O que são Transformadores de Corrente e de Potencial? Para que servem e como funcionam? Desenhar os esquemas de ligação. Pesquisar alguns valores de referência de níveis de tensões e correntes para fabricantes de TC’s e TP’s.

Passo 1

O enunciado pede quatro coisas principais:
  1. Definir o que são Transformadores de Corrente (TC) e Transformadores de Potencial (TP).
  2. Explicar para que servem e como funcionam (ou seja, princípio físico e relações importantes).
  3. Desenhar (descrever) esquemas de ligação típicos.
  4. Pesquisar e apresentar valores de referência (faixas de tensões, correntes, classes e cargas) usados por fabricantes de TC e TP.
Informações dadas pelo enunciado: nenhum dado numérico específico — devo explicar os conceitos e fornecer exemplos típicos de mercado (valores de referência). Vou então responder cada item, dando a teoria com passo a passo, exemplos numéricos simples e esquemas de ligação em forma textual/ASCII.

Passo 2

Conceito básico e por que usamos instrument transformers
  • Definição curta: Instrument transformers (transformadores instrumentais) são transformadores projetados para reduzir tensões ou correntes de um sistema de potência a valores padronizados, seguros e compatíveis com instrumentos de medição e relés de proteção.
  • Motivos práticos:
    • Segurança: isolam o circuito de medição da alta tensão/corrente do sistema.
    • Padronização: fornecem valores secundários padronizados (p.ex. 1\\ \text{A} ou 5\\ \text{A} para TCs; 100\text{–}120\\ \text{V} para TPs) que instrumentos e relés aceitam.
    • Precisão: permitem medições com classes de exatidão controladas.
    • Proteção: permitem relés detectarem faltas sem estarem diretamente no circuito primário de alta energia.
  • Princípio físico: funcionamento por acoplamento magnético (mesmo princípio de transformador comum). Fluxo magnético no núcleo induz tensão/ corrente entre enrolamentos primário e secundário conforme as relações de transformação.
  • Fórmulas ideais (modelo ideal de transformador):
    \frac{V_p}{V_s}=\frac{N_p}{N_s}\quad\text{e}\quad\frac{I_p}{I_s}=\frac{N_s}{N_p},
    onde \,V_p e \,V_s são as tensões primária e secundária, \,I_p e \,I_s as correntes primária e secundária, e \,N_p e \,N_s os números de espiras do primário e do secundário.
  • Interpretação prática das relações: se a razão (razão de transformação) é chamada de a com a=\dfrac{I_p}{I_s} para um TC, então
    I_s=\frac{I_p}{a}.
    Para um TP com razão a=\dfrac{V_p}{V_s}, temos
    V_s=\frac{V_p}{a}.

Passo 3

Transformador de Corrente (TC) — definição, estrutura e funcionamento passo a passo
  1. Definição e função: um TC é um transformador projetado para medir ou alimentar relés a partir da corrente de um condutor de potência. Ele reduz correntes altas a um nível padrão (usualmente 1\\ \text{A} ou 5\\ \text{A}).
  2. Estrutura física:
    • Primário: muitas vezes um único condutor passando pelo núcleo (ou um enrolamento com poucas espiras). Às vezes o próprio cabo do circuito é a “espira primária”.
    • Núcleo magnético: material ferromagnético, projetado para baixa histerese e perda.
    • Secundário: muitas espiras ao redor do núcleo; leva corrente reduzida aos instrumentos.
  3. Notação de ratio: um TC costuma ser indicado como, por exemplo, 100/5. Significado: quando a corrente primária for 100\\ \text{A}, a corrente secundária ideal será 5\\ \text{A}. Logo a razão é a=\dfrac{100}{5}=20.
  4. Relação prática (exemplo mostrado em cálculo):
    • Ex.: se I_p= 250\\ \text{A} e o TC é 250/5, então I_s=\frac{I_p}{a}=\frac{250}{250/5}=5\\ \text{A}.(ou mais direto: 250/5\Rightarrow I_s=5\\ \text{A}.)
  5. Características importantes:
    • Corrente secundária normalizada: geralmente I_s=1\\ \text{A} ou I_s=5\\ \text{A}.
    • Classe de exatidão (medição): exemplos 0{,}1, 0{,}2, 0{,}5, 1, etc. (quanto menor, mais preciso).
    • Classes/proteção: classes como 5P, 10P indicam comportamento sob curto-circuito para proteção (especificam erro percentual até certo múltiplo da corrente nominal).
    • Burden (carga): potência aparente máxima que pode ser conectada ao secundário sem ultrapassar a classe de erro, medida em VA (por exemplo 1\\ \text{VA}, 5\\ \text{VA}, 15\\ \text{VA}, 30\\ \text{VA}, 100\\ \text{VA}, etc.).
    • Ponto de joelho (knee point) V_k: relevante para TCs de proteção com núcleo de alta linearidade — determina a tensão de excitação além da qual o núcleo entra em saturação rapidamente. Usado na norma IEC para especificar TCs de proteção.
  6. Regras práticas e segurança (extremamente importantes):
    • Nunca abrir o secundário de um TC com primário energizado — isso cria tensão muito alta no secundário (risco ao pessoal e ao equipamento). Se o secundário não estiver conectado a instrumentos, deve ser curto-circuitado temporariamente nos bornes ou ter curto de fábrica.
    • Notar polaridade: bornes normalmente marcados P_1/P_2 (primário) e S_1/S_2 (secundário) — atenção para fiação correta em medições e relés.

