Construção Interna e Tipos de Transformadores de Corrente

O núcleo: coração de cada transformador atual

O núcleo magnético é o componente que mais define o desempenho dentro de um transformador de corrente. Serve como meio através do qual a energia do condutor primário é transferida para o enrolamento secundário por indução eletromagnética. A forma, o material e a área da seção transversal do núcleo determinam quase todas as características de desempenho do dispositivo acabado.

Geometria Central

A maioria dos núcleos dos transformadores de corrente são fabricados em formato toroidal (anel). Esta geometria de circuito fechado garante que o caminho do fluxoo magnético seja contínuo, o que minimiza o vazamento de fluxo e contribui para uma alta precisão. Os núcleos toroidais são padrão em instrumentos de nível comercial e de classe de proteção porque produzem erros de ângulo de fase muito baixos na corrente nominal.

Para transformadores de corrente do tipo enrolado usados ​​em aplicações especiais ou de alta relação, os núcleos podem ser laminados em configurações retangulares ou em forma de C, montados a partir de tiras de aço elétrico com grãos orientados. Esses núcleos laminados permitem que o fabricante adapte a área da seção transversal com precisão para uma carga alvo e classe de precisão.

Materiais de núcleo magnético

A escolha do material do núcleo magnético controla diretamente a classe de precisão, o comportamento de saturação e a resposta de frequência do transformador. A tabela abaixo resume as opções mais comuns:

Para medição de frequência de potência padrão em 50 Hz ou 60 Hz, o aço silício CRGO continua sendo a escolha dominante devido ao seu equilíbrio favorável entre custo, disponibilidade e desempenho magnético. As ligas de níquel-ferro são reservadas para TCs de medição de receita de precisão, onde os erros devem ser mantidos entre 0,1% ou 0,2% em uma ampla faixa de carga.

Laminação e isolamento do núcleo

Para reduzir as perdas por correntes parasitas, os núcleos de aço silício são laminados em tiras finas, normalmente com 0,23 mm a 0,35 mm de espessura. Cada laminação é revestida com uma fina camada isolante – geralmente um tratamento de fosfato ou verniz orgânico – que evita que a corrente flua entre as camadas. A laminação mais apertada e as tiras mais finas reduzem as perdas e o acúmulo de calor durante condições de sobrecarga sustentada.

Enrolamento Secundário: Convertendo Fluxo em um Sinal Mensurável

O enrolamento secundário é enrolado diretamente no núcleo e é responsável por produzir a corrente de saída que instrumentos, relés e medidores medem. A construção física deste enrolamento afeta tanto a precisão quanto o desempenho térmico.

Fio de enrolamento e material condutor

Praticamente todos os enrolamentos secundários são enrolados em fio de cobre esmaltado. A combinação de alta condutividade elétrica, ductilidade e características de temperatura bem compreendidas do cobre o torna a escolha padrão. Em projetos leves especializados, o fio de alumínio é ocasionalmente usado, embora exija seções transversais maiores para atingir a mesma meta de resistência e exija terminação cuidadosa para evitar corrosão.

A bitola do fio é escolhida para atender à especificação de resistência do enrolamento secundário (geralmente chamada de Rct — a resistência do enrolamento secundário). Um Rct mais baixo permite que uma porção maior do EMF secundário disponível seja entregue à carga externa, em vez de ser dissipada internamente como calor. Isto afeta diretamente a precisão em níveis de carga baixos.

Técnica de enrolamento e contagem de voltas

A contagem de voltas do enrolamento secundário determina a relação de transformação em combinação com as voltas primárias. Para um transformador de corrente padrão do tipo barra ou janela, onde o primário é um condutor de passagem única, a contagem de voltas do primário é 1. As voltas do secundário são então definidas para atingir a relação desejada - por exemplo, 200 voltas para uma relação de 200:1 em um transformador de 200 A/1 A.

Os enrolamentos são distribuídos uniformemente ao redor do toróide para garantir uma força magnetomotriz equilibrada e minimizar o fluxo de vazamento. A uniformidade é especialmente crítica em projetos de alta precisão, onde mesmo pequenas assimetrias na distribuição do enrolamento podem introduzir erros mensuráveis ​​no ângulo de fase.

