Guia de cálculo da carga do transformador de instrumentos para sistemas de proteção de média tensão

Introdução

O cálculo da carga é uma das tarefas de engenharia mais frequentemente mal compreendidas - e mais consequentes - na conceção de sistemas de proteção de média tensão. Cada dispositivo ligado a um circuito secundário de um TC ou TP adiciona impedância e, quando a carga total excede o VA nominal do transformador, a precisão diminui, os núcleos saturam e os relés de proteção recebem sinais distorcidos que podem causar erros de funcionamento perigosos.

A resposta direta: a carga do transformador de medida é a carga total Volt-Amp imposta ao circuito secundário e deve permanecer sempre dentro da carga nominal do transformador para garantir a conformidade com a classe de precisão e a deteção fiável de falhas.

Para os engenheiros eléctricos e empreiteiros EPC que especificam o quadro de distribuição de MT, enganar-se na carga não é um problema menor de calibração - é uma falha de fiabilidade ao nível do sistema à espera de acontecer. Este guia apresenta a metodologia completa de cálculo da carga, as armadilhas comuns e os critérios de seleção para garantir que as suas instalações de TC e TP funcionam exatamente como foram concebidas.

Índice

• O que é a carga do transformador de instrumentos e como é definida?
• Como calcular os encargos com CT e VT passo a passo?
• Como é que a carga afecta a classe de precisão e o desempenho de proteção do TC?
• Quais são os erros de cálculo de carga mais comuns nos sistemas de MT?

O que é a carga do transformador de instrumentos e como é definida?

A carga é a impedância externa total - expressa em Volt-Amps (VA) ou Ohms (Ω) - ligado aos terminais secundários de um transformador de instrumentos. Representa a soma de todas as cargas que o transformador deve acionar enquanto mantém a sua precisão nominal. Para um TC, isto inclui todos os dispositivos e condutores no circuito secundário. Para um TP, inclui todos os equipamentos de medição e proteção ligados em paralelo.

A compreensão do fardo começa com a compreensão das duas formas de o expressar:

• Carga de VA: Potência aparente total consumida pelo circuito secundário à corrente ou tensão secundária nominal
• Carga de impedância (Ω): Resistência e reactância totais do circuito secundário, utilizadas em cálculos pormenorizados

Principais parâmetros técnicos que regem a carga de TC por IEC 61869-2¹:

• Fardo classificado: O VA máximo que o TC pode fornecer mantendo a classe de precisão declarada (por exemplo, 15VA, 30VA)
• Classificado corrente secundária²: Valores padrão de 1A ou 5A - a impedância da carga é escalonada com o quadrado deste valor
• Classe de precisão: 0,2, 0,5 para medição; 5P, 10P para proteção - cada um tem uma gama de carga definida
• Fator de potência da carga: Tipicamente 0,8 de desfasamento para a classe de proteção; 1,0 para cargas resistivas
• Fator limite de precisão nominal (ALF³): Inversamente proporcional ao encargo efetivo - aumenta à medida que o encargo diminui
• Nível de isolamento: Classe 12kV / 24kV / 36kV para aplicações de média tensão
• Classificação térmica de corrente contínua: ≥1,2× corrente primária nominal
• Distância de fuga: ≥25mm/kV para ambientes interiores normalizados (IEC 60815)

Um ponto essencial, mas frequentemente ignorado: o ónus não é resolvido apenas pelo relé. A resistência secundária do cabo, a resistência do contacto do terminal e a impedância combinada de todos os dispositivos ligados em série contribuem. Ignorar a carga do cabo é a causa mais comum de violações da classe de precisão em instalações de campo.

Como calcular os encargos com CT e VT passo a passo?

O cálculo dos encargos segue um processo estruturado. Eis a metodologia completa utilizada para os circuitos de proteção de MT e de TC de medição.

Passo 1: Listar todos os dispositivos de circuito secundário

Identificar todos os dispositivos ligados no circuito secundário de TC:

• Relé de proteção (distância, sobreintensidade, diferencial)
• Contador de energia ou analisador de qualidade de energia
• Transdutor ou transmissor
• Amperímetro (se aplicável)
• TC de interposição (se aplicável)

Passo 2: Obter a classificação VA ou de impedância para cada dispositivo

Cada fabricante de dispositivos fornece um valor de carga à corrente secundária nominal. Converter todos os valores para impedância (Ω) utilizando:

$Z = \frac{VA}{I_s^2}$

Onde $I_s$ é a corrente secundária nominal (1A ou 5A).