Passo 4

Esquemas de ligação típicos para TC (desenho textual/ASCII e explicações)
  • Esquema 1: TC monofásico medição (um condutor atravessa o núcleo)
    (representação simples; números e legendas em TeX)
    Fonte (linha) —[condutor I_p]–> (núcleo do TC)
    Secundário do TC: S_1 — instrumento (amperímetro) — S_2
    ASCII:
    [Linha com I_p] ──( núcleo do TC )──>
    |
    S1 —(amperímetro)— S2
    Explicação: o condutor primário (1 espira) passa pelo núcleo; o secundário alimenta o amperímetro/relé. Se instrumento for retirado, curto-circuitar S_1- S_2.
  • Esquema 2: TC para proteção (ligado a relé)
    S_1 — relé de proteção — S_2
    Observação: relés têm cargas maiores; por isso burdenses maiores e TCs de proteção são dimensionados para erros aceitáveis sob múltiplos da corrente nominal.
  • Esquema 3: três TCs em sistema trifásico (medição por fase)
    Fase A ─ TC A —> Sa1 — instrumento A — Sa2
    Fase B ─ TC B —> Sb1 — instrumento B — Sb2
    Fase C ─ TC C —> Sc1 — instrumento C — Sc2
  • Observações sobre conexões trifásicas especiais:
    • Existem métodos com 2 TCs para sistema de 3 fios (método de ligação em triângulo/estrela - tema clássico) — atenção na prova: explique se perguntarem o método com 2 TCs (é diferente do uso de 3 TCs).

Passo 5

Transformador de Potencial (TP) — definição, estrutura e funcionamento passo a passo
  1. Definição e função: um TP (também chamado VT - Voltage Transformer) é um transformador que reduz tensões de linhas de alta tensão a tensões baixas padronizadas (seguras e compatíveis com instrumentos de medição e relés).
  2. Estrutura física:
    • Enrolamento primário: desconhe em múltiplas espiras, ligado ao sistema de alta tensão.
    • Núcleo magnético: dimensionado para menor fluxo de excitação e boa linearidade.
    • Enrolamento secundário: fornece tensão reduzida e isolada.
  3. Ratio e exemplo:
    • Ex.: TP 13{,}8\\ \text{kV}/110\\ \text{V}. Significa que com V_p=13{,}800\\ \text{V}, o secundário V_s=110\\ \text{V}.
    • Relação: se a=\dfrac{V_p}{V_s}, então V_s=\dfrac{V_p}{a}.
  4. Características importantes:
    • Tensões secundárias padronizadas: tipicamente 100\\ \text{V}, 110\\ \text{V}, 115\\ \text{V} ou 120\\ \text{V} conforme norma/mercado.
    • Classes de exatidão: ex.: 0{,}1, 0{,}2, 0{,}5, 1, 3 (para medição); existem classes específicas para proteção.
    • Potência nominal (burden) para instrumentos: normalmente alguns VA (p.ex. 5\\ \text{VA}, 10\\ \text{VA}, 20\\ \text{VA}, etc.), mas TPs maiores (para alimentação de relés/CTs) têm capacidades maiores.
  5. Segurança e ligação:
    • O secundário do TP normalmente deve ter o ponto neutro aterrada ou referenciada conforme a prática da subestação (para segurança e medida correta).
    • Nunca trate TP como divisor puramente resistivo; é um transformador com característica de carga.