Isolamento entre camadas

Enrolamentos multicamadas requerem isolamento entre camadas para evitar quebra de tensão entre espiras em diferentes potenciais. Os materiais isolantes intercamadas comuns incluem:

• Fita de filme de poliéster (tipo Mylar) — usada em TCs de baixa e média tensão por seu equilíbrio entre rigidez dielétrica e perfil fino
• Filme de poliimida (tipo Kapton) — selecionado quando as temperaturas de operação excedem 130°C ou quando um isolamento muito fino é necessário sem sacrificar a resistência à tensão
• Papel Nomex — usado em ambientes secos e de alta temperatura, onde materiais à base de celulose se degradariam

Arranjos de condutores primários na construção de transformadores de corrente

O lado primário de um transformador de corrente pode ser organizado de diversas maneiras distintas, cada uma resultando em um tipo de construção mecânica diferente. Esta é a base principal para classificar os TCs por projeto físico.

Construção de transformador de corrente tipo barra

Um transformador de corrente tipo barra usa um condutor primário fixo instalado de fábrica - normalmente uma barra de cobre ou alumínio - que passa pelo centro do conjunto toroidal ou retangular de núcleo e enrolamento. O núcleo e o enrolamento secundário são encapsulados em torno desta barra. Esta construção oferece rigidez mecânica máxima e é preferida para instalações de painéis e barramentos onde as correntes nominais primárias variam de 400 A a vários milhares de amperes.

Como a barra vem configurada de fábrica, os TCs do tipo barra não são ajustáveis ​​em campo. A corrente primária nominal é determinada na fabricação. Eles são, no entanto, extremamente estáveis ​​ao longo de décadas de serviço porque não há juntas mecânicas no caminho primário que possam se soltar ou corroer.

Construção de transformador de corrente tipo janela

Os TCs do tipo janela, às vezes chamados de transformadores de corrente do tipo anel ou donut, consistem em um núcleo toroidal enrolado com a bobina secundária e encerrado em um invólucro que possui uma abertura central. O condutor primário – qualquer cabo ou barramento que transporte a corrente medida – é simplesmente passado por esta abertura na instalação. Nenhuma conexão elétrica é feita entre o corpo do TC e o condutor primário; o transformador opera puramente por indução.

Este projeto é versátil porque um único modelo de TC pode ser instalado em condutores de seções transversais variadas, desde que o condutor passe fisicamente pela janela. Os TCs do tipo janela são amplamente utilizados em painéis, monitoramento de cabos e modernização de instalações existentes.

Construção de transformador de corrente enrolada

Em um transformador de corrente enrolado, o enrolamento primário consiste em uma ou mais voltas de condutor de cobre isolado enrolado diretamente no núcleo ao lado do secundário. Este arranjo é usado quando a corrente primária é relativamente baixa – normalmente abaixo de 100 A – e um condutor de passagem única produziria fluxo insuficiente para uma medição precisa.

Ao adicionar duas, três ou mais voltas primárias, a taxa de transformação efetiva é multiplicada sem a necessidade de um núcleo fisicamente maior. Um TC enrolado com 5 voltas primárias e 1.000 voltas secundárias tem uma proporção efetiva de 1.000:5, ou 200:1, com um primário de 5 voltas gerando maior fluxo para a mesma corrente de linha do que um primário de barra única.

Os TCs do tipo enrolado são normalmente mais caros do que os tipos de barra ou janela na mesma classificação de corrente, porque o processo de enrolamento adicional adiciona trabalho e o isolamento do condutor primário deve ser classificado para a tensão total linha a linha do sistema.

Transformador de corrente de núcleo dividido: construção e aplicações

O transformador de corrente de núcleo dividido resolve um problema prático específico: como instalar um transformador de corrente em um condutor que não pode ser desenergizado ou desconectado. O núcleo magnético é dividido em duas metades ao longo de uma junta usinada com precisão. Uma dobradiça ou mecanismo de trava mantém as metades fechadas durante a operação e permite que sejam separadas para instalação.

Quando as metades do núcleo estão abertas, o TC pode ser posicionado em torno de um cabo energizado. Uma vez fechado e travado, o circuito magnético está completo e o dispositivo funciona de forma idêntica a um TC toroidal sólido de dimensões equivalentes.

