Cálculo da carga secundária do transformador de corrente

Introdução

Nos sistemas de proteção de média tensão, mesmo um transformador de corrente perfeitamente especificado pode não fornecer sinais de falha confiáveis se a carga secundária for mal calculada. A carga secundária - a impedância total conectada aos terminais secundários do TC - determina diretamente se o TC mantém a precisão durante as condições de falha ou se satura e envia sinais corrompidos aos relés de proteção. Para os engenheiros elétricos que projetam esquemas de proteção de média tensão e para os gerentes de compras que adquirem TCs para subestações industriais ou alimentadores de redes elétricas, um cálculo incorreto da carga é um dos erros de especificação mais comuns e mais consequentes no campo. Este guia fornece uma metodologia estruturada de nível de engenharia para calcular a carga secundária do TC, abrangendo todos os componentes de resistência no circuito secundário e traduzindo esse cálculo em uma especificação correta do TC de acordo com a norma IEC 61869-2.

Índice

• O que é a carga secundária de CT e o que ela inclui?
• Como calcular o ônus secundário total passo a passo?
• Como a carga secundária afeta a seleção de TCs para proteção de VM?
• Quais são os erros mais comuns de cálculo de carga em circuitos de proteção?

O que é a carga secundária de CT e o que ela inclui?

O ônus secundário da TC é o impedância total (expressa em VA ou Ω) apresentada ao enrolamento secundário do TC por todos os dispositivos e condutores conectados no loop secundário. Não se trata apenas da impedância da bobina do relé - é a soma de todos os elementos resistivos e reativos pelos quais a corrente secundária deve passar.

Por IEC 61869-2¹, Em um CT de proteção, a carga nominal (Sₙ) é definida na corrente secundária nominal (normalmente 1A ou 5A) e no fator de potência nominal (normalmente cos φ = 0,8). O TC deve manter sua classe de precisão até esse valor de carga. Se esse valor for ultrapassado, o ALF efetivo cairá - potencialmente abaixo do requisito de nível de falha do sistema.

Componentes da carga secundária de CT

A carga secundária total compreende quatro elementos distintos:

• Carga de retransmissão (S_relay): O consumo de VA de todos os relés de proteção conectados - sobrecorrente, falta à terra, diferencial, distância. Moderno relés de proteção numérica² normalmente consomem 0,1-0,5VA por fase; os relés eletromecânicos podem consumir de 3 a 10VA
• Carga de cabos (R_cable): Resistência da fiação secundária entre os terminais do TC e o painel do relé - geralmente o maior componente de carga individual em instalações de campo
• Bloco de terminais e resistência de conexão (R_terminal): Pequena, mas não negligenciável em cadeias secundárias longas; normalmente 0,01-0,05Ω por par de blocos de terminais
• Resistência do enrolamento secundário do TC (R_ct): Resistência do enrolamento interno do próprio TC - não faz parte da carga externa, mas é essencial para o cálculo do ALF; medida a 75 °C de acordo com a norma IEC

Principais especificações técnicas a serem confirmadas

• Corrente secundária nominal: 1A ou 5A - essa escolha afeta drasticamente a carga do cabo (o secundário de 5A produz 25 vezes mais queda de tensão no cabo do que o de 1A para a mesma resistência)
• Sistema de isolamento: Fundição de resina epóxi, classificada como 12kV / 24kV / 36kV de acordo com a IEC 61869
• Classe de precisão: 5P ou 10P para circuitos de proteção
• Faixa de carga nominal: Valores padrão - 2,5VA, 5VA, 10VA, 15VA, 30VA
• Temperatura operacional: Classe E (120°C) ou Classe F (155°C) - afeta o fator de correção Rct

Como calcular o ônus secundário total passo a passo?

Um cálculo rigoroso da carga secundária segue um processo de quatro etapas. Cada etapa deve ser concluída antes que a especificação do TC seja finalizada - pular qualquer etapa introduz o risco de subespecificação.

Etapa 1: Determinar a carga do relé

Obtenha o consumo de VA das folhas de dados do fabricante do relé para cada dispositivo conectado:

$S_{relay} = \sum_{i=1}^{n} S_{relay,i}$

Converta VA em resistência na corrente secundária nominal:

$R_{relay} = \frac{S_{relay}}{I_{2n}^2}$

Exemplo: Relé de sobrecorrente numérico = 0,3VA, relé de falha de aterramento = 0,2VA, total = 0,5VA
Em I₂ₙ = 5A: $R_{relay} = \frac{0,5}{25} = 0,02 , \Omega$
Em I₂ₙ = 1A: $R_{relay} = \frac{0.5}{1} = 0.5 , \Omega$

Etapa 2: Calcular a resistência do cabo

Essa é a etapa de cálculo mais crítica, especialmente para instalações em que os TCs estão localizados longe dos painéis de relés:

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

Onde:

• $L$ = comprimento do cabo unidirecional (metros)
• $\rho$ = resistividade do cobre³ = 0,0175 Ω-mm²/m (a 20°C)
• $A$ = área da seção transversal do cabo (mm²)
• Fator 2 é responsável pelos condutores de saída e de retorno

Correção de temperatura até 75°C:

$R_{cabo,75} = R_{cabo,20} \times [1 + 0,00393 \times (75 - 20)]$

$R_{cabo,75} = R_{cabo,20} \times 1.216$

Exemplo: Cabo de 30 m, cobre de 2,5 mm²:
$R_{cable,20} = \frac{2 \times 30 \times 0.0175}{2.5} = 0,42 , \Omega$
$R_{cable,75} = 0,42 \times 1,216 = 0,511 , \Omega$

Etapa 3: Adicionar resistência do terminal e da conexão

Para um circuito secundário típico com 6 pares de blocos de terminais:

$R_{terminal} = 6 \times 0.03 = 0.18 , \Omega$

Etapa 4: Soma do ônus externo total

$R_{burden,total} = R_{relay} + R_{cable,75} + R_{terminal}$

$R_{burden,total} = 0,02 + 0,511 + 0,018 = 0,549 , \Omega$

Converta para VA na corrente secundária nominal:

$S_{burden,total} = R_{burden,total} \times I_{2n}^2 = 0,549 \times 25 = 13,7 , VA$

→ Especifique a carga nominal do TC ≥ 15VA (próximo valor padrão acima de 13,7VA)

Comparação de ônus: 1A vs. 5A Secundário

Parâmetro	1A Secundário	5A Secundário
Resistência do cabo Impacto	Baixo (efeito I² mínimo)	Alta (25× mais perda de VA)
Carga de relés (VA→Ω)	Maior Ω por VA	Menor Ω por VA
Passagem de cabo recomendada	Até 100 m prático	O ideal é manter abaixo de 30 m
Classificação de ônus padrão	2,5VA-15VA típico	10VA-30VA típico
Tamanho do núcleo	Menor	Maior
Aplicativo	Instalações remotas, longas extensões de cabos	Instalações de painéis locais

A principal conclusão: Para instalações de TCs a mais de 20 metros do painel de relés, É altamente recomendável o ensino médio de 1A - A carga do cabo em 5A secundário pode consumir todo o VA nominal antes mesmo de o relé receber um sinal.

Caso de cliente - Empreiteira EPC de rede elétrica, subestação de 33kV:
Uma empreiteira de EPC no sul da Ásia especificou TCs secundários de 5A para uma subestação externa de 33kV em que as caixas de triagem de TCs estavam localizadas a 45 metros do painel do relé principal. O cálculo inicial da carga (somente o relé) mostrou 8VA - bem dentro da carga nominal de 15VA. No entanto, o engenheiro de aplicação da Bepto recalculou incluindo a resistência do cabo: 45m × 2,5mm² de cobre a 75°C adicionados 1,23Ω = 30,7VA para a carga. A carga total excedeu 38VA - mais do que o dobro da classificação do TC. A especificação foi revisada para TCs secundários 1A com classificação de carga de 15VA, resolvendo o problema antes da fabricação. Esse único cálculo evitou uma falha completa do sistema de proteção em um alimentador de rede elétrica ativo.

Como a carga secundária afeta a seleção de TCs para proteção de VM?

Depois que a carga secundária total é calculada, ela aciona diretamente três parâmetros de especificação do TC: classe de carga nominal, seleção da classe de precisão e verificação do ALF real em relação aos requisitos de nível de falha do sistema.

Etapa 1: Selecione a classe de carga nominal

Sempre selecione o próximo valor de carga padrão acima da carga total calculada:

• Carga calculada = 13,7VA → Especifique 15VA
• Carga calculada = 22VA → Especificar 30VA
• Nunca especifique um TC com carga nominal igual à carga calculada - isso deixa uma margem zero

Etapa 2: Verificar o ALF real em relação ao nível de falha

Com a carga nominal selecionada, verifique o ALF real usando:

$ALF_{actual} = ALF_{rated} \times \frac{R_{ct} + R_{burden,rated}}{R_{ct} + R_{burden,actual}}$

Garantir: $ALF_{actual} \geq \frac{I_{sc,max}}{I_{1n}} \times 1.1$

Etapa 3: Recomendações de ônus específicas do aplicativo

• Distribuição industrial de média tensão (6-12kV): 5A secundário, 15VA, Classe 5P20 - cabos curtos em painéis CCM compactos
• Subestação de rede elétrica (33-36kV): 1A secundário, 15VA, Classe 5P30 - cabos longos para salas de relés remotas
• Coleta de MV da fazenda solar (33kV): 1A secundário, 10VA, Classe 10P10 - níveis de falha mais baixos, custo otimizado
• Unidade principal do anel urbano (12kV): 1A secundário, 5VA, Classe 5P20 - TC compacto fundido em epóxi, com restrição de espaço
• Plataforma marítima/offshore: 1A secundário, 10VA, classe 5P20, encapsulamento em epóxi IP67 - ambiente corrosivo