Passo 6

Esquemas de ligação típicos para TP (desenho textual/ASCII e explicações)
  • Esquema 1: TP monofásico para medição
    Fase V_p — primário do TP —>
    |
    Secundário V_s: S1 — voltímetro — S2
    ASCII:
    [Fase V_p] ───( primário TP )───
    |
    S1 —(voltímetro)— S2
  • Esquema 2: Sistema trifásico
    • Três TPs, um por fase, secundários para instrumentos.
    • Alternativa: banco de TPs com ligações em estrela (Y) ou delta para criar certas fases de referência para medição e proteção.
  • Observação sobre aterramento: é comum aterrar o neutro do secundário dos TPs (quando se usa banco Y) para estabilizar referências de medição e garantir segurança.

Passo 7

Valores de referência típicos (exemplos de mercado e valores comuns) — atenção: valores são típicos/indicativos; sempre ver catálogo do fabricante para projeto
  • Transformadores de Corrente (TC):
    • Corrente secundária padrão: \,I_s=1\\ \text{A} ou \,I_s=5\\ \text{A}.
    • Correntes primárias típicas (exemplos de ratios comuns): \,50/5, \,100/5, \,150/5, \,200/5, \,250/5, \,400/5, \,600/5, \,800/5, \,1000/5, \,2000/5, \,4000/5. Também há TCs com primários até vários milhares de ampères (p.ex. 6000\\ \text{A} ou mais) e com secundário 1\\ \text{A}.
    • Burden (carga) típicas: medição de alta precisão: \,1\\ \text{VA} a \,15\\ \text{VA}; proteção: \,15\\ \text{VA} a \,200\\ \text{VA} ou mais dependendo do relé e distância.
    • Classes de exatidão (exemplos conforme IEC/ANSI): medição: 0{,}1, 0{,}2, 0{,}5, 1; proteção: 5P, 10P, 5P10, além de especificações de ponto de joelho V_k para TCs de proteção (p.ex. V_k alguns volts até algumas centenas de volts dependendo do TC).
    • Fabricantes com catálogos típicos: ABB, Siemens, Schneider Electric, WEG, GE. Nos catálogos você encontra as curvas de erro, classes e VA para cada ratio.
  • Transformadores de Potencial (TP / VT):
    • Tensões secundárias padrão: \,V_s=100\\ \text{V}, \,110\\ \text{V}, \,115\\ \text{V}, \,120\\ \text{V} (varia conforme norma / região).
    • Tensões primárias típicas em sistemas de potência: 3{,}3\\ \text{kV},\;6{,}6\\ \text{kV},\;11\\ \text{kV},\;13{,}8\\ \text{kV},\;34{,}5\\ \text{kV},\;69\\ \text{kV},\;138\\ \text{kV},\;230\\ \text{kV},\;400\\ \text{kV} etc. Ex.: TP 13{,}8\\ \text{kV}/110\\ \text{V}, TP 69\\ \text{kV}/110\\ \text{V}.
    • Classes de exatidão: medição: 0{,}1, 0{,}2, 0{,}5, 1, 3; classes de proteção/operacionais específicas também existem.
    • Burden (VA) típicos: alguns VA (p.ex. 5\\ \text{VA}, 10\\ \text{VA}, 15\\ \text{VA}), mas podem ser maiores para alimentarem múltiplos instrumentos.
    • Fabricantes com catálogos típicos: ABB, Siemens, Schneider Electric, WEG, GE, SGB-SMIT; os catálogos mostram tensão primária, secundária, classes de exatidão e potências nominais.

