABERTO com primário energizado! (I_s = 0)"] --> FMM_Zero["FMM secundária desaba a ZERO instantaneamente (N2 · I_s = 0)"] FMM_Zero --> TodaIm["TODA a colossal corrente primária vira corrente de excitação: I_0 = I_p!"] TodaIm --> Saturacao["O núcleo satura violentamente no primeiro milissegundo (B_sat ≈ 2.0 T)"] Saturacao --> dPhi_dt["No cruzamento da corrente por zero, dB/dt atinge valores astronômicos!"] dPhi_dt --> AgulhaTensao["Picos de tensão em forma de agulha: V_sec = N2 · dΦ/dt > 5.000 V a 10.000 V!"] AgulhaTensao --> ChoqueExplosao["Eletrocussão mortal do operador, arco elétrico no ar e explosão do TC!"]
Quando o secundário é aberto ():
- A corrente de linha de alta tensão () é imposta pela carga da subestação e não varia.
- A força magnetomotriz do primário () não encontra nenhuma contra-FMM do secundário.
- O núcleo atinge saturação magnética profunda logo no início do meio ciclo senoidal (). Enquanto o núcleo está saturado, e a tensão induzida é nula.
- Porém, quando a senoide da corrente primária cruza por zero, o fluxo magnético inverte brutalmente de para em poucos microssegundos!
- Pela Lei de Faraday-Lenz: A altíssima taxa de variação do fluxo magnético () gera pulsos de tensão em forma de agulha com amplitude de nos bornes S1 e S2!
- Esse surto perfura a isolação do enrolamento secundário por rigidez dielétrica, cria arcos elétricos no ar, provoca superaquecimento catastrófico por histerese no núcleo e representa risco letal de choque para qualquer técnico próximo!
3.3 A Tensão de Joelho (Knee Point Voltage ) e Saturação em Curto-Circuito
Sob curto-circuito simétrico ou assimétrico com componente contínua aperiódica (), a corrente primária atinge dezenas de vezes a corrente nominal (). A tensão secundária exigida pelo enrolamento para empurrar essa corrente de falta através da carga conectada (relé + fiação) é:
Se essa tensão calculada ultrapassar a Tensão de Joelho () da curva de saturação do TC, o núcleo de ferro entra em saturação:
- A indutância de magnetização desaba ().
- A forma de onda da corrente secundária deforma-se dramaticamente, apresentando cortes abruptos de crista (waveform clipping).
- O relé microprocessado de sobrecorrente (função 50/51) ou relé diferencial (função 87) não lê a magnitude real da corrente de falta, podendo sofrer sub-alcance (under-reach), retardo grave na abertura ou disparo falso intempestivo!
Pela norma IEC 61869-2, a Tensão de Joelho () é definida graficamente como o ponto na curva de excitação onde um aumento de na tensão secundária provoca um aumento de na corrente de excitação magnetizante:
4. Diagrama de Aplicação Prática
O diagrama abaixo ilustra a aplicação de um conjunto de TCs de proteção e medição na entrada de uma subestação de média tensão (), interligado ao Relé Microprocessado de Proteção 50/51/87 (SEL-751) e ao Medidor Multimetrônic de Faturamento:
graph TD subgraph "Barramento de Alta Tensão 13.8 kV" BarraMT["Barramento 13.8 kV (I_cc = 12.5 kA)"] --> TC_A["TC Fase A (300-5A 10P20)"] BarraMT --> TC_B["TC Fase B (300-5A 10P20)"] BarraMT --> TC_C["TC Fase C (300-5A 10P20)"] TC_A --> DisjuntorMT["Disjuntor a Vácuo 13.8 kV (52)"] end subgraph "Bloco de Aferição e Teste (Chave de Aferição FT)" TC_A -.->|Par 4mm² S1-S2| FT_A["Chave de Aferição Polo A (Com Lâmina de Curto)"] TC_B -.->|Par 4mm² S1-S2| FT_B["Chave de Aferição Polo B (Com Lâmina de Curto)"] TC_C -.->|Par 4mm² S1-S2| FT_C["Chave de Aferição Polo C (Com Lâmina de Curto)"] end subgraph "Painel de Controle e Proteção (Sala de Comando)" FT_A --> ReleProt["Relé de Proteção Microprocessado (SEL-751 / Sepam)"] FT_B --> ReleProt FT_C --> ReleProt ReleProt --> Medidor["Medidor Multifunção / Qualímetro em Série"] Medidor --> AterramentoEstrela["Fechamento em Estrela e Aterramento ÚNICO no Painel"] end
5. Dimensionamento Passo a Passo e Projeto Numérico Resolvido
5.1 Especificações do Projeto de Engenharia
Dimensionar e verificar a conformidade contra saturação de um conjunto de TCs para o cubículo de entrada de uma subestação industrial de , alimentando um transformador de força de ():
- Tensão Nominal do Sistema: trifásico, .
- Potência do Transformador de Força: .
- Nível de Curto-Circuito Simétrico da Concessionária: .
- Relação do Ponto de Defeito: (tempo de decaimento da componente contínua ).
- Comprimento dos Cabos Secundários: do cubículo externo até o painel de proteção (distância de ida e volta ).
- Cabos Secundários Adotados: Condutores de cobre eletrolítico de seção flexível classe 5.
- Relé de Proteção: Relé digital microprocessado (ex: SEL-751A) com funções 50 (Instantâneo) e 51 (Sobrecorrente Temporizada). Impedância do canal de entrada do relé: .
- Chave de Aferição e Bornes: Resistência total de contatos: .
