Como realizar um procedimento de desmagnetização para transformadores de corrente após um evento de falha?

Um evento de falha num sistema de distribuição de energia de média tensão faz mais do que disparar um disjuntor - pode deixar um legado invisível mas perigoso dentro do núcleo do seu transformador atual: magnetismo residual. O fluxo residual retido no núcleo de um TC após um defeito ou um transitório de desvio de CC degrada diretamente a precisão da indução electromagnética, provoca a saturação prematura do núcleo e pode desencadear falsas operações do relé de proteção ou um perigoso sub-alcance durante o próximo defeito. Para os engenheiros eléctricos e equipas de manutenção responsáveis pela fiabilidade da subestação, saber como desmagnetizar corretamente um núcleo de TC não é um conhecimento de manutenção opcional - é uma tarefa de integridade do sistema de proteção da linha da frente. Este artigo detalha a física do fluxo residual, o procedimento de desmagnetização em campo passo a passo e os critérios de seleção que determinam se o núcleo do TC é mesmo suscetível à remanência em primeiro lugar.

Índice

• O que é o fluxo residual e porque se forma nos núcleos de TC?
• Como é que o magnetismo residual afecta o desempenho e a fiabilidade da indução de TC?
• Como é que se realiza um procedimento de desmagnetização de campo num transformador de corrente?
• Quais são os erros comuns que causam a falha da desmagnetização em TCs de média tensão?

O que é o fluxo residual e porque se forma nos núcleos de TC?

O fluxo residual - também designado por magnetismo remanescente ou remanência - é a densidade de fluxo magnético que permanece bloqueada no interior da estrutura de aço silício de grão orientado de um núcleo de TC após a remoção da força magnetizante. Para compreender a razão da sua formação, é necessário um breve olhar sobre o laço de histerese b-h¹ que rege todo o comportamento do núcleo ferromagnético.

Quando um TC experimenta uma corrente de defeito com um componente de desvio CC significativo, a corrente primária não oscila simetricamente em torno de zero. Em vez disso, conduz o fluxo do núcleo ao longo da curva de histerese para uma região de alta densidade do fluxo magnético². Quando o defeito é eliminado e a corrente cai abruptamente para zero - como acontece durante a interrupção de um disjuntor - o núcleo não regressa ao fluxo zero. Ele permanece no densidade de fluxo remanescente (Br), que, no caso do aço ao silício de grão orientado, pode atingir 60-80% de densidade do fluxo de saturação³ (Bsat).

Principais caraterísticas técnicas da remanência de núcleos de TC:

• Sensibilidade do material de base: O aço silício de grão orientado (utilizado em TC de alta precisão) tem uma elevada permeabilidade, mas também uma elevada remanência. Os núcleos de ligas de níquel-ferro apresentam níveis de remanência ainda mais elevados.
• Núcleos com abertura de ar: Os TCs concebidos com uma pequena folga de ar deliberada no núcleo (classes TPY e TPZ de acordo com a norma IEC 61869-2) têm uma remanência significativamente mais baixa - tipicamente inferior a 10% de Bsat - porque a folga de ar fornece um mecanismo de reposição magnética.
• Eventos de ativação: As correntes de defeito de compensação DC, os eventos de circuito aberto do secundário do TC e a desmagnetização incorrecta após o teste são as três principais causas de acumulação significativa de fluxo residual.

Tipo de núcleo	Nível de Remanescência	Classe IEC	Aplicação típica
Aço-Si de grão orientado (sem caixa de ar)	60-80% Bsat	5P, 10P, TPS	TCs de proteção standard
Liga de níquel-ferro (sem espaço de ar)	Até 90% Bsat	Classe X, TPS	Proteção diferencial de alta sensibilidade
Núcleo com fenda (pequeno espaço de ar)	<10% Bsat	TPY	Sistemas de proteção de fecho automático
Núcleo de grande abertura de ar	~0% Bsat	TPZ	Proteção de alta velocidade, desempenho transitório

O tipo de núcleo instalado no seu painel de distribuição determina diretamente o seu perfil de risco de remanência - e se um procedimento de desmagnetização é periodicamente obrigatório ou meramente preventivo.

Como é que o magnetismo residual afecta o desempenho e a fiabilidade da indução de TC?

O fluxo residual não causa uma falha visível imediata - é um mecanismo de degradação oculto que compromete silenciosamente a fiabilidade do seu sistema de proteção até que o próximo evento de falha o exponha de forma catastrófica. O impacto funciona através de um mecanismo primário: oscilação de fluxo disponível reduzida antes da saturação.