Exemplo - circuito secundário de 5A:

Dispositivo	Carga nominal (VA)	Impedância (Ω)
Relé de proteção de distância	1.0 VA	0.040 Ω
Relé de sobrecorrente	0,5 VA	0.020 Ω
Contador de energia	1,5 VA	0.060 Ω
Cabo secundário (2× 30m, 2,5mm²)	—	0.432 Ω
Resistência do contacto do terminal	—	0.010 Ω
Encargos totais	—	0.562 Ω

Converter a impedância total de volta para VA: $VA_{total} = Z_{total} \times I_s^2 = 0,562 \times 25 = 14,05\ VA$

Etapa 3: Calcular a carga de cabos

A resistência do cabo é calculada como:

$R_{cable} = \frac{2 \times L \times \rho}{A}$

Onde:

• $L$ = comprimento do cabo unidirecional (metros)
• $rho$= resistividade do cobre =$0,0172\ \Omega \cdot mm^2/m$
• $A$ = área da secção transversal do cabo (mm²)

Para um percurso unidirecional de 30 m com cobre de 2,5 mm²: $R_{cabo} = \frac{2 \times 30 \times 0.0172}{2.5} = 0,413\ \Omega$

Etapa 4: Verificação do ónus classificado

A carga total calculada deve satisfazer: $VA_{atual} \leq VA_{rated}$

Se a carga real exceder a carga nominal, as opções incluem:

• Aumentar a secção transversal do cabo (reduz a carga de resistência)
• Especificar um TC de carga de classificação mais elevada
• Reduzir o número de dispositivos ligados em série
• Mudança de 5A para 1A secundário (reduz a carga do cabo por um fator de 25)

Etapa 5: Verificar o ALF efetivo

O ALF real muda com a carga. A relação de acordo com a norma IEC 61869-2 é:

$ALF_{atual} = ALF_{rated} \times \frac{VA_{rated} + VA_{internal}}{VA_{atual} + VA_{interno}}$

Onde $VA_{interno}$ é a carga do enrolamento interno do TC (da folha de dados). Este passo é fundamental para proteção à distância⁴ e aplicações de proteção diferencial.

Comparação do cálculo da carga de CT vs VT

Parâmetro	Cálculo da carga de CT	Cálculo dos encargos com o IVA
Topologia de circuitos	Laço de série	Ligação em paralelo
Expressão de encargos	VA ou Ω (impedância em série)	VA ou Ω (impedância paralela)
Impacto do cabo	Alta resistência em série adiciona diretamente	Baixa - predominam as cargas paralelas
Norma secundária	1A ou 5A	100V ou 110V
Risco principal	Saturação do núcleo por excesso de carga	Queda de tensão e perda de precisão
Norma de Direção	IEC 61869-2	IEC 61869-3

Caso de Cliente - Erro de cálculo de carga num painel de proteção de um alimentador de 33kV:
Um gestor de aprovisionamento de uma empresa EPC no Norte de África contactou-nos depois de o seu sistema de proteção de alimentador de 33kV recentemente colocado em funcionamento ter apresentado erros de precisão persistentes na medição de energia - as leituras eram consistentemente 3-4% baixas. A investigação revelou que o percurso do cabo secundário era de 45 metros (mais longo do que o projeto original que previa 20 metros), adicionando 0,62Ω de carga de resistência não contabilizada. O TC instalado tinha uma potência nominal de 15VA, mas a carga real atingiu 22VA, empurrando o TC para fora da sua classe de precisão de 0,5. A Bepto forneceu um TC de substituição de 30VA com especificações adequadas, e a precisão da medição voltou a ser de 0,2% - bem dentro dos requisitos da classe de faturação.

Como é que a carga afecta a classe de precisão e o desempenho de proteção do TC?

A relação entre a carga e o desempenho do TC não é linear - é um efeito de limiar. Dentro da carga nominal, o TC mantém a sua classe de precisão declarada. Para além da carga nominal, os erros agravam-se rapidamente e em condições de falha, saturação do núcleo⁵ ocorre mais cedo do que o previsto na especificação ALF.

No que respeita especificamente à proteção à distância, isto tem consequências operacionais diretas:

• Subcarga: Aumento efetivo do ALF - geralmente benéfico, mas a impedância de entrada do relé tem de ser cumprida
• Com carga nominal: O TC funciona exatamente de acordo com a especificação da classe de precisão
• Sobrecarga (classificação 110-150%): O erro composto excede o limite da classe; a leitura do contador é incorrecta
• Sobrecarga grave (>150% classificados): O núcleo satura durante as condições de falha; o relé de proteção recebe uma forma de onda cortada; o cálculo da impedância falha; o relé de distância pode não disparar Zona 1

Impacto na fiabilidade da proteção por nível de sobrecarga

Nível de encargos	Precisão da medição	Proteção CT Comportamento	Resposta do relé de distância
<80% Classificado	Dentro da classe	ALF efetivamente mais elevado	Viagem fiável da Zona 1
80-100% Classificado	Dentro da classe	Por especificação	Viagem fiável da Zona 1
100-130% Classificado	Erro marginal	Redução das ALF efectivas	Possível atraso da Zona 1
>150% Classificado	Erro significativo	Saturação precoce	Risco de funcionamento incorreto

A recomendação prática para aplicações críticas em termos de proteção: projeto para 75-80% da carga nominal máxima, A resistência do cabo é a mesma que a do relé, preservando a margem para futuras adições de relés ou reencaminhamento de cabos que aumentem a resistência.

Caso de um cliente - Erro de funcionamento da proteção devido a um excesso de carga:
Um empreiteiro de serviços de energia no Sudeste Asiático informou que um relé de distância de linha aérea de 22kV estava a falhar consistentemente na eliminação de defeitos próximos dentro do tempo da Zona 1, passando para a Zona 2 (atraso de 400ms). Uma análise detalhada do comissionamento revelou que o circuito secundário do TC incluía três relés, um transdutor e um cabo de 38 metros - carga total de 28VA contra um TC de 15VA. O TC estava a saturar a cerca de 8× a corrente nominal, muito abaixo da capacidade implícita de 20× da especificação 5P20 à carga nominal. A substituição por TCs Bepto 5P20 30VA resolveu completamente o problema de temporização da Zona 1.

Quais são os erros de cálculo de carga mais comuns nos sistemas de MT?

Lista de verificação de instalação e colocação em funcionamento

1. Medir o comprimento real do cabo - nunca utilizar estimativas de desenhos de projeto para o cálculo dos encargos
2. Medir a resistência do condutor com um ohmímetro de baixa resistência antes da energização
3. Verificar a carga real de entrada de cada relé da ficha de dados do fabricante - não de resumos de catálogos
4. Calcular a carga total à corrente secundária nominal antes de especificar a classificação VA do TC
5. Realizar o ensaio de injeção secundária para verificar o rácio, a polaridade e a exatidão do TC na entrada em funcionamento
6. Documentar a carga as-built para futura referência de manutenção

Erros comuns que comprometem a fiabilidade

• Ignorar o peso dos cabos: Em circuitos secundários de 5A, um cabo de 30m pode contribuir com 8-15VA - excedendo frequentemente a carga do relé
• Mistura de dispositivos 1A e 5A: Ligar um relé de 5A a um secundário de TC de 1A provoca uma sobrecarga grave e danos potenciais no relé
• Partindo do princípio de que a carga de retransmissão é igual à carga total: O esquecimento de medidores, transdutores e resistências terminais é extremamente comum
• Não recalcular o ALF após alterações dos encargos: Adicionar um relé durante uma atualização do sistema sem verificar novamente o ALF efetivo é um risco de proteção oculto
• Utilizar o método de cálculo do ónus do TP para os TC: Topologia série vs. paralela - a abordagem de cálculo é fundamentalmente diferente
• Negligenciar os efeitos da temperatura: A resistência do cobre aumenta cerca de 0,4% por cada °C - em instalações com elevada temperatura ambiente, a carga do cabo a 60°C é mensuravelmente mais elevada do que a 20°C

Conclusão

O cálculo preciso da carga não é um refinamento opcional de engenharia - é um requisito fundamental para a conformidade com a classe de precisão do transformador de instrumentos e para a fiabilidade do sistema de proteção na distribuição de energia de média tensão. A principal conclusão: calcular sempre a carga secundária total, incluindo a resistência do cabo, verificar o ALF efetivo para aplicações de proteção e projetar para um máximo de 75-80% da carga nominal do TC para manter uma deteção de falhas fiável. Na Bepto Electric, cada TC que fornecemos inclui especificações completas de carga na folha de dados e valores de resistência do enrolamento interno - dando à sua equipa de engenharia tudo o que é necessário para efetuar cálculos de carga precisos desde o primeiro dia.

Perguntas frequentes sobre o cálculo da carga do transformador de instrumentos

1. Saiba mais sobre a norma internacional que rege os requisitos dos transformadores de corrente ↩

2. Compreender de que forma a seleção dos níveis de saída secundários afecta a carga do sistema ↩

3. Identificar a forma como os limites de saturação afectam a precisão dos transformadores de proteção ↩

4. Explorar a forma como a impedância calculada identifica a localização de falhas nas linhas de distribuição ↩

5. Evitar a distorção do sinal causada por limitações magnéticas do núcleo do transformador ↩