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 - no projeto de sistemas de proteção de média tensão. Cada dispositivo conectado 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 operações errôneas perigosas.

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

Para engenheiros elétricos e empreiteiros de EPC que especificam painéis de distribuição de média tensão, errar na carga não é um problema menor de calibração - é uma falha de confiabilidade em nível de sistema que está prestes a acontecer. Este guia apresenta a metodologia completa de cálculo de carga, as armadilhas comuns e os critérios de seleção para garantir que suas instalações de TC e TP funcionem exatamente como foram projetadas.

Índice

• O que é a carga do transformador de instrumentos e como ela é definida?
• Como calcular a carga de CT e VT passo a passo?
• Como a carga afeta a classe de precisão do TC e o desempenho da proteção?
• Quais são os erros mais comuns de cálculo de carga em sistemas de média tensão?

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

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

A compreensão do ônus começa com a compreensão das duas formas em que ele é expresso:

• Carga de VA: Potência aparente total consumida pelo circuito secundário na corrente ou tensão secundária nominal
• Carga de impedância (Ω): Resistência e reatância totais do circuito secundário, usadas em cálculos detalhados

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

• Fardo avaliado: O VA máximo que o TC pode fornecer enquanto mantém a classe de precisão declarada (por exemplo, 15VA, 30VA)
• Classificado corrente secundária²: Valores padrão de 1A ou 5A - a impedância da carga varia de acordo com o quadrado desse valor
• Classe de precisão: 0,2, 0,5 para medição; 5P, 10P para proteção - cada um tem uma faixa de carga definida
• Fator de potência da carga: Normalmente, 0,8 de defasagem para a classe de proteção; 1,0 para cargas resistivas
• Fator de limite de precisão nominal (ALF³): Inversamente proporcional à carga real - aumenta à medida que a carga 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 internos padrão (IEC 60815)

Um ponto crítico, mas frequentemente ignorado: a carga não é corrigida apenas pelo relé. A resistência do cabo secundário, a resistência do contato do terminal e a impedância combinada de todos os dispositivos conectados 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 a carga de CT e VT passo a passo?

O cálculo da carga segue um processo estruturado. Aqui está a metodologia completa usada para proteção de MT e medição de circuitos de TC.

Etapa 1: Liste todos os dispositivos de circuito secundário

Identifique todos os dispositivos conectados no loop secundário do TC:

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

Etapa 2: Obtenha a classificação de VA ou impedância para cada dispositivo

Cada fabricante de dispositivo fornece uma classificação de carga na corrente secundária nominal. Converta todos os valores para impedância (Ω) usando:

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

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

Exemplo - circuito secundário de 5 A:

Dispositivo	Classificação de Burden (VA)	Impedância (Ω)
Relé de proteção de distância	1,0 VA	0.040 Ω
Relé de sobrecorrente	0,5 VA	0.020 Ω
Medidor de energia	1,5 VA	0.060 Ω
Cabo secundário (2 × 30 m, 2,5 mm²)	—	0.432 Ω
Resistência do contato do terminal	—	0.010 Ω
Carga total	—	0.562 Ω

Converta 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 seção transversal do cabo (mm²)

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

Etapa 4: Verificar em relação ao ônus avaliado

A carga total calculada deve ser satisfatória: $VA_{actual} \leq VA_{rated}$

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

• Aumentar a seção transversal do cabo (reduz a carga de resistência)
• Especifique um TC de carga com classificação mais alta
• Reduzir o número de dispositivos conectados em série
• Mudança do secundário de 5A para 1A (reduz a carga do cabo em um fator de 25)

Etapa 5: Verificar o ALF efetivo

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

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

Onde $VA_{interno}$ é a carga do enrolamento interno do TC (da folha de dados). Essa etapa 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 do ônus do VT
Topologia de circuito	Loop de série	Conexão paralela
Expressão de ônus	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
Padrão secundário	1A ou 5A	100V ou 110V
Principais riscos	Saturação do núcleo por excesso de carga	Queda de tensão e perda de precisão
Padrão de governo	IEC 61869-2	IEC 61869-3

Caso de cliente - erro de cálculo de carga em um painel de proteção de alimentador de 33kV:
Um gerente de compras de uma empresa de EPC no norte da África entrou em contato com a empresa depois que seu sistema de proteção de alimentador de 33kV recém-comissionado apresentou erros persistentes de precisão 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 presumia, de 20 metros), adicionando 0,62Ω de carga de resistência não contabilizada. O TC instalado foi classificado como 15VA, mas a carga real chegou a 22VA, levando o TC para fora de sua faixa de classe de precisão de 0,5. A Bepto forneceu TCs de 30VA com especificações correspondentes, e a precisão da medição voltou a ser de 0,2% - bem dentro dos requisitos de classe de faturamento.

