Transformadores de corrente — princípio de operação e aplicação

Ao trabalhar com sistemas de energia, muitas vezes é necessário converter certas quantidades elétricas em análogos semelhantes a eles com valores alterados proporcionalmente. Isso permite simular determinados processos em instalações elétricas e fazer medições com segurança.

A operação do transformador de corrente (TC) é baseada em a lei da indução eletromagnéticaoperando em campos elétricos e magnéticos variando na forma de harmônicos de magnitudes senoidais alternadas.

Converte o valor primário do vetor de corrente que flui no circuito de potência em um valor secundário reduzido, respeitando a proporcionalidade do módulo e a transmissão do ângulo exato.

O princípio de funcionamento do transformador de corrente

A demonstração dos processos que ocorrem durante a transformação da energia elétrica dentro do transformador é explicada pelo diagrama.

A corrente I1 flui através do enrolamento primário de potência com o número de voltas w1, superando sua impedância Z1.Um fluxo magnético F1 é formado em torno desta bobina, que é capturado por um circuito magnético localizado perpendicularmente à direção do vetor I1. Essa orientação garante perda mínima de energia elétrica quando ela é convertida em energia magnética.

Atravessando as voltas localizadas perpendicularmente do enrolamento w2, o fluxo F1 induz neles uma força eletromotriz E2, sob a influência da qual surge uma corrente I2 no enrolamento secundário, superando a impedância da bobina Z2 e a carga de saída conectada Zn. Neste caso, uma queda de tensão U2 é formada nos terminais do circuito secundário.

A quantidade K1 é chamada, determinada pela razão dos vetores I1 / I2 coeficiente de transformação... Seu valor é definido durante o projeto de dispositivos e é medido em estruturas prontas. As diferenças entre os indicadores de modelos reais e os valores calculados são avaliadas pela característica metrológica - classe de precisão de um transformador de corrente.

Na operação real, os valores das correntes nas bobinas não são valores constantes. Portanto, o coeficiente de transformação é geralmente indicado por valores nominais. Por exemplo, sua expressão 1000/5 significa que com uma corrente de operação primária de 1 quiloampere, cargas de 5 amperes atuarão nas espiras secundárias. Esses valores são usados ​​para calcular o desempenho a longo prazo desse transformador de corrente.

O fluxo magnético F2 da corrente secundária I2 reduz o valor do fluxo F1 no circuito magnético. Nesse caso, o fluxo do transformador Ф criado nele é determinado pela soma geométrica dos vetores Ф1 e Ф2.

Fatores perigosos durante a operação do transformador de corrente

Capacidade de ser afetado por potencial de alta tensão em caso de falha de isolamento

Como o circuito magnético do TT é feito de metal, tem boa condutividade e conecta magneticamente os enrolamentos isolados (primário e secundário) entre si, há um risco maior de choque elétrico em pessoas ou danos ao equipamento se a camada de isolamento for rompida.

Para prevenir tais situações, utiliza-se o aterramento de um dos terminais secundários do transformador para drenar o potencial de alta tensão através dele em caso de acidentes.

Este terminal está sempre marcado na caixa do aparelho e é indicado nos esquemas de ligação.

A possibilidade de ser afetado por um potencial de alta tensão em caso de falha no circuito secundário

As conclusões do enrolamento secundário são marcadas com «I1» e «I2», portanto, a direção das correntes que circulam é polar, coincide em todos os enrolamentos. Quando o transformador estiver em operação, eles devem estar sempre conectados à carga.

Isso se explica pelo fato de a corrente que passa pelo enrolamento primário ter uma alta potência potencial (S = UI), que é transformada em um circuito secundário com baixas perdas e, ao ser interrompido, o componente da corrente diminui drasticamente para os valores ​​de vazamento pelo ambiente, mas ao mesmo tempo a queda aumenta significativamente as tensões na seção quebrada.

O potencial nos contatos abertos do enrolamento secundário durante a passagem da corrente no loop primário pode atingir vários quilovolts, o que é muito perigoso.

Portanto, todos os circuitos secundários dos transformadores de corrente devem sempre ser montados de forma segura e os curtos-circuitos shunt sempre devem ser instalados em enrolamentos ou núcleos retirados de serviço.

Soluções de design usadas em circuitos de transformadores de corrente

Cada transformador de corrente, como um dispositivo elétrico, é projetado para resolver determinados problemas durante a operação de instalações elétricas. A indústria produz uma grande variedade deles. No entanto, em alguns casos, ao melhorar as estruturas, é mais fácil usar modelos prontos com tecnologias comprovadas do que redesenhar e fabricar novos.

O princípio de criar um TT de volta única (no circuito primário) é básico e é mostrado na foto à esquerda.

Aqui, o enrolamento primário, coberto com isolamento, é feito de um barramento em linha reta L1-L2 passando pelo circuito magnético do transformador, e o secundário é enrolado com voltas em torno dele e conectado à carga.

O princípio de criar um TC multivoltas com dois núcleos é mostrado à direita. Aqui, dois transformadores de volta única são levados com seus circuitos secundários e um certo número de voltas de enrolamentos de energia são passados ​​por seus circuitos magnéticos. Desta forma, não apenas a potência é aumentada, mas o número de circuitos conectados à saída é aumentado ainda mais.

Esses três princípios podem ser alterados de maneiras diferentes. Por exemplo, o uso de várias bobinas idênticas em torno de um único circuito magnético é difundido para criar circuitos secundários separados e independentes que operam de forma autônoma. Estes são chamados de núcleos. Desta forma, a proteção de interruptores ou linhas (transformadores) com finalidades diferentes é conectada aos circuitos de corrente de um transformador de corrente.

Transformadores de corrente combinados com um poderoso circuito magnético, usado em modos de emergência de equipamentos, e o usual, projetado para medições em parâmetros nominais de rede, funcionam em dispositivos de equipamentos de energia.As bobinas enroladas em vergalhões são usadas para operar dispositivos de proteção, enquanto as bobinas convencionais são usadas para medir corrente ou potência/resistência.

Eles são chamados assim:

• bobinas de proteção marcadas com o índice «P» (relé);

• medição indicada pelos números da classe de precisão metrológica TT, por exemplo «0,5».

Os enrolamentos de proteção durante a operação normal do transformador de corrente fornecem medição do vetor de corrente primária com uma precisão de 10%. Com esse valor, eles são chamados de "dez por cento".

Erros de medição

O princípio de determinar a precisão do transformador permite avaliar seu circuito equivalente mostrado na foto. Nele, todos os valores das quantidades primárias são reduzidos condicionalmente à ação em loops secundários.

O circuito equivalente descreve todos os processos que operam nos enrolamentos, levando em consideração a energia gasta na magnetização do núcleo com a corrente I.

O diagrama vetorial construído em sua base (triângulo SB0) mostra que a corrente I2 difere dos valores de I'1 com o valor de I em nossa direção (magnetização).

Quanto maiores forem esses desvios, menor será a precisão do transformador de corrente. Para levar em consideração os erros de medição do TC, os seguintes conceitos são introduzidos:

• erro relativo de corrente expresso em porcentagem;

• erro angular calculado a partir do comprimento do arco AB em radianos.

O valor absoluto do desvio dos vetores de corrente primário e secundário é determinado pelo segmento AC.

Projetos industriais comuns de transformadores de corrente são fabricados para operar em classes de precisão definidas pelas características de 0,2; 0,5; 1,0; 3 e 10%.

Aplicação prática de transformadores de corrente

Um número diversificado de seus modelos pode ser encontrado tanto em pequenos dispositivos eletrônicos localizados em uma pequena caixa quanto em dispositivos de energia que ocupam dimensões significativas de vários metros, divididos de acordo com as características operacionais.

Classificação dos transformadores de corrente

Por acordo, eles são divididos em:

• medição, transferência de correntes para instrumentos de medição;
• protegido, conectado a circuitos de proteção atuais;
• laboratório, com alta classe de precisão;
• intermediários usados ​​para reconversão.

Ao operar instalações, o TT é usado:

• instalação ao ar livre ao ar livre;

• para instalações fechadas;

• equipamento embutido;

• de cima - insira a manga;

• portátil, permitindo que você faça medições em diferentes lugares.

Pelo valor da tensão de operação do equipamento TT tem-se:

• alta tensão (mais de 1000 volts);

• para valores de tensão nominal até 1 kilovolt.

Além disso, os transformadores de corrente são classificados de acordo com o método de materiais de isolamento, o número de etapas de transformação e outras características.

Tarefas concluídas

Os transformadores de corrente de medição externa são utilizados para a operação de circuitos elétricos para medição de energia elétrica, medições e proteção de linhas ou autotransformadores de potência.

A foto abaixo mostra a localização de cada fase da linha e a instalação dos circuitos secundários na caixa de ligação do quadro de 110 kV para o autotransformador de potência.

As mesmas tarefas são executadas pelos transformadores de corrente do quadro externo - 330 kV, mas devido à complexidade do equipamento de tensão mais alta, eles têm dimensões muito maiores.

Em equipamentos de energia, frequentemente são usados ​​\u200b\u200bprojetos embutidos de transformadores de corrente, que são colocados diretamente na carcaça da usina.

Eles têm enrolamentos secundários com condutores colocados ao redor da bucha de alta tensão em um invólucro selado. Os cabos dos grampos CT são encaminhados para as caixas de terminais anexadas aqui.

Os transformadores de corrente internos de alta tensão geralmente usam óleo de transformador especial como isolante. Um exemplo desse projeto é mostrado na foto para transformadores de corrente da série TFZM projetados para operar a 35 kV.

Até 10 kV inclusive, materiais dielétricos sólidos são usados ​​para isolamento entre os enrolamentos na fabricação da caixa.

Um exemplo de um transformador de corrente TPL-10 usado em KRUN, aparelhagem fechada e outros tipos de aparelhagem.

Um exemplo de conexão do circuito de corrente secundário de um dos núcleos de proteção REL 511 para um disjuntor de 110 kV é mostrado com um diagrama simplificado.

Falhas do transformador de corrente e como encontrá-las

Um transformador de corrente conectado a uma carga pode quebrar a resistência elétrica do isolamento dos enrolamentos ou sua condutividade sob a influência de superaquecimento térmico, influências mecânicas acidentais ou devido a má instalação.

Em equipamentos operacionais, o isolamento é mais frequentemente danificado, resultando em curto-circuito dos enrolamentos (redução da potência transmitida) ou na ocorrência de correntes de fuga através de circuitos de curto-circuito criados aleatoriamente.

Para identificar os locais de instalação de má qualidade do circuito de energia, são realizadas periodicamente inspeções do circuito de trabalho com termovisores.Com base neles, os defeitos de contatos quebrados são imediatamente removidos, o superaquecimento do equipamento é reduzido.

A ausência de fechamento de volta a volta é verificada pelos especialistas dos laboratórios de proteção e automação de relés:

• tomando a característica corrente-tensão;

• carregar o transformador de uma fonte externa;

• medições dos principais parâmetros no esquema de trabalho.

Eles também analisam o valor do coeficiente de transformação.

Em todos os trabalhos, a relação entre os vetores de corrente primário e secundário é estimada por magnitude. Seus desvios angulares não são realizados devido à falta de dispositivos de medição de fase de alta precisão que são usados ​​para verificar transformadores de corrente em laboratórios metrológicos.

Os testes de alta tensão das propriedades dielétricas são atribuídos aos especialistas do laboratório de serviço de isolamento.