Guia de Projeto de Transformadores de Corrente para Proteção e Medição

Guia de Projeto de Transformadores de Corrente para Proteção e Medição

Os transformadores de corrente (TCs) são dispositivos de precisão que convertem correntes primárias em valores secundários padrão para relés e medidores. Projetar um TC envolve equilibrar desempenho magnético, limites térmicos e robustez mecânica para atender aos requisitos de precisão sob diferentes condições operacionais.

Definição Rápida: O projeto de transformadores de corrente é o processo de engenharia de seleção de materiais do núcleo, configurações de enrolamento e sistemas de isolamento para reproduzir com precisão as correntes primárias em um valor secundário escalonado.

Principais Conclusões do Projeto

• O projeto do TC deve estar em conformidade com as normas IEC 61869-2 e IEEE C57.13 quanto à precisão, segurança e testes.
• A saturação do núcleo, dimensionamento da carga e desempenho térmico determinam a confiabilidade do TC durante falhas.
• A Enwei Electric oferece TCs projetados sob medida para aplicações de proteção, medição e subestações digitais.
• Referências externas da IEC, IEEE e NERC orientam as especificações, testes e protocolos de manutenção.

Definição dos Objetivos de Projeto

Os projetistas primeiro esclarecem se o TC atende à proteção, medição ou ambas as funções. Os TCs de proteção priorizam o desempenho transitório e alta tensão no ponto de joelho para evitar saturação durante falhas. Os TCs de medição focam na precisão em diversas faixas de carga. Condições ambientais, limitações de montagem e integração com comutadores influenciam as escolhas de geometria e isolamento.

Fundamentos do Circuito Magnético

O núcleo do TC forma um circuito magnético que direciona o fluxo gerado pela corrente primária. A área da seção transversal do núcleo e o comprimento do caminho magnético determinam a corrente de magnetização e as características de saturação. Os projetistas utilizam materiais de alta permeabilidade para minimizar a corrente de magnetização, garantindo que a corrente secundária siga a forma de onda da primária.

Gaps de ar, muitas vezes indesejáveis, podem ser introduzidos intencionalmente em TCs especiais para controlar a saturação. No entanto, os gaps aumentam a corrente de magnetização e reduzem a precisão, portanto devem ser modelados com cuidado.

Alinhamento com Normas e Referências

• IEC 61869-2:2012 — Fornece classes de exatidão, limites térmicos e procedimentos de ensaio. Fonte: IEC
• IEEE C57.13-2016 — Aborda requisitos de transformadores de instrumento na América do Norte. Fonte: IEEE
• NERC PRC-005 — Define intervalos de manutenção para componentes do sistema de proteção. Fonte: NERC

A conformidade garante que os TCs atendam às expectativas globais de exatidão e aos requisitos de auditoria regulatória.

Cálculos de Projeto do Núcleo

Os projetistas calculam a área da seção transversal do núcleo utilizando a densidade de fluxo máxima permitida para o material escolhido, levando em conta a corrente primária, relação de espiras e frequência. A densidade de fluxo deve permanecer abaixo do limite de saturação em condições de falha máxima.

A tensão do ponto de joelho é calculada a partir das características do núcleo e da relação de espiras, garantindo que os TCs de proteção mantenham a saída quando os circuitos secundários estiverem sujeitos a altas cargas. Os engenheiros também determinam a corrente de magnetização e as curvas de excitação para verificar a precisão dentro das classes especificadas.

Considerações sobre Enrolamentos e Cargas

O projeto do enrolamento secundário envolve a seleção do calibre do condutor e do número de espiras para obter a relação desejada, ao mesmo tempo em que suporta cargas térmicas. A resistência do enrolamento e a reatância de fuga contribuem para a carga total e devem ser minimizadas.

Os cálculos de carga incluem dispositivos conectados — medidores, relés — além da resistência dos cabos. A carga total deve permanecer abaixo do valor nominal para manter a precisão. Alguns projetos incorporam múltiplos enrolamentos secundários para circuitos separados de proteção e medição.

