Guia de cálculo do fator limitador de precisão de TC

Introdução

Nos sistemas de distribuição de energia de média tensão, um Transformador de Corrente (TC) não mede apenas a corrente - tem de manter a integridade da medição mesmo quando as correntes de defeito aumentam para 10, 20 ou mesmo 30 vezes o valor nominal. É aí que o Fator Limite de Precisão (ALF) torna-se uma missão crítica. O ALF define o múltiplo máximo da corrente primária nominal até ao qual um TC mantém a sua classe de precisão nominal, determinando diretamente se o seu relé de proteção recebe um sinal de confiança durante um evento de defeito. Para os engenheiros electrotécnicos que concebem esquemas de proteção e para os gestores de compras que especificam TCs para subestações ou painéis de MT industriais, a má compreensão ou o cálculo incorreto do ALF conduz a um funcionamento incorreto do relé, a danos no equipamento e a tempos de inatividade dispendiosos. Este guia explica a metodologia de cálculo do ALF, os principais parâmetros envolvidos e como selecionar o TC certo para os seus requisitos de fiabilidade da proteção.

Índice

• O que é o fator limitador de precisão da TC e porque é que é importante?
• Como é calculado o ALF? Explicação da fórmula principal e dos parâmetros
• Como selecionar o ALF adequado para a sua candidatura?
• Quais são os erros mais comuns na especificação e instalação de ALF?

O que é o fator limitador de precisão da TC e porque é que é importante?

O Fator Limite de Precisão (ALF) é um parâmetro sem dimensão definido em IEC 61869-2¹ que especifica o múltiplo mais elevado da corrente primária nominal a que o TC erro composto² não excede o limite prescrito para a sua classe de precisão. Em termos mais simples: diz-lhe até que ponto, numa condição de falha, o seu TC ainda é fiável.

Para os TC da classe de proteção (classe 5P e 10P segundo a norma CEI), o erro composto em ALF não deve exceder 5% ou 10% respetivamente. Para além do limiar ALF, o núcleo do TC satura, a corrente secundária fica distorcida e os relés de proteção podem não disparar - ou pior, disparar incorretamente.

Definição dos principais parâmetros técnicos

• Corrente primária nominal (I₁ₙ): Corrente nominal de funcionamento, por exemplo, 400A, 600A, 1200A
• Carga nominal (Sₙ): A carga VA nominal que o TC foi concebido para acionar, por exemplo, 15VA, 30VA
• Classe de precisão: 5P ou 10P para TC de proteção; define o erro composto admissível
• ALF (Fator de limitação da precisão): Tipicamente 5, 10, 20 ou 30 - estampado na placa de identificação
• Fator de segurança do instrumento (FS): Relevante para medir os CT; conceito oposto ao ALF
• Material do núcleo: Aço ao silício de grão orientado, laminado a frio³ (CRGO) - determina o comportamento de saturação
• Sistema de isolamento: Fundição de resina epóxi, classificada para 12kV / 24kV / 36kV de acordo com IEC 60044 / IEC 61869
• Classificação térmica: Classe E (120°C) ou Classe F (155°C), dependendo do ambiente de instalação

Um TC com ALF = 20 e corrente nominal de 400A manterá a precisão até 8.000A de corrente de falha primária - uma especificação que deve corresponder à corrente de curto-circuito prevista para o seu sistema.

Como é calculado o ALF? Explicação da fórmula principal e dos parâmetros?

O ALF não é uma constante física fixa - varia consoante a carga real ligada versus a carga nominal. Este é o aspeto mais mal compreendido da especificação do TC em sistemas de proteção de MT.