Um núcleo de TC só pode suportar uma variação finita da densidade de fluxo antes de saturar. A oscilação de fluxo total disponível é:
$\Delta B = B_{\text{sat}} - B_{r}$

Se Br já estiver a 70% de Bsat devido ao magnetismo residual, o núcleo tem apenas 30% da sua capacidade de fluxo normal disponível para o próximo transiente de corrente de defeito. Isto significa que o TC satura muito mais cedo do que o seu Fator de Limite de Precisão (ALF) nominal sugeriria, produzindo uma forma de onda de corrente secundária severamente distorcida que os relés de proteção não conseguem interpretar corretamente.

Consequências práticas de um fluxo residual não tratado:

• Relé de distância sub-alcançado: A saída saturada do TC faz com que o relé veja uma impedância aparente mais elevada do que a real, falhando potencialmente o disparo para falhas na zona
• Mau funcionamento da proteção diferencial: A saturação assimétrica entre TCs em lados opostos de uma zona protegida gera uma falsa corrente diferencial, causando disparos indesejados
• Funcionamento retardado do relé de sobreintensidade: A forma de onda secundária distorcida estende o tempo de operação do relé além das curvas de disparo projetadas
• Erros de contagem de energia: Mesmo com correntes de carga normais, um núcleo parcialmente saturado introduz erros de rácio e de ângulo de fase que excedem os limites da classe 0,5

Caso de Cliente - Empreiteiro de Energia, Retrofit de Subestação de 35kV, Médio Oriente: Um empreiteiro de energia que gerenciava uma subestação de 35kV na Arábia Saudita relatou repetidos disparos incômodos em um esquema de proteção diferencial de alimentador após uma falha de barramento nas proximidades. Após consultar a equipa técnica da Bepto, a análise da forma de onda secundária do TC revelou uma saturação assimétrica grave consistente com um elevado fluxo residual em dois dos seis TCs na zona diferencial. Após um procedimento estruturado de desmagnetização em todas as seis unidades, a estabilidade da proteção diferencial foi totalmente restaurada - eliminando três semanas de disparos intermitentes que haviam sido atribuídos erroneamente a ajustes de relés.

Como é que se realiza um procedimento de desmagnetização de campo num transformador de corrente?

O procedimento de desmagnetização funciona conduzindo o núcleo do TC através de circuitos de histerese progressivamente mais pequenos até o fluxo residual convergir para perto de zero. Existem dois métodos de campo aceites - injeção de tensão CA e injeção de corrente CC com inversão - cada um deles adequado a diferentes condições do local e concepções de TC.

Passo 1: Isolar e preparar o circuito de TC

• Desenergizar o circuito primário e confirmar o isolamento com um testador de tensão
• Curto-circuito em todos os núcleos secundários de TC não utilizados antes de começar - os terminais secundários em circuito aberto sob qualquer condição de fluxo residual podem gerar tensões induzidas perigosas
• Desconectar o relé de proteção e a carga de medição dos terminais secundários a desmagnetizar
• Documentar a placa de identificação do TC: rácio nominal, classe de exatidão, tensão do ponto de joelho (Vk) e corrente de magnetização (Imag)

Passo 2: Selecionar o método de desmagnetização

Método	Equipamento necessário	Melhor para	Limitação
Injeção de tensão CA (desmagnetização)	Fonte variável de CA (Variac), amperímetro	Núcleos standard 5P/10P em aço silício	Necessita de acesso a uma fonte de tensão variável
Injeção de corrente DC com inversão	Fonte de alimentação CC, interrutor de inversão, amperímetro	TPY / núcleos com fendas, TCs de alta indutância	Requer uma sequência cuidadosa de inversão de corrente
Analisador de TC dedicado	Analisador de TC com função de desmagnetização incorporada	Todos os tipos de núcleo - mais fiáveis	Custo do equipamento; nem sempre disponível no local

Passo 3: Procedimento de desmagnetização por injeção de CA (método de campo mais comum)

1. Ligar um fonte de tensão alternada variável⁴ (Variac) através dos terminais secundários do TC (S1-S2)
2. Aumentar lentamente a tensão CA a partir de zero até a corrente de magnetização atingir aproximadamente 120-150% da corrente de magnetização nominal no ponto de joelho - isto leva o núcleo à saturação, estabelecendo um ponto de partida conhecido no circuito de histerese
3. Reduzir lenta e continuamente a tensão CA para zero - não parar nem inverter; a redução deve ser suave e ininterrupta durante 30-60 segundos
4. O fluxo do núcleo traça laços de histerese progressivamente mais pequenos, convergindo para uma remanência quase nula à medida que a tensão se aproxima de zero
5. Medir a corrente de magnetização na tensão de teste original - comparar com a linha de base pré-desmagnetização para confirmar a redução do fluxo

Passo 4: Verificar o sucesso da desmagnetização

• Efetuar uma TAC curva de excitação⁵ teste (caraterística V-I) e comparar com a curva de magnetização de fábrica
• Um núcleo desmagnetizado com sucesso apresentará uma corrente de magnetização dentro de ±5% da linha de base de fábrica com a mesma tensão aplicada
• Para os TC de proteção, verificar se a tensão do ponto de joelho (Vk) é restaurada para a especificação da placa de identificação
• Registar todos os resultados dos testes no registo de manutenção da subestação de acordo com os requisitos de entrada em funcionamento da norma IEC 61869-2

Passo 5: Restabelecer os circuitos secundários

1. Voltar a ligar o relé de proteção e a carga de medição na polaridade correta (orientação S1→S2)
2. Remover as ligações secundárias de curto-circuito apenas depois de todas as ligações de carga terem sido confirmadas
3. Reenergizar o circuito primário e monitorizar a saída secundária do TC durante o primeiro ciclo de carga
4. Verificar se as entradas de corrente do relé de proteção correspondem aos valores esperados com base na corrente de carga primária e no rácio do TC

Quais são os erros comuns que causam a falha da desmagnetização em TCs de média tensão?

A desmagnetização é um procedimento de precisão - pequenos erros de execução podem deixar um fluxo residual significativo no núcleo ou, pior ainda, introduzir nova remanência numa polaridade diferente. Estes são os erros de campo mais críticos observados nas operações de manutenção de subestações de média tensão.

Erros críticos a evitar

• Interrupção da redução de tensão a meio do processo: A interrupção da varredura da tensão CA em qualquer nível diferente de zero congela o núcleo num novo ponto de remanência - potencialmente pior do que a condição original. A redução deve ser contínua e ininterrupta até zero.
• Aplicação de uma tensão inicial excessiva: A sobretensão do núcleo para além de 150% de corrente de magnetização do ponto de joelho arrisca-se a provocar tensões no isolamento do enrolamento secundário. Calcular sempre o limite seguro da tensão de injeção antes de começar.
• Desmagnetização com carga secundária ligada: A impedância do relé ligado altera a indutância efectiva do circuito, impedindo o núcleo de completar os loops de histerese completos. Desligar sempre a carga antes do procedimento.
• Saltar a verificação da curva de excitação: A inspeção visual não pode confirmar uma desmagnetização bem sucedida. Apenas um teste de caraterística V-I pós-procedimento em comparação com a curva de fábrica fornece uma confirmação objetiva.
• Ignorar núcleos CT adjacentes em unidades multi-core: Nos TCs de núcleo duplo, a desmagnetização de um núcleo pode induzir alterações de fluxo no núcleo adjacente através do acoplamento magnético. Ambos os núcleos devem ser testados e desmagnetizados sequencialmente.

Lista de controlo pós-procedimento

1. A curva de excitação corresponde à linha de base da fábrica com uma margem de ±5%
2. Reposição da tensão do ponto Knee no valor nominal
3. Marcas de polaridade secundária verificadas antes da reconexão da carga
4. Todas as ligações de curto-circuito removidas após a reconexão da carga
5. Resultados dos ensaios documentados nos registos de manutenção

Conclusão

O fluxo residual no núcleo de um transformador de corrente é uma ameaça silenciosa à fiabilidade que os eventos de falha criam rotineiramente e que as equipas de manutenção ignoram rotineiramente. O procedimento de desmagnetização - seja por varredura de tensão CA ou inversão de corrente CC - restaura a oscilação total do fluxo disponível no núcleo, garantindo que os relés de proteção operem dentro dos limites de precisão projetados quando ocorrer a próxima falha. Para sistemas de distribuição de energia de média tensão onde a confiabilidade da proteção não é negociável, a desmagnetização não é uma ação corretiva - é uma etapa obrigatória de comissionamento pós-falta. Na Bepto Electric, os nossos TCs são fabricados de acordo com a norma IEC 61869-2 com documentação completa da curva de excitação de fábrica, fornecendo à sua equipa de manutenção os dados de base necessários para verificar sempre o sucesso da desmagnetização.

Perguntas frequentes sobre o procedimento de desmagnetização por TC

1. Compreender como os materiais ferromagnéticos retêm o magnetismo através do ciclo de histerese. ↩

2. Definições técnicas de densidade de fluxo e o seu papel no desempenho do núcleo do transformador. ↩

3. Os limites físicos do fluxo magnético que um núcleo de transformador pode suportar antes da saturação. ↩

4. Como os autotransformadores variáveis (Variacs) controlam a tensão para ensaios eléctricos. ↩

5. Um guia para a interpretação das curvas caraterísticas V-I para a saúde dos transformadores de instrumentos. ↩