O key engineering challenge in split-core design is minimizing the air gap at the joint. Even a microscopic gap in the magnetic circuit dramatically increases the magnetizing current required and introduces errors, particularly at low primary current levels near 5% to 20% of the rated value. Manufacturers address this through:

• Usinagem de precisão das superfícies de contato com tolerâncias inferiores a 10 micrômetros
• Uso de materiais de núcleo de alta permeabilidade que são mais tolerantes a pequenas lacunas residuais
• Travas com mola que aplicam força de fixação consistente para manter as metades firmemente acopladas
• Materiais de núcleo nanocristalino ou amorfo, que mantêm menor erro mesmo com fechamento ligeiramente imperfeito

Os TCs de núcleo dividido são amplamente utilizados em auditoria energética, sistemas de gerenciamento de energia predial, painéis de monitoramento de energia adaptados e qualquer aplicação onde a instalação deva ser realizada sem desligar o circuito monitorado. Eles estão disponíveis em classes de precisão de Classe 1 até Classe 0,5, dependendo do material do núcleo e da qualidade da junta.

Transformador de corrente toroidal: por que o formato do anel domina

O toroidal current transformer is by far the most common construction used in modern panel-mount and inline current measurement. Its defining feature is the doughnut-shaped core, which creates a closed magnetic path with no deliberate air gap (in solid-core versions) and no exposed pole faces.

Eficiência Magnética do Núcleo Toroidal

Como o fluxo magnético circula inteiramente dentro do material do núcleo em um projeto toroidal, essencialmente nenhum fluxo escapa para o ar circundante. Isto tem duas consequências práticas. Primeiro, a corrente de magnetização necessária para estabelecer o fluxo de trabalho é muito baixa, o que reduz diretamente o erro de relação e o deslocamento de fase. Em segundo lugar, o TC toroidal é muito menos sensível à posição do condutor primário dentro da janela – uma propriedade chamada imunidade a erros de posição – em comparação com projetos de núcleo retangular.

Em um TC toroidal bem projetado, mover o condutor primário do centro da janela para uma posição fora do centro introduz menos de 0,05% de erro de relação adicional. Num TC de núcleo retangular, o mesmo deslocamento pode introduzir erros superiores a 0,3%.

Fabricação de núcleos toroidais

Os núcleos toroidais para transformadores de corrente são fabricados por um dos três métodos, dependendo do material alvo:

1. Núcleos enrolados em fita — Uma tira contínua de aço silício, liga de níquel-ferro ou fita nanocristalina é enrolada em espiral em torno de um mandril e depois tratada termicamente para aliviar a tensão mecânica introduzida durante o enrolamento. Este método é usado para os graus de precisão mais altos.
2. Núcleos de laminação empilhados — As laminações perfuradas individuais são empilhadas e intercaladas para formar um anel, comumente usado para núcleos de diâmetro maior, onde o enrolamento da fita produziria tensão interna excessiva.
3. Núcleos de ferrite em pó ou sinterizados — Usado para aplicações de alta frequência; a ferrita é prensada em um molde toroidal e sinterizada em alta temperatura.

Sistemas de Isolamento em Transformadores de Corrente

O isolamento do TC deve desempenhar duas funções simultaneamente: isolar o condutor primário de alta tensão do circuito secundário de baixa tensão e proteger o enrolamento e o conjunto do núcleo da degradação ambiental. O sistema de isolamento escolhido depende da tensão nominal, do ambiente e dos requisitos mecânicos da aplicação.

Encapsulamento de Resina (Moldagem Epóxi ou Poliuretano)

O majority of low-voltage and medium-voltage current transformers used in metering panels and switchgear are manufactured by casting or vacuum-injecting epoxy resin around the wound core assembly. This process, often called molded-case construction, creates a solid, void-free insulating body that:

• Fornece rigidez dielétrica superior a 3 kV/mm para sistemas epóxi padrão
• Elimina a entrada de umidade sem vedação adicional
• Protege mecanicamente o núcleo e o enrolamento contra vibrações e choques
• Permite controle dimensional preciso do corpo externo para montagem em painel

A impregnação por pressão a vácuo (VPI) é usada para montagens maiores onde a fundição é impraticável. O enrolamento é imerso em resina sob vácuo para remover o ar preso e depois pressurizado para forçar a resina em cada vazio antes da cura.