A fórmula ALF principal (IEC 61869-2)

O ALF real sob o encargo real de exploração é calculado da seguinte forma

$ALF_{atual} = ALF_{rated} \times \frac{R_{ct} + R_{burden_rated}}{R_{ct} + R_{burden_actual}}$

Onde:

• $ALF_{rated}$ = valor ALF da placa de identificação
• $R_{ct}$ = resistência do enrolamento secundário (Ω) - medida a 75°C
• $R_{burden_rated}$ = resistência equivalente da carga nominal à corrente secundária nominal
• $R_{burden_actual}$ = resistência real da carga ligada (relé + resistência do condutor)

Conversão da resistência à carga

Para um TC com carga nominal Sₙ = 15VA em I₂ₙ = 5A:

$R_{burden_rated} = \frac{S_n}{I_{2n}^2} = \frac{15}{25} = 0,6 , \Omega$

Se a carga real conectada (bobina do relé + cabo) = 0.3Ω, então:

$ALF_{atual} = 20 \times \frac{0.4 + 0.6}{0.4 + 0.3} = 20 \times \frac{1.0}{0.7} \approx 28.6$

Isto significa que um a diminuição dos encargos reais aumenta o FLA efetivo - uma visão crítica para os engenheiros que sobrecarregam os seus CTs.

Comparação: Classes de TC de proteção

Parâmetro	Classe 5P	Classe 10P
Erro composto na ALF	≤ 5%	≤ 10%
Limite de deslocamento de fase	±60 min	Não especificado
Gama típica de ALF	10-30	5-20
Aplicação	Proteção diferencial/distância	Sobrecorrente / Falha de terra
Tamanho do núcleo	Maior (menor saturação)	Compacto
Custo	Mais alto	Inferior

Caso de Cliente - Empreiteiro EPC, Projeto de Subestação do Sudeste Asiático:
Um empreiteiro especificou TCs Classe 10P20 para um esquema de proteção de alimentador de 24kV usando relés de distância numérica. Durante o comissionamento, os engenheiros de relés descobriram que a carga real (incluindo cabos de 40 metros) era apenas 35% da carga nominal - elevando o ALF efetivo para quase 34. O TC estava tecnicamente com um desempenho superior, mas o coordenação de relés⁴ Os cálculos baseados em ALF=20 tiveram que ser revistos. A equipe técnica da Bepto forneceu curvas de ALF recalculadas e dados atualizados de coordenação de relés, evitando a repetição completa do estudo de proteção. Lição: calcular sempre o ALF real e não apenas o ALF da placa de identificação.

Como selecionar o ALF adequado para a sua candidatura?

A seleção do ALF é uma decisão ao nível do sistema e não apenas uma escolha da placa de identificação do TC. Eis uma abordagem estruturada utilizada em projectos reais de engenharia de proteção de MT.

Passo 1: Definir o nível de falha do sistema

• Obter o corrente máxima prevista de curto-circuito (Isc) no ponto de instalação do TC
• Calcular o ALF necessário: $ALF_{required} = \frac{I_{sc}}{I_{1n}}$
• Exemplo: Isc = 16kA, I₁ₙ = 800A → ALF necessário = 20

Etapa 2: Determinar os encargos efectivos

• Medir a carga do relé (VA ou Ω da folha de dados do relé)
• Calcular a resistência do cabo: $R_{cable} = \frac{2 \times L \times \rho}{A}$ (cobre, 0,0175 Ω-mm²/m)
• Soma de todas as impedâncias em série no circuito secundário

Etapa 3: Calcular o ALF real e verificar a margem

• Aplicar a fórmula ALF acima
• Assegurar ALF_actual ≥ ALF_requerido × 1.1 (recomenda-se uma margem de segurança de 10%)
• Se a margem for insuficiente: aumentar a classe de carga nominal do TC ou selecionar um ALF de placa de identificação mais elevado

Passo 4: Corresponder normas e classificações ambientais

• IEC 61869-2 para proteção Desempenho dos TC
• IP65 mínimo para ambientes interiores de aparelhagem de média tensão
• IP67 ou IP68 para instalações exteriores ou costeiras (nevoeiro salino segundo IEC 60068-2-52)
• Tensão de isolamento: confirmar que a classe 12kV / 24kV / 36kV corresponde ao sistema Um

Recomendações ALF específicas da aplicação

• Distribuição industrial de MT (6-12kV): Classe 5P20, 15VA - para proteção do motor e sobreintensidade do alimentador
• Subestação de rede eléctrica (33-36kV): Classe 5P30, 30VA - para proteção à distância e diferencial
• Coleção Solar Farm MV: Classe 10P10, 10VA - níveis de falha mais baixos, custo optimizado
• Plataforma marítima / offshore: Classe 5P20 com encapsulamento epoxídico, IP67, montagem anti-vibração
• Subestação subterrânea urbana: TC compacto fundido em epóxi, classe 5P20, design de núcleo optimizado em termos de espaço

Quais são os erros mais comuns na especificação e instalação de ALF?

