Como selecionar transformadores com alta precisão para medição?

Compreendendo as Classes de Precisão de Transformadores e as Normas Aplicáveis

Decodificando as Classes de Precisão de TCs: 0,1, 0,2 e 0,5 segundo a IEC 61869-2

Os transformadores de corrente vêm com classificações padrão de precisão estabelecidas nas diretrizes IEC 61869-2. Essas classificações são basicamente números, como 0,1, 0,2 e 0,5, que indicam a margem de erro permitida ao medir corrente em diferentes cargas. Por exemplo, um TC classificado como Classe 0,1 mantém-se dentro de aproximadamente ±0,1%, enquanto a versão Classe 0,5 pode desviar até meio por cento em qualquer sentido. Quanto menor o número, maior, em geral, a precisão. As unidades Classe 0,1 são normalmente utilizadas onde o fator financeiro é preponderante, pois até pequenos erros afetam diretamente os cálculos de faturamento. A Classe 0,2 oferece uma precisão suficientemente elevada para sistemas importantes de proteção, sem onerar excessivamente o custo, enquanto a Classe 0,5 é adequada para tarefas cotidianas de monitoramento. De acordo com as normas, os fabricantes devem testar esses dispositivos em uma faixa que vai de 5% até 120% de sua capacidade nominal, para garantir seu funcionamento adequado em condições reais de operação. Além disso, é necessário verificar não apenas a precisão das medições, mas também outros fatores, incluindo o desempenho quanto aos ângulos de fase e a resposta às variações nas condições de carga.

Como a Classe de Exatidão Define o Erro Máximo Admissível nas Condições Nominais

A classe de exatidão indica, basicamente, qual é o erro máximo possível (erros de relação e de fase combinados) quando tudo está perfeito em um ambiente laboratorial. Estamos falando de medições realizadas na frequência nominal, à temperatura padrão de aproximadamente 20 graus Celsius e quando a carga secundária corresponde exatamente ao valor especificado. Tome como exemplo um TC (transformador de corrente) da classe 0,2. Esse dispositivo manterá uma margem de erro dentro de 0,2 % somente se operar na corrente nominal total e permanecer dentro de mais ou menos 25 % do seu nível de carga especificado. No entanto, as coisas começam a sair rapidamente do controle assim que fatores do mundo real entram em jogo. Quando há variações na carga, nos ajustes de carga ou nas temperaturas ambientais, até mesmo pequenas diferenças em relação às condições ideais podem fazer com que o equipamento opere fora das especificações declaradas para sua classe. Se a carga ultrapassar as tolerâncias aceitáveis, toda a classificação torna-se inválida, e podemos observar erros de medição superando 0,5 % durante operações reais em campo.

Principais Parâmetros Elétricos que Determinam a Precisão Real de Transformadores

Adequação da Carga e Impedância Secundária: Prevenção da Degradação da Precisão

Ajustar corretamente a carga é extremamente importante ao se falar em transformadores. A carga no enrolamento secundário é, normalmente, o que causa aqueles incômodos problemas de precisão observados na prática. Se a carga real ultrapassar o valor nominal especificado em VA, os problemas começam a surgir rapidamente. O núcleo entra em saturação, o que compromete tanto a relação quanto as medições do ângulo de fase. Tome, por exemplo, um transformador de corrente da classe 0,5: ao submetê-lo a uma sobrecarga superior a 40%, ele passa repentinamente a se comportar como um transformador da classe 0,8. E não se esqueça também da impedância secundária. Uma impedância mais elevada resulta em maiores quedas de tensão ao longo dos cabos de conexão e nas bobinas dos relés, distorcendo assim a qualidade do sinal. Já observamos casos em que um desajuste de apenas 20% acrescenta cerca de 0,4% de erro somente nos medidores de faturamento. Esse tipo de desvio elimina completamente a conformidade com a classe 0,2. Para quem necessita de alta precisão, ajustar perfeitamente a carga não é mais apenas uma boa prática