Isolamento Cheio de Óleo

Transformadores de corrente de alta tensão com classificação acima de 36 kV normalmente usam óleo mineral como principal meio de isolamento e resfriamento. O núcleo enrolado e o conjunto secundário são colocados dentro de um tanque de metal selado cheio de óleo mineral para transformadores. O isolamento de papel de celulose é enrolado ao redor do condutor primário em múltiplas camadas, aumentando a distância de fuga necessária para suportar a tensão da linha.

TCs a óleo são o padrão para instalações de 110 kV, 220 kV e 500 kV em subestações de transmissão. A amostragem regular de óleo e a análise de gases dissolvidos permitem que as equipes de manutenção detectem a degradação incipiente do isolamento antes que ocorram falhas.

Transformadores de Corrente Isolados a Gás

Em instalações de painéis isolados a gás (GIS), os transformadores de corrente são integrados ao invólucro GIS e utilizam gás hexafluoreto de enxofre (SF6) como meio isolante. Esses TCs se beneficiam do mesmo tamanho compacto que o conjunto de manobra adjacente e não exigem manutenção de líquidos, embora o sistema de gás selado deva ser monitorado quanto à pressão e pureza.

Projetos de tipo seco e isolados a ar

Para instalações internas em ambientes controlados em tensões de até aproximadamente 36 kV, os TCs do tipo seco que utilizam materiais isolantes sólidos (fibra de vidro ligada com resina, resina fundida ou Nomex) oferecem uma alternativa aos projetos preenchidos com óleo. Eles são mais leves, eliminam o risco de derramamento de óleo e simplificam a manutenção, embora sejam mais sensíveis à condensação e à poluição se usados ​​em ambientes externos agressivos.

Classificação dos Transformadores de Corrente por Tipo de Construção

O following table consolidates the major construction types, their typical current ranges, accuracy capabilities, and primary application sectors:

Como a construção interna afeta a precisão e o desempenho

Selecionar o transformador de corrente correto não é simplesmente uma questão de combinar a relação de corrente. A construção interna determina como um TC se comporta em toda a sua faixa de operação, sob variação de carga, em temperaturas elevadas e na presença de harmônicos.

Erro de proporção e suas origens

O erro de relação surge porque a corrente de magnetização – a corrente necessária para estabelecer o fluxo no núcleo – não aparece na saída secundária. Toda a corrente de magnetização é retirada do primário, mas nenhuma atinge a carga. Quanto maior for a corrente de magnetização em relação à corrente primária, maior será o erro de relação. Os núcleos de níquel-ferro e nanocristalinos, com sua permeabilidade muito alta, requerem muito menos corrente de magnetização do que os núcleos de aço-silício e, portanto, atingem erros de proporção mais baixos na mesma seção transversal do núcleo.

Erro de deslocamento de fase

O deslocamento de fase é a diferença angular, medida em minutos de arco, entre o fasor de corrente primário e o fasor de corrente secundário (invertido na direção). O deslocamento de fase é particularmente importante na medição do fator de potência e da energia porque mesmo um pequeno erro angular introduz um erro dependente do cosseno nos cálculos de watt-hora. Um deslocamento de fase de 10 minutos em uma carga com fator de potência de 0,5 pode produzir um erro de medição de energia de aproximadamente 0,5%.

Carga e seu efeito na precisão

O secondary burden — the total impedance of connected instruments, wiring resistance, and relay coils — directly affects the accuracy class performance. Most accuracy class specifications (IEC 61869, IEEE C57.13) define performance at a rated burden and at 25% of rated burden. A CT specified as Class 0.5 at a 5 VA burden will perform within 0.5% ratio error only when the connected burden does not exceed 5 VA. Exceeding the rated burden increases secondary terminal voltage, drives the core toward saturation, and degrades accuracy.

Desempenho Harmônico

Em instalações de acionamento de velocidade variável, fornos a arco e sistemas de energia de data centers, a corrente primária contém um conteúdo harmônico significativo — geralmente no 5º, 7º, 11º e 13º harmônicos. Núcleos de aço silício padrão exibem perdas crescentes e distorção do ângulo de fase em frequências harmônicas. Núcleos nanocristalinos e amorfos, com sua curva de permeabilidade plana que se estende até vários quilohertz, fornecem precisão substancialmente melhor em formas de onda distorcidas e são a escolha preferida para analisadores de qualidade de energia classe A.