Lista de verificação de instalação e colocação em funcionamento

1. Verificar os dados da placa de identificação - confirmar ALF, classe de precisão, carga nominal e Rct antes da instalação
2. Medir os encargos secundários efectivos - utilizar um medidor de carga ou calcular a partir dos dados do relé + cabo
3. Recalcular o FLA efetivo - nunca assumir que o ALF da placa de identificação é igual ao ALF de funcionamento
4. Efetuar o controlo da polaridade - a polaridade incorrecta do TC causa o mau funcionamento do relé diferencial
5. Conduta ensaio de injeção secundária⁵ - verificar o acionamento do relé nos múltiplos de falhas calculados
6. Verificar a proteção contra o circuito aberto - nunca abrir o secundário do TC em condições de primário energizado

Erros comuns de especificação a evitar

• Subdimensionamento do ALF para alimentadores de alto nível de defeito - O TC satura durante o defeito, o relé não dispara no tempo necessário
• Ignorar a resistência do cabo no cálculo da carga - especialmente crítico para TCs localizados longe de painéis de relés (>20m de percurso)
• Mistura de TCs secundários de 5A e 1A no mesmo esquema de proteção - provoca um grave desajustamento da carga
• Especificação de TC de classe de medição (classe 0,5 ou 1,0) para circuitos de proteção - estes têm um FS (fator de segurança do instrumento) elevado, concebido para saturar cedo, o oposto do que a proteção necessita
• Desprezando a correção de temperatura para Rct - a resistência do enrolamento aumenta ~20% de 20°C para 75°C, afectando o ALF real

Caso de Cliente - Gestor de Compras, Expansão de Fábrica Industrial:
Um gestor de compras adquiriu TCs a um fornecedor de baixo custo sem verificar os valores de Rct. O Rct indicado pelo fornecedor era de 0,3Ω; o valor real medido foi de 0,72Ω. Isto deslocou o ALF real dos 22 calculados para 14 - abaixo do múltiplo de nível de falha exigido. O engenheiro de proteção detectou este problema durante o FAT (Factory Acceptance Testing), mas causou um atraso de 3 semanas na entrega das unidades de substituição. A Bepto fornece relatórios de ensaio completos, incluindo medição Rct, curvas de excitação e verificação de erro composto com cada envio de CT.

Conclusão

A obtenção de um ALF correto é a diferença entre um sistema de proteção que funciona corretamente durante um defeito e um que falha no pior momento possível. Para a distribuição de energia em média tensão, a fiabilidade da proteção depende do cálculo exato do ALF utilizando valores de carga reais - e não apenas dados da placa de identificação. Quer esteja a conceber um esquema de proteção de uma subestação, a especificar TCs para um painel de MT industrial ou a rever um sistema de recolha de energia solar, a aplicação da metodologia IEC 61869-2 ALF garante que os seus Transformadores de Corrente funcionam quando é mais importante.

Perguntas frequentes sobre o fator limitador de precisão da TC

1. Requisitos técnicos pormenorizados para transformadores de instrumentos no âmbito da Comissão Eletrotécnica Internacional. ↩

2. Compreender a definição matemática do erro total do transformador de corrente de acordo com as normas IEC. ↩

3. Exploração das caraterísticas de saturação magnética e da orientação do grão de núcleos de aço elétrico. ↩

4. Aprender a coordenar os dispositivos de proteção para minimizar o tempo de inatividade do sistema durante os eventos de falha. ↩

5. Procedimentos passo a passo para verificar a funcionalidade do relé de proteção e a integridade do TC no local. ↩