Transformador de Potencial Capacitivo

1. Transformador de Potencial Capacitivo

2. 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 Produtos

3. 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. Introdução • 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.

4. Evolução

5. O TPC • É um equipamento constituído basicamente por duas partes:

6. 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 - Função

7. TPC - vantagem • Executa a função de dois equipamentos , um TPI e um capacitor de acoplamento. Economizando estruturas e é claro espaço.

8. TPC - vantagem • Desde que previsto pode ser facilmente convertido a classes de Isolamento superior , simplesmente montando módulos capacitivos sobre a unidade eletromagnética.

9. 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 - vantagem

10. TPC - desvantagem • Ferro-ressonância no secundário , solucionável por dispositivos internos.

11. 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)

12. 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 - desvantagem

13. TPC no Sistema

14. Esquema Elétrico

16. Análise - Divisor Capacitivo • K = U1 / Uo • Cn = C1 x C2 / C1+C2 • Uo = U1.(ZC2 / ZC1+ZC2) • Uo = U1.(C1 / C1 + C2)

17. Circuito Equivalente Aplicando o teorema de THEVENIN chegaremos ao circuito abaixo: • CE = C1 + C2 • Ui = Uo - ( I . Zc) • Erro =[Uo - ( I . Zc)] / Uo

18. 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.

19. 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.

20. Erro do Divisor Capacitivo Pela análise feita até agora e acrescentando a potência da carga Z(em VA) e substituindo valores em fórmulas , chegaremos que: • Quanto > Q : < Erro ; • Quanto < K : < Erro ; • Quanto > Cn : < Erro ; • Quanto > U1 : < Erro ; • Quanto < P : < Erro.

21. Exemplo 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. • 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.

22. 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.

23. 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.

24. 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.

25. Erro do TPC • Equacionando o circuito anterior , teremos:

26. Erro do TPC • Usando o diagrama vetorial da equação anterior , verificaremos que:

27. Fatores de Influência dos Erros do TPC 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 : • 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 .

28. 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. Fatores de Influência dos Erros do TPC

29. Variação da Temperatura e Freqüência

30. 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. Fatores de Influência dos Erros do TPC

31. 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

32. 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. TPC no Transitório

33. 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 .

34. 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

35. 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

36. 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

37. Proteção contra Ferro-Ressonância • Circuito Tampão Ajustado:

38. 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

39. 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. TPC no Transitório

40. 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

41. 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

42. 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

43. 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. Fatores que Afetam a Resposta a Transitórios

44. Comunicação

45. 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. Escolha da Capacitância

46. Capacitância x Atenuação • Por definição: At = 20 log (V1 / V2)

47. 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 Dados para Especificação