5.2 Passo 1: Cálculo da Corrente Nominal Primária () e Seleção da Relação
A corrente nominal do primário em regime permanente sob é:
Pelo critério de engenharia de subestações:
- A corrente primária nominal do TC () deve ser selecionada entre para permitir futuras expansões e sobrecargas normais de até sem saturar o canal de medição:
Consultando as relações primárias padronizadas pela NBR 6856 ():
- Seleciona-se o TC com relação nominal:
Sob corrente nominal de carga (), a corrente secundária será:
5.3 Passo 2: Cálculo da Impedância Total do Circuito Secundário ()
A carga total conectada aos bornes do enrolamento secundário é composta por três componentes em série:
- Resistência dos Cabos Secundários ( de cobre ): Resistividade do cobre a corrigida para (temperatura de operação em painéis):
- Impedância Própria do Relé Digital:
- Resistência das Chaves de Teste (FT) e Bornes:
Carga secundária externa total (Total Burden):
Potência aparente exigida sob corrente nominal secundária ():
5.4 Passo 3: Verificação da Tensão de Saturação Exigida sob Curto-Circuito ()
A corrente secundária sob curto-circuito simétrico de é:
O múltiplo da corrente nominal no secundário é:
Consultando os dados construtivos do TC fornecido pelo fabricante:
- Resistência interna ôhmica do enrolamento secundário: .
A tensão eficaz induzida que o secundário precisa desenvolver para forçar a circulação da corrente de defeito sem saturação senoidal simétrica é:
5.5 Passo 4: Dimensionamento e Especificação da Classe de Proteção ()
Pela norma NBR 6856 / IEC 61869-2, a classe de exatidão de proteção padrão é designada por :
- 10: Erro composto máximo de .
- P: Aplicação em Proteção (Protection).
- 20: Fator Limite de Exatidão (). Suporta sob sua carga nominal .
A tensão limite nominal de um TC de proteção classe com potência nominal é:
Vamos testar os modelos comerciais padronizados:
-
Tentativa com TC : Comparação: ❌ REPROVADO! O TC SATURARÁ GRAVEMENTE, deformando a corrente e impedindo o disparo instantâneo da função 50 do relé!
-
Tentativa com TC : Comparação: ❌ Ainda insuficiente para o curto pleno de 10 kA!
-
Tentativa com TC ou Classe ANSI C200 / C400: Se especificarmos um TC com Fator Limite de Exatidão estendido (ou núcleo C400): Como: V_{\text{sat}} (333.0\,\text{V}) > V_{\text{exigido}} (245.93\,\text{V}) \quad \text{✅ 100% Aprovado com Margem de 35.4%!}
Especificação Técnica Completa de Compra para o Fabricante:
- Transformador de Corrente Tipo Bloco em Resina Epóxi Cicloalifática para Média Tensão.
- Tensão Máxima / BIL: .
- Relação Nominal: (), frequência .
- Classe de Proteção: , Carga Nominal , , Tensão de Joelho .
- Suportabilidade de Curto-Circuito: , .
6. Modos de Falha, Diagnóstico e Regras de Segurança em Subestações
6.1 Modos Críticos de Falha em TCs
- Explosão por Abertura Acidental de Circuito Secundário:
- Ocorrência de desconexão acidental ou mau contato na fiação secundária com primário conduzindo carga pesada. A tensão atinge picos de , rompendo a isolação sólida de epóxi ou explodindo a câmara de óleo mineral por sobrepressão e arco interno.
- Saturação Magnética Prematura por Componente Contínua ( Offset):
- Em curtos-circuitos próximos a geradores ou transformadores com alta relação , a corrente de falta contém uma componente contínua assimétrica que decai lentamente. Essa componente contínua satura unidirecionalmente o núcleo em menos de ciclo, fazendo o relé de proteção ler corrente nula e falhar na abertura da falta!
- Descargas Parciais Internas em Resina Epóxi:
- Microbolhas de ar retidas durante o processo de fundição sofrem ionização contínua sob o campo elétrico de . A erosão dielétrica gradual transforma o isolante sólido em caminhos carbonizados (treeing) até o curto franco fase-terra.
6.2 Regras Mandatórias de Segurança e Instalação
- Regra do Ponto Único de Aterramento Secundário:
- O circuito secundário de uma estrela de TCs trifásicos deve ser aterrado em EXATAMENTE UM PONTO (obrigatoriamente no painel de comando, junto à chave de aferição).
- Risco: Aterrar o secundário em dois pontos distintos (ex: no pátio de TCs e no painel) cria um loop de terra condutor por onde circulam correntes de retorno de falta da malha de terra da subestação, falseando a medição do relé diferencial e provocando disparos intempestivos gravíssimos!
- Procedimento Padrão para Manutenção em Instrumentação:
- Antes de desconectar qualquer relé, amperímetro ou medidor para calibração, deve-se obrigatoriamente curto-circuitar os bornes secundários S1-S2 utilizando as lâminas de curto da chave de aferição FT ou bornes seccionáveis com parafuso de curto.
- Ensaio de Polaridade em Campo (Método da Pilha de Corrente Contínua):
- Conectar uma pilha alcalina de ou com o polo positivo em P1 e polo negativo em P2. Conectar um galvanômetro analógico com o polo positivo no borne secundário S1. No instante em que o circuito da pilha é fechado, o ponteiro analógico deve defletir obrigatoriamente para o lado POSITIVO, confirmando a marcação subtrativa de polaridade normatizada.
Engenhar.IA • Atlas de Componentes Elétricos e Eletrônicos • Área 5: Componentes do SEP e Média/Alta Tensão