Carcaça externa e configurações de montagem

O enclosure of a current transformer protects the active components from environmental exposure and provides the mechanical interface for installation. Housing design varies significantly between application categories.

Carcaça moldada para montagem em painel

Os TCs de baixa tensão para painéis de medição são quase universalmente produzidos em poliéster reforçado com fibra de vidro (GRP) ou invólucros de policarbonato formados por moldagem por injeção em torno do conjunto do núcleo de resina fundida. A caixa integra terminais de montagem ou clipes para trilho DIN, blocos de terminais secundários classificados para a corrente de saída esperada e marcações de polaridade (P1/P2 para primário, S1/S2 para secundário) de acordo com os padrões IEC.

Transformadores de corrente tipo bucha

Os TCs de bucha são conjuntos em forma de anel projetados para deslizar sobre a bucha de porcelana ou polímero de um transformador de potência ou disjuntor. Eles não têm moradia própria; em vez disso, eles são fixados entre o flange da bucha e a tampa do tanque do transformador. Os TCs de bucha são alguns dos projetos mais compactos, pois a própria bucha fornece o condutor primário e o isolamento de tensão.

Projetos externos isolados de porcelana e polímero

Os transformadores de corrente externos de média e alta tensão são alojados em conjuntos selados com isoladores compostos de porcelana ou borracha de silicone. O perfil do galpão foi projetado para manter uma distância de fuga adequada sob condições de poluição — a norma IEC exige uma fuga mínima de 16 mm/kV para ambientes levemente poluídos e até 31 mm/kV para locais altamente poluídos. Os invólucros compostos de borracha de silicone substituíram amplamente a porcelana em novas instalações devido ao seu peso mais leve, desempenho superior contra poluição em ambientes contaminados e resistência à fratura frágil.

Integração de transformadores de corrente em sistemas de medição

Um sistema completo de medição de corrente envolve o TC, a fiação de interconexão e o instrumento receptor. O transformador de corrente de núcleo dividido é frequentemente a escolha preferida em projetos de medição de modernização por esse motivo — pode ser instalado sem interromper o serviço. Uma vez instalado, o secundário do TC se conecta a medidores de energia, analisadores de potência ou relés de proteção através de circuitos de TC dedicados, que devem ser mantidos sempre fechados durante a operação para evitar condições perigosas de sobretensão secundária.

Padrões de precisão e designações de classe

As classes de precisão dos transformadores de corrente são definidas por padrões internacionais e regionais. Os dois mais referenciados são IEC 61869-2 (anteriormente IEC 60044-1) e IEEE C57.13. Compreender as designações de classe ajuda a especificar o TC correto para a aplicação.

Classes de medição IEC

A IEC 61869-2 define classes de precisão de medição como 0,1, 0,2, 0,2S, 0,5, 0,5S, 1 e 3. O sufixo "S" (especial) indica precisão estendida em baixa corrente - especificamente, o TC deve atender à sua especificação de erro de relação até 1% da corrente nominal em vez dos 5% padrão. As classes 0,5S e 0,2S são exigidas para medidores de energia de nível comercial sob muitas estruturas regulatórias, porque as cargas frequentemente operam bem abaixo de 100% da corrente primária nominal do TC.

Classes de proteção IEC

Os TCs da classe de proteção são designados por seu fator limite de precisão (ALF) e comportamento do ponto de joelho. Classe 5P e 10P são as designações padrão, onde o número indica o erro composto máximo no fator limite de precisão nominal. Um TC 5P20 mantém um erro composto que não excede 5% quando a corrente primária é 20 vezes a corrente nominal – a condição necessária para operação confiável de relés de sobrecorrente durante condições de falta.

Aulas IEEE

O IEEE C57.13 standard uses a letter-number combination: the letter (C, K, T, or X) indicates the performance basis, and the number indicates the secondary terminal voltage at rated burden and 20 times rated current. A C200 CT can deliver its rated secondary current into a burden that develops 200 V at 20 times rated primary current without exceeding 10% ratio error. This classification system is prevalent in North American utility and industrial protection practice.

Perguntas frequentes