Seleção de Materiais do Núcleo e Enrolamento

Os TCs de proteção frequentemente utilizam aço silício orientado ou materiais nanocristalinos para alta densidade de fluxo de saturação. Os TCs de medição podem usar ligas amorfas para melhorar a precisão em correntes baixas. O isolamento do enrolamento secundário utiliza fio de cobre esmaltado, complementado com camadas de epóxi, Mylar ou Nomex, dependendo da classe de tensão.

O projeto mecânico inclui estruturas de suporte, quadros de fixação e encapsulamento em resina para suportar forças de curto-circuito. Os TCs para ambientes externos exigem carcaças à prova de intempéries, enquanto os TCs internos se integram aos compartimentos de disjuntores.

Desempenho Térmico e Mecânico

Os TCs geram calor por meio das perdas no cobre e da histerese do núcleo. A modelagem térmica garante que o aumento de temperatura permaneça dentro dos limites da IEC. Os projetistas podem utilizar carcaças em epóxi moldado ou imersas em óleo para dissipar eficazmente o calor.

As forças de curto-circuito podem exceder vários kN, especialmente em aplicações de alta corrente. Os quadros dos TCs, suportes de fixação e isolamento devem resistir ao estresse mecânico para evitar deformações ou falhas no isolamento.

Teste e Validação

Os TCs de protótipo passam por testes rotineiros, de tipo e especiais: testes de precisão de relação, verificação de polaridade, testes de isolamento, suporte à corrente de curta duração e medições de descargas parciais. As curvas de excitação confirmam a tensão do ponto de joelho, enquanto os testes de elevação de temperatura validam o projeto térmico.

Ferramentas de modelagem digital, como a análise por elementos finitos (FEA), auxiliam na verificação da distribuição de fluxo magnético e tensões mecânicas antes dos testes físicos. Os laboratórios da Enwei Electric coletam dados para certificar conformidade com as especificações do cliente e normas internacionais.

Lista de Verificação do Engenheiro para Projeto de Transformador de Corrente

• Identificar aplicação: proteção, medição ou combinada.
• Selecionar material do núcleo e determinar a área de seção transversal para evitar saturação.
• Calcular a relação de espiras, tensão do ponto de joelho e corrente de magnetização.
• Avaliar a carga, incluindo dispositivos conectados e fiação.
• Projetar isolamento, gerenciamento térmico e suportes mecânicos para o ambiente de operação.
• Planejar testes de validação conforme IEC 61869-2 e IEEE C57.13.

Especialização em Design de TCs da Enwei Electric

A Enwei Electric fabrica TCs de média e baixa tensão com relações personalizáveis, classes de precisão e sistemas de isolamento. Explore as opções de produtos em https://www.enweielectric.com/products/current-transformers. A integração com disjuntores ( https://www.enweielectric.com/products/switchgear) e transformadores ( https://www.enweielectric.com/products/transformers) garante desempenho coeso do sistema.

Perguntas Frequentes de Engenharia sobre o Projeto de Transformadores de Corrente

Como evitar a saturação do TC durante falhas?

Projetar para uma alta tensão do ponto de joelho selecionando material adequado para o núcleo, aumentando o número de espiras e gerenciando a carga para permanecer dentro dos limites nominais.

Um único TC pode atender tanto à proteção quanto à medição?

Sim, com enrolamentos secundários duplos projetados para diferentes classes de precisão, mas é necessária uma gestão cuidadosa da carga para evitar interferência mútua.

Quais suportes de design a Enwei Electric oferece?

A Enwei Electric fornece engenharia de aplicação, seleção de relação e testes de verificação para fornecer TCs adaptados às necessidades de proteção ou medição.

Chamada para ação: Projete TCs de precisão com a Enwei Electric

Um projeto robusto de transformador de corrente é essencial para medições precisas e proteção confiável. Associe-se à Enwei Electric para soluções de TC projetadas, testes e suporte à integração do sistema. Contate a Enwei Electric hoje para acelerar o seu projeto de transformador de corrente.

Candidaturas de projectos

Veja exemplos de implantação no mundo real e destaques da galeria nos centros de produtos da Enwei Electric:

• Soluções de transformadores para projetos de distribuição e industriais.
• Portfólios de comutadores cobrindo salas de controle de média e baixa tensão.
• Faixas de transformadores de corrente suportando medição de precisão e proteção.
• Subestações Pré-Fabricadas que integram transformadores, comutadores e painéis.