Como ler e interpretar uma curva de excitação de um transformador de corrente para a saúde do transformador de instrumentos?

A curva de excitação é a assinatura de diagnóstico mais reveladora que um transformador de corrente pode produzir - no entanto, continua a ser um dos testes mais mal interpretados na prática de comissionamento e manutenção de subestações de média tensão. A curva caraterística V-I de um TC codifica a história completa da saúde do seu núcleo magnético: integridade da tensão do ponto de joelho, condição do fluxo residual, degradação do isolamento e indicadores de falha de rotação a rotação - tudo visível para um engenheiro que sabe como ler a forma. Para os engenheiros electrotécnicos, especialistas em relés de proteção e gestores de compras que especificam transformadores de instrumentos para sistemas de distribuição de energia, dominar a interpretação da curva de excitação é a diferença entre detetar um TC avariado antes que este comprometa um esquema de proteção e descobrir o problema apenas após um mau funcionamento catastrófico. Este artigo apresenta a física por detrás da curva, o procedimento de teste passo a passo e os padrões de diagnóstico que revelam exatamente o que está a acontecer no interior do núcleo do seu TC.

Índice

• O que é uma curva de excitação de um transformador de corrente e o que ela mede?
• Como interpretar as principais caraterísticas de uma curva caraterística V-I de um TC?
• Como é que se realiza um teste de excitação de TC no terreno para aplicações de média tensão?
• O que é que os padrões anormais das curvas de excitação revelam sobre o estado e a fiabilidade dos TC?

O que é uma curva de excitação de um transformador de corrente e o que ela mede?

A curva de excitação - formalmente designada por curva caraterística V-I ou curva de magnetização - é uma representação gráfica da relação entre a tensão aplicada a um enrolamento secundário de um TC e a corrente de magnetização resultante absorvida pelo núcleo, com o circuito primário aberto. É medida inteiramente a partir dos terminais secundários, tornando-a num dos testes de diagnóstico mais seguros e acessíveis disponíveis no terreno.

A física por detrás da curva está enraizada na histerese b-h¹ comportamento. Quando a tensão alternada é aplicada ao enrolamento secundário, ela conduz um fluxo magnético no núcleo proporcional à tensão aplicada (por lei de faraday²: $V = N \times \frac{d\Phi}{dt}$). A corrente de magnetização necessária para sustentar esse fluxo é determinada pela permeabilidade magnética do núcleo nesse ponto de funcionamento. À medida que a tensão aplicada aumenta, o núcleo satura progressivamente, a permeabilidade cai drasticamente e a corrente de magnetização aumenta abruptamente - produzindo a forma de joelho caraterística que define todas as curvas de excitação do TC.

Parâmetros-chave codificados na curva de excitação:

• Tensão do ponto Knee (Vk): A tensão à qual um aumento de 10% na tensão aplicada produz um aumento de 50% na corrente de magnetização - o limite crítico entre o funcionamento linear e o funcionamento saturado do núcleo, de acordo com a norma IEC 61869-2
• Corrente de magnetização a Vk (Imag): Define a carga de corrente de excitação do TC; tem um impacto direto na precisão do rácio e do ângulo de fase em correntes primárias baixas
• Inclinação da curva na região linear: Reflecte a permeabilidade do núcleo e a qualidade do material - um declive mais acentuado indica uma maior permeabilidade do aço silício de grão orientado
• Comportamento de saturação acima de Vk: A taxa de aumento de corrente acima do ponto de joelho determina a rapidez com que o TC satura sob transientes de corrente de defeito

Parâmetro	Definição	Referência IEC 61869-2	Importância para a engenharia
Tensão do ponto Knee (Vk)	10% ΔV → 50% ΔI ponto de cruzamento	Cláusula 5.6.201	O Vk mínimo determina a adequação do TC de proteção
Corrente de magnetização (Imag)	Corrente RMS em Vk	Cláusula 5.6.201	Alta Imag = degradação da precisão a baixas correntes
Densidade do fluxo de saturação (Bsat)	Fluxo máximo do núcleo antes da saturação total	Especificação do material	Determina a oscilação de fluxo disponível para transientes de defeito
Fator de Remanescência (Kr)	Rácio Br/Bsat	IEC 61869-2 TPY/TPZ	Determina a suscetibilidade do fluxo residual
Resistência do enrolamento secundário (Rct)	Resistência DC do enrolamento secundário	Cláusula 5.6.201	Utilizado em cálculos de dimensionamento de TC de proteção

A curva de excitação é a base de todas as avaliações de saúde dos TCs - desde os testes de aceitação de fábrica até aos diagnósticos de campo pós-falha. Sem uma curva de base de fábrica em arquivo, o teste de comparação de campo perde a maior parte do seu valor de diagnóstico, razão pela qual a Bepto Electric fornece documentação completa da curva de excitação com cada envio de TC.

Como interpretar as principais caraterísticas de uma curva caraterística V-I de um TC?

A leitura correta de uma curva de excitação de um TC requer a compreensão de três regiões distintas do gráfico e o que cada região revela sobre o estado do núcleo e o desempenho da proteção. A curva é quase sempre traçada numa escala logarítmica para comprimir a ampla gama dinâmica da tensão e da corrente num formato legível.

Região 1 - A região linear (abaixo da ponta do joelho) Nesta região, o núcleo funciona dentro da sua gama de permeabilidade linear. A tensão aplicada e a corrente de magnetização aumentam proporcionalmente, produzindo uma linha reta no gráfico log-log. A inclinação desta linha reflecte a qualidade do material do núcleo:

• Uma região linear acentuada e bem definida indica uma permeabilidade elevada aço ao silício de grão orientado³ em bom estado
• Um declive pouco profundo ou irregular sugere degradação do núcleo, curtos de inter-laminação ou contaminação

Região 2 - A ponta do joelho O ponto de joelho é a caraterística individual mais importante para o diagnóstico da curva de excitação. De acordo com a norma IEC 61869-2, é definido como o ponto em que a tangente à curva faz um ângulo de 45° com o eixo horizontal num gráfico log-log - equivalentemente, onde um aumento de tensão de 10% produz um aumento de corrente de 50%.

• Vk deve atingir ou exceder o valor mínimo especificado na fórmula de dimensionamento do TC de proteção: $V_k \geq I_f \times (R_{ct} + R_{\text{burden}}) \times ALF$
• Um ponto de joelho que se deslocou para baixo em comparação com a curva de fábrica indica degradação do núcleo ou fluxo residual
• Um ponto de joelho que aparece a uma corrente mais elevada do que a linha de base de fábrica sugere curtos-circuitos entre espiras

Região 3 - A região de saturação (acima da altura do joelho) Acima do ponto de joelho, a curva curva-se acentuadamente para cima à medida que o núcleo satura e a corrente de magnetização aumenta acentuadamente para pequenos incrementos de tensão. A forma desta região de saturação revela:

• Curva de saturação gradual: Núcleo saudável com comportamento esperado do aço silício
• Saturação abrupta e quase vertical: Possíveis danos no núcleo ou condição de fluxo residual grave
• Lombas irregulares ou pontos de inflexão: Indicador forte de defeitos de enrolamento de volta a volta ou curtos-circuitos de inter-laminação

Comparação da curva de excitação de TC saudável vs. degradada

Caraterística da curva	CT saudável	Fluxo residual presente	Defeito de viragem	Degradação do núcleo
Declive da região linear	Consistente, íngreme	Redução da inclinação	Irregular, deslocado	Pouco profundo, incoerente
Tensão do ponto Knee	Corresponde à fábrica Vk	Deslocado para baixo	Corrente mais elevada em Vk	Redução significativa
Início da saturação	Gradual acima de Vk	Saturação prematura	Transição abrupta	Precoce, irregular
Corrente de magnetização a Vk	Corresponde à imagem de fábrica	Semelhante à fábrica	Superior ao de fábrica	Significativamente mais elevado

Caso de cliente - Engenheiro de serviços públicos centrado na qualidade, subestação de 110kV, Norte de África: Um engenheiro de serviços públicos em Marrocos, responsável pela colocação em funcionamento de uma nova extensão de subestação de 110kV, recebeu um lote de doze TC de proteção de um fornecedor anterior. Durante os testes de aceitação na fábrica, três unidades apresentaram tensões de joelho 22-35% abaixo do mínimo especificado - um defeito invisível sem testes de curva de excitação. O engenheiro contactou a Bepto Electric e as nossas unidades de substituição foram enviadas com documentação completa da curva de excitação, de acordo com as especificações IEC 61869-2 Classe 5P20. O comissionamento pós-instalação confirmou que todas as doze posições atendiam aos requisitos de dimensionamento do esquema de proteção - evitando o que poderia ter sido uma condição sistemática de sub-alcance da proteção em toda uma seção da subestação.

Como é que se realiza um teste de excitação de TC no terreno para aplicações de média tensão?

O teste de excitação é realizado a partir dos terminais secundários do TC com o circuito primário aberto - tornando-o executável durante interrupções planeadas sem acesso ao circuito primário. O procedimento é padronizado pela IEC 61869-2 e IEEE C57.13.1, com pequenas variações de procedimento entre as duas normas.

Passo 1: Isolar e preparar a TC

• Confirmar se o circuito primário está desenergizado e isolado - verificar com um testador de tensão aprovado
• Abrir todas as ligações da carga secundária (desligar relés, contadores e cablagem) - o ensaio deve ser efectuado apenas no enrolamento secundário nu
• Curto-circuitar quaisquer núcleos secundários não utilizados em TCs multi-core para evitar riscos de tensão induzida
• Registar os dados da placa de identificação do TC: rácio, classe de precisão, Vk nominal, Imag nominal, Rct e ALF

Passo 2: Selecionar o equipamento de teste

• Preferencialmente: Analisador de TC dedicado (por exemplo, Megger MRCT, Omicron CT Analyzer) - traça automaticamente a curva de excitação completa e calcula Vk de acordo com a definição da norma IEC 61869-2
• Alternativa: Fonte de tensão CA variável (Variac) + voltímetro true-RMS + amperímetro true-RMS - traçado manual de curvas ponto a ponto
• Assegurar que a gama de tensões do equipamento de ensaio cobre pelo menos 120% do valor Vk esperado
• Confirmar que a gama do amperímetro abrange desde 1mA (região linear de baixa corrente) até, pelo menos, 5× a Imag nominal

Passo 3: Executar o teste de excitação

1. Ligar a fonte de tensão de ensaio aos terminais secundários S1-S2
2. Começar do zero, aumentar a tensão aplicada em pequenos incrementos - passos sugeridos: 10% de Vk esperado até 50% Vk, depois 5% passos de 50% a 110% Vk, depois 2% passos à volta da região do ponto do joelho
3. Registar a tensão aplicada (V) e a corrente de magnetização (I) em cada passo - permitir 3-5 segundos de estabilização por ponto
4. Continuar a aumentar a tensão até se observar um claro comportamento de saturação (a corrente aumenta acentuadamente com um aumento mínimo da tensão)
5. Reduzir lentamente a tensão até zero - isto também serve como uma etapa de desmagnetização parcial
6. Trace V no eixo Y e I no eixo X numa escala logarítmica

Passo 4: Determinar a tensão do ponto Knee

• Utilizando a curva traçada, localizar o ponto onde o ângulo tangente é igual a 45° no gráfico log-log
• Para analisadores automáticos de TC, o instrumento calcula Vk diretamente de acordo com a norma IEC 61869-2, cláusula 5.6.201
• Comparar o Vk medido com: o valor de referência de fábrica, a especificação da placa de identificação e o requisito mínimo de Vk do esquema de proteção

Etapa 5: Documentar e comparar resultados

• Registar: Vk medido, Imag a Vk, Rct (medição da resistência DC) e tabela completa de dados V-I
• Comparar com a curva de excitação de fábrica - desvios >10% em Vk ou >20% em Imag justificam uma investigação mais aprofundada
• Para os TC de proteção, verificar: Vk ≥ If(max) × (Rct + Rburden) de acordo com o dimensionamento da norma IEC 61869-2

Considerações sobre o teste de excitação específico da aplicação

• Painéis de comutação industrial: Testar durante as janelas de manutenção programadas; documentar as curvas de base na entrada em funcionamento para comparação futura
• TCs de proteção da rede eléctrica: Ensaio obrigatório de excitação pós-falha após qualquer corrente de defeito que exceda 10 × a corrente primária nominal
• Zonas de proteção diferencial da subestação: Teste todos os TCs na zona diferencial em simultâneo; compare as curvas quanto à simetria - as curvas assimétricas indicam caraterísticas de TCs não compatíveis que podem causar uma falsa corrente diferencial
• TCs de ligação à rede de parques solares: Verificar a adequação de Vk para a contribuição da corrente de defeito do inversor, que pode ter componentes de desvio CC significativos

O que é que os padrões anormais das curvas de excitação revelam sobre o estado e a fiabilidade dos TC?

Os padrões anormais da curva de excitação são a forma de o TC comunicar modos de falha internos específicos. Cada tipo de defeito produz uma assinatura de curva caraterística que um engenheiro experiente pode identificar e diagnosticar sem desmontar a unidade.

Guia de reconhecimento de padrões de diagnóstico

Padrão 1 - Tensão do ponto Knee deslocada para baixo (Vk reduzida vs. fábrica)

• Causa primária: Fluxo residual de um defeito anterior ou de um evento de circuito aberto
• Causa secundária: Danos na laminação do núcleo devido a choques mecânicos ou manuseamento incorreto
• Ação: Efetuar um procedimento de desmagnetização total; voltar a testar a curva de excitação; se Vk permanecer baixo após a desmagnetização, o TC necessita de ser substituído

Padrão 2 - Corrente de magnetização superior à linha de base de fábrica com a mesma tensão

• Causa principal: Curto-circuito entre espiras no enrolamento secundário - as espiras em curto-circuito reduzem o número efetivo de espiras, aumentando a necessidade de corrente de magnetização
• Causa secundária: perdas por correntes de Foucault⁴ no núcleo, aumentando as perdas por correntes de Foucault
• Ação: Medir a resistência CC do enrolamento secundário (Rct) - Rct reduzida confirma curtos-circuitos; o TC necessita de ser substituído

Padrão 3 - Pontos de inflexão irregulares ou lombas na região linear

• Causa principal: Falhas múltiplas de volta a volta criando múltiplos caminhos de circuito magnético com diferentes caraterísticas de saturação
• Causa secundária: Danos mecânicos no núcleo que criam uma distribuição não uniforme do fluxo
• Ação: O TC não é fiável para o serviço de proteção - retirar imediatamente de serviço

Padrão 4 - Curva deslocada uniformemente para cima (é necessária uma tensão mais elevada para a mesma corrente)

• Causa principal: Aumento da resistência do enrolamento devido a corrosão da ligação ou falha parcial do condutor
• Causa secundária: Erro de medição - verificar a resistência do cabo de teste e a qualidade da ligação antes de concluir
• Ação: Medir a Rct; inspecionar as ligações dos terminais secundários; limpar ou substituir os terminais corroídos

Erros comuns de campo no ensaio de curvas de excitação

• Utilização de um voltímetro de resposta média em vez de um verdadeiro RMS: O conteúdo harmónico na forma de onda da corrente de magnetização perto da saturação provoca erros de leitura significativos com instrumentos de resposta média - utilize sempre verdadeiro-RMS⁵ contadores
• Teste com a carga secundária ainda ligada: A impedância ligada adiciona à tensão medida, deslocando o ponto de joelho aparente para mais alto e ocultando a degradação real do núcleo
• Gama de tensão insuficiente: A interrupção do ensaio antes de atingir uma saturação clara impede a identificação exacta do ponto de joelho - ensaie sempre até, pelo menos, 120% da Vk
• Comparação de um ponto em vez de uma curva completa: A comparação apenas do valor do ponto do joelho perde a informação de diagnóstico codificada na forma da curva - comparar sempre a caraterística V-I completa com a linha de base de fábrica

Conclusão

A curva de excitação do TC é o diagnóstico de teste único mais abrangente disponível para a avaliação do estado do transformador de corrente em sistemas de distribuição de energia de média tensão. Desde a integridade da tensão no ponto de joelho até à deteção de avarias de curva para curva, identificação do fluxo residual e monitorização da degradação do núcleo, todos os indicadores críticos de fiabilidade estão codificados na forma caraterística V-I. Para os engenheiros de proteção e para as equipas de manutenção responsáveis pela fiabilidade da subestação, estabelecer curvas de excitação de base de fábrica no comissionamento e compará-las sistematicamente após cada evento de falha significativo não é a melhor prática - é o padrão mínimo para um sistema de proteção em que se pode confiar. Na Bepto Electric, cada TC é fornecido com um certificado completo de curva de excitação de fábrica de acordo com a norma IEC 61869-2, dando à sua equipa a base de diagnóstico que torna a avaliação do estado do campo significativa desde o primeiro dia.

Perguntas frequentes sobre a interpretação da curva de excitação por TC

1. Explicação técnica do comportamento do núcleo magnético e da perda de energia durante os ciclos. ↩

2. Princípios científicos que explicam como a tensão é induzida nos enrolamentos do transformador. ↩

3. Propriedades da ciência dos materiais que determinam a eficiência e a permeabilidade dos núcleos dos transformadores. ↩

4. Compreender as correntes circulantes que provocam perdas de calor e de eficiência nos núcleos de ferro. ↩

5. Comparação de métodos de medição de formas de onda eléctrica não lineares ou distorcidas. ↩