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 :
Fatores de Influência dos Erros do TPC
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
Fatores de Influência dos Erros do TPC
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 .
Proteção contra Ferro-Ressonância
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.
Proteção contra 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.
Proteção contra Ferro-Ressonância
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
Proteção contra Ferro-Ressonância
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 .
Fatores que Afetam a Resposta a Transitórios
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.
Fatores que Afetam a Resposta a Transitórios
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 .
Fatores que Afetam a Resposta a Transitórios
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