Como a carga afeta a classe de precisão do TC e o desempenho da proteção?

A relação entre a carga e o desempenho do CT não é linear - é um efeito de limite. Dentro da carga nominal, o TC mantém sua classe de precisão declarada. Acima da carga nominal, os erros aumentam rapidamente e sob condições de falha, saturação do núcleo⁵ ocorre antes do que a especificação ALF supõe.

Especificamente para a proteção à distância, isso tem consequências operacionais diretas:

• Subcarga: Aumento efetivo do ALF - geralmente benéfico, mas a impedância de entrada do relé ainda deve ser atendida
• 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 medição é lida incorretamente
• Sobrecarga grave (>150% classificado): 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 confiabilidade da proteção por nível de ônus

Nível de ônus	Precisão da medição	Comportamento do CT de proteção	Resposta do relé de distância
<80% Classificado	Dentro da classe	ALF efetivamente maior	Viagem confiável da Zona 1
80-100% Classificação	Dentro da classe	Por especificação	Viagem confiável da Zona 1
100-130% Classificação	Erro marginal	Redução do ALF efetivo	Possível atraso da Zona 1
>150% Classificado	Erro significativo	Saturação precoce	Risco de operação incorreta

A recomendação prática para aplicativos críticos de proteção: projeto para 75-80% da carga nominal máxima, O sistema de controle de temperatura é um sistema de controle de temperatura que preserva a margem para futuras adições de relés ou redirecionamento de cabos que aumentem a resistência.

Caso de cliente - Operação incorreta de proteção atribuída a excesso de carga:
Um empreiteiro de uma concessionária de energia no sudeste da Ásia relatou que um relé de distância de linha aérea de 22kV estava falhando consistentemente em eliminar falhas próximas 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 saturando com aproximadamente 8 vezes a corrente nominal, bem abaixo da capacidade implícita de 20 vezes da especificação 5P20 com carga nominal. A substituição por TCs Bepto 5P20 30VA resolveu completamente o problema de temporização da Zona 1.

Quais são os erros mais comuns de cálculo de carga em sistemas de média tensão?

Lista de verificação de instalação e comissionamento

1. Medir o comprimento real do cabo - Nunca use estimativas de desenhos de projeto para o cálculo da carga
2. Medir a resistência do condutor com um ohmímetro de baixa resistência antes da energização
3. Verifique a carga de entrada real de cada relé da folha de dados do fabricante - não de resumos de catálogos
4. Calcule a carga total na corrente secundária nominal antes de especificar a classificação VA do CT
5. Realizar teste de injeção secundária para verificar a relação, a polaridade e a precisão do TC no comissionamento
6. Documentar a carga as-built para referência de manutenção futura

Erros comuns que comprometem a confiabilidade

• Ignorando o ônus do cabo: Em circuitos secundários de 5 A, um cabo de 30 m pode contribuir com 8 a 15 VA, muitas vezes excedendo a carga do relé
• Mistura de dispositivos 1A e 5A: Conectar um relé com capacidade de 5A a um secundário de TC de 1A causa sobrecarga grave e possíveis danos ao relé
• Supondo que a carga do relé seja igual à carga total: O esquecimento de medidores, transdutores e resistência de terminais é extremamente comum
• Não recalcular o ALF após mudanças de carga: Adicionar um relé durante uma atualização do sistema sem verificar novamente o ALF efetivo é um risco de proteção oculto
• Usando o método de cálculo de carga de VT para CTs: Topologia em série vs. paralela - a abordagem de cálculo é fundamentalmente diferente
• Negligenciar os efeitos da temperatura: A resistência do cobre aumenta aproximadamente 0,4% por °C - em instalações com alta temperatura ambiente, a carga do cabo a 60 °C é mensuravelmente maior 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 a confiabilidade do sistema de proteção na distribuição de energia de média tensão. A principal lição: sempre calcule a carga secundária total, incluindo a resistência do cabo, verifique o ALF efetivo para aplicações de proteção e projete para um máximo de 75-80% da carga nominal do CT para manter a detecção confiável de falhas. Na Bepto Electric, todos os TCs que fornecemos incluem especificações completas de carga da folha de dados e valores de resistência do enrolamento interno, dando à sua equipe de engenharia tudo o que é necessário para realizar cálculos precisos de carga desde o primeiro dia.

Perguntas frequentes sobre o cálculo da carga do transformador de instrumentos

1. Saiba mais sobre o padrão internacional que rege os requisitos do transformador de corrente ↩

2. Entenda como a seleção de níveis de saída secundários afeta a carga do sistema ↩

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

4. Explore como a impedância calculada identifica os locais de falha nas linhas de distribuição ↩

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