Impacto na confiabilidade da especificação correta da carga

• O TC opera dentro da região linear durante a falha → o relé recebe um sinal preciso da corrente de falha
• O relé de proteção dispara dentro da característica correta de tempo e corrente
• A proteção diferencial mantém a estabilidade em falhas de passagem
• Confiabilidade e tempo de atividade do sistema preservados em toda a faixa de nível de falha
• CT sobrecarregado satura → o relé não lê a corrente de falha → disparo atrasado ou com falha
• Classificação de carga subespecificada → ALF efetivo reduzido → ponto cego de proteção em múltiplos de falha elevados

Quais são os erros mais comuns de cálculo de carga em circuitos de proteção?

Lista de verificação de instalação e verificação

1. Medir o comprimento real do cabo - use desenhos as-built, não estimativas de projeto; o roteamento em campo adiciona 15-25% ao comprimento calculado
2. Obtenha a carga do relé a partir da folha de dados atual - não de memória ou de especificações de projetos anteriores; os modelos de relés variam significativamente
3. Aplique a correção de temperatura à Rct e à resistência do cabo - sempre calcular a 75°C, não à temperatura ambiente
4. Conta para todos os blocos de terminais - especialmente em quiosques de sinalização com várias faixas de terminais intermediários
5. Verifique com o medidor de carga durante o comissionamento - medir a impedância real do loop secundário antes da energização
6. Verifique as conexões do relé paralelo - Vários relés no mesmo secundário de TC reduzem a carga total, mas exigem verificação individual

Erros comuns que causam falhas na proteção

• Usando a VA da placa de identificação do relé sem correção de temperatura - A resistência da bobina do relé eletromecânico aumenta significativamente na temperatura de operação
• Ignorando a resistência do condutor de retorno - o fator de 2 na fórmula do cabo é frequentemente omitido, reduzindo pela metade a carga calculada do cabo
• Supondo que a carga do relé numérico seja igual à carga do relé eletromecânico - Os relés numéricos consomem de 10 a 50 vezes menos VA; a especificação excessiva de carga desperdiça custos, mas a especificação insuficiente para substituições de relés antigos causa erros
• Falha ao recalcular a carga após a realocação do painel de relés - Mudanças no comprimento do cabo durante a construção são comuns e devem acionar o recálculo da carga
• Especificação da carga do TC com base apenas na distância da sala do relé - esquecimento de caixas de junção intermediárias, quiosques de triagem e blocos de terminais de teste

Caso de Cliente - Gerente de Compras, Planta Petroquímica Industrial:
Um gerente de compras em uma instalação petroquímica no Oriente Médio encomendou TCs de substituição com base na especificação original do projeto de 1995 - 5A secundário, 15VA, Classe 5P20. O painel de relés havia sido realocado durante uma expansão da planta em 2018, estendendo os cabos de 12 m para 38 m. Ninguém recalculou a carga. Após a substituição do TC, a proteção contra sobrecorrente em um alimentador de motor de 11kV não disparou durante uma falha fase a fase, causando danos ao enrolamento do motor. A análise pós-incidente revelou que a carga real era de 28,4VA - quase o dobro da classificação do TC de 15VA. A Bepto agora fornece revisão gratuita do cálculo de carga como parte da consulta de substituição de CT, A empresa deve garantir a precisão das especificações antes de fazer qualquer pedido.

Conclusão

O cálculo da carga secundária do TC não é uma formalidade - é uma etapa fundamental de engenharia que determina se todo o seu esquema de proteção de média tensão funciona corretamente em condições de falha. Ao considerar sistematicamente a carga do relé, a resistência do cabo na temperatura de operação, a resistência do bloco terminal e verificar o resultado em relação à carga nominal do TC e aos requisitos de ALF, os engenheiros garantem que os transformadores de corrente forneçam sinais precisos e confiáveis quando o sistema de energia mais precisa de proteção. Para distribuição de energia de média tensão, subestações e instalações industriais, a especificação correta da carga é a base da confiabilidade da proteção.

Perguntas frequentes sobre o cálculo da carga secundária da CT

1. Padrão internacional oficial para critérios de precisão e desempenho de transformadores de corrente. ↩

2. Dispositivos digitais modernos com consumo de VA significativamente menor em comparação com os modelos eletromecânicos antigos. ↩

3. Constante física padrão usada para calcular a queda de tensão e a perda de energia no cabeamento secundário. ↩

4. Parâmetro técnico que determina a capacidade do TC de manter a precisão durante altas correntes de falha. ↩