Transcript - Vieira & Varela Consultoria e Representação

Transformador de
Potencial Capacitivo
Produtos
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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
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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
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É um equipamento constituído basicamente por duas partes:
TPC - Função
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Fornecer uma tensão adequada para operação de
equipamentos , instrumentos de proteção , controle e
medição ,da mesma forma que um TPI convencional.
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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
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Executa a função de dois equipamentos , um TPI e um
capacitor de acoplamento. Economizando estruturas e é claro
espaço.
TPC - vantagem
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Desde que previsto pode ser facilmente convertido a classes
de Isolamento superior , simplesmente montando módulos
capacitivos sobre a unidade eletromagnética.
TPC - vantagem
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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.
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Não precisa de cablagem especial para comunicação .
Utiliza a própria linha de alta tensão.
TPC - desvantagem
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Ferro-ressonância no secundário , solucionável por
dispositivos internos.
TPC - desvantagem
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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
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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
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K = U1 / Uo
Cn = C1 x C2 / C1+C2
Uo = U1.(ZC2 / ZC1+ZC2)
Uo = U1.(C1 / C1 + C2)
Circuito Equivalente
Aplicando o teorema de THEVENIN chegaremos ao circuito abaixo:
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CE = C1 + C2
Ui = Uo - ( I . Zc)
Erro =[Uo - ( I . Zc)] / Uo
Reator de Compensação
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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
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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:
Queda em “R” somente.
Erro = Uo-Ui / Uo.
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:
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Quanto >
Quanto <
Quanto >
Quanto >
Quanto <
Q : < Erro ;
K : < Erro ;
Cn : < Erro ;
U1 : < Erro ;
P : < Erro.
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.
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Calculando iremos chegar a Cn= 0,1mF = 100.000pF .
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Podemos concluir que para trabalharmos com uma capacitância
possível de ser fabricada, temos que aumentar a tensão
intermediária e reduzindo o K da coluna.
O Divisor Capacitivo e o TPI
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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
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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
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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
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Equacionando o circuito anterior , teremos:
Erro do TPC
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Usando o diagrama vetorial da equação anterior ,
verificaremos que:
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 :
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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 .
Fatores de Influência dos Erros do
TPC
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Temperatura:
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Há três causas diferentes de influência no erro devido a
temperatura:
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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.
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Variação da Temperatura
e Freqüência
NORMA
MEDIÇÃO
IEC
99
à 101%
59,4 Hz à 60,6 Hz
ANSI
SEM VARIAÇÃO DA
FREQUÊNCIA
ABNT
99
à 101%
(Projeto de Norma) 59,4 Hz à 60,6 Hz
PROTEÇÃO
TEMP. AMBIENTE
96
57,6 Hz
à 102%
à 61,2 Hz
-5 ºC à +40 ºC
- 25 ºC à + 40 ºC
58
97%
à 62 Hz
à 103%
- 40 ºC à + 40 ºC
96
57,6 Hz
à 102%
à 61,2 Hz
-5 ºC à + 40 ºC
- 25 ºC à + 40 ºC
Fatores de Influência dos Erros do
TPC
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Núcleo magnético da indutância LA.
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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.
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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
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Introdução:
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Os TPC´s estão sujeitos a três estados distintos de
transitório:
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A ferro ressonância , que aparece principalmente na abertura
de um curto circuito secundário e operação da chave de
potencial.Baixa freqüência.
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As oscilações que aparecem quando são energizado
bruscamente . Estas oscilações tem sempre a freqüência da
rede.
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Ao tempo de recuperação ou resposta a um curto circuito
primário também denominado resposta a transitórios.
TPC no Transitório
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Estas oscilações se devem ao fato de estarmos lidando com
um equipamento RLC , que trabalha com capacitâncias e
indutâncias saturáveis .
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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
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Ocorrendo um curto-circuito e sendo o TPC mantido sob tensão
, o disjuntor atua eliminando o curto circuito .
Toda energia armazenada nos elementos reativos descarregase bruscamente , criando uma corrente iD .
Proteção contra
Ferro-Ressonância
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O produto desta corrente pela impedância primária causa
uma sobre-tensão na unidade eletromagnética , fazendo
saturar as indutâncias do TPI e LA .
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Isto ocasiona oscilações no circuito , que não
desaparecem a não ser que o TPC seja desenergizado.
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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
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Dispositivos de amortecimento:
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Resistência pura :
Consiste em um elemento resistivo conectado
constantemente ao secundário .
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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
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Dispositivos de amortecimento:
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Dispositivos Eletrônicos:
Apresenta a dupla vantagem de baixo consumo e de não
perturbar o regime transitório .
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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
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Circuito Tampão Ajustado:
TPC no Transitório
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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:
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U2 = S ni =1 .Ai e Pi t
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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.
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TPC no Transitório
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O Erro Transitório:
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Define-se o erro transitório como:
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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
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São oito os fatores que afetam o tempo de resposta a
transitórios.
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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 .
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Fatores que Afetam a Resposta a
Transitórios
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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
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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
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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
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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.
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Por norma a coluna capacitiva deve ter sua resistência
equivalente série < 40omhs em qualquer freqüência.
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Por norma a perda por inserção da bobina de drenagem deve
ser menor que 0,5dB.
Capacitância x Atenuação
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Por definição:
At = 20 log (V1 / V2)
Dados para Especificação
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Norma
Tensão Máxima do Sistema
Nível de Isolamento
Tensão Primária Nominal
Grupo de Ligação e Fst
Tensão Secundária Nominal
ou Relação
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Freqüência Nominal
Capacitância
Classe e Carga de
Exatidão
Potência Térmica
Faixa de Freqüência de
Comunicação