Passo 8

Conceitos avançados importantes (que costumam cair em prova) explicados passo a passo
  1. Por que TC tem 1\\ \text{A} ou 5\\ \text{A} no secundário?
    • Padronização: instrumentos (medidores/relés) são projetados para essas correntes; escolher 1\\ \text{A} reduz perdas em longas correntes secundárias (menos corrente secundária) e é comum em sistemas de média tensão/longas distâncias.
  2. Erro de CT/TP:
    • O erro é a diferença percentual entre o valor real e o valor ideal transformado sob uma carga (burden) e determinado por classe de exatidão. Em provas: mostre que erro aumenta com carga e próximo da saturação do núcleo.
  3. Ponto de joelho ( V_k) para CTs de proteção:
    • Definição: tensão de excitação onde o núcleo começa a saturar; os TCs de proteção são projetados para manter precisão até a corrente de H x In (ex.: \,20\,I_n) dado um V_k mínimo. Em prova, saber a definição e implicação prática basta.
  4. Polos e polaridade:
    • Bornes P_1/P_2 e S_1/S_2 para TC; para TP normalmente H1/H2 no primário e X1/X2 no secundário. Em medições trifásicas, polaridade errada leva a leituras erradas e a mau funcionamento de relés.

Passo 9

Exemplos numéricos práticos (para treinar resolução passo a passo)
  1. Exemplo TC:
    • Enunciado: TC 400/5. Se a corrente primária é I_p=320\\ \text{A}, qual a corrente secundária I_s?
    • Resolução: a=\frac{400}{5}=80,\quad I_s=\frac{I_p}{a}=\frac{320}{80}=4\\ \text{A}.
  2. Exemplo TP:
    • Enunciado: TP 13{,}8\\ \text{kV}/110\\ \text{V}. Qual é V_s quando V_p=13{,}800\\ \text{V}?
    • Resolução: V_s=\frac{V_p}{a}=\frac{13{,}800}{13{,}800/110}=110\\ \text{V}.
    • Se o sistema estiver com V_p=12{,}414\\ \text{V} (tensão um pouco menor), então V_s=\frac{12{,}414}{13{,}800/110}=99\\ \text{V}\\ (\text{aprox.}).

Passo 10

Dicas de prova e de projeto prático (curtas e diretas)
  • Memorizar: secundários padrão de TC ( 1\\ \text{A} e 5\\ \text{A}), secundários típicos de TP ( 100\text{–}120\\ \text{V}), não abrir secundário de TC.
  • Ao dimensionar TC: escolha ratio tal que a corrente nominal do circuito esteja perto da faixa nominal do TC (evita grandes erros em regime normal) e verificar classe de exatidão e burden para os instrumentos reais.
  • Ao ligar TPs: verifique neutro e aterramento do secundário conforme normas da subestação.
  • Leia sempre o catálogo do fabricante para confirmar V_k, VA, classes e limites de operação.

Resposta

Transformador de Corrente (TC): transformador usado para reduzir e isolar correntes elevadas para valores padronizados (geralmente 1\\ \text{A} ou 5\\ \text{A}) para medição e proteção; relação dada por exemplo 100/5 com I_s=\dfrac{I_p}{a}.
Transformador de Potencial (TP): transformador usado para reduzir tensões de linha elevadas para tensões de medição padronizadas (tipicamente 100\text{–}120\\ \text{V}) e isolar o circuito de medição; relação V_s=\dfrac{V_p}{a}.
Esquemas de ligação (resumo): TC monofásico: condutor primário atravessa núcleo; secundário S_1‑instrumento‑ S_2 (secundário nunca aberto). TP monofásico: primário na fase, secundário S1‑voltímetro‑ S2 (secundário normalmente referenciado/aterrado conforme prática). Para trifásico: usar 3 TCs/TPs (um por fase) ou ligações especiais em Y/Δ conforme necessidade de medição/proteção.
Valores de referência típicos de fabricantes (exemplos): TCs — secundário 1\\ \text{A} ou 5\\ \text{A}; ratios comuns 50/5,\;100/5,\;250/5,\;400/5,\;1000/5,\;2000/5; burden típicos 1\\ \text{VA} a 200\\ \text{VA}; classes de exatidão 0{,}1,\;0{,}2,\;0{,}5,\;1,\;5P,\;10P; TPs — secundários típicos 100\\ \text{V},\;110\\ \text{V},\;115\\ \text{V},\;120\\ \text{V}; primários comuns 3{,}3\\ \text{kV},\;6{,}6\\ \text{kV},\;11\\ \text{kV},\;13{,}8\\ \text{kV},\;34{,}5\\ \text{kV},\;69\\ \text{kV},\;138\\ \text{kV} etc.; classes de exatidão 0{,}1,\;0{,}2,\;0{,}5,\;1,\;3; fabricantes típicos: ABB, Siemens, Schneider Electric, WEG, GE (ver catálogos para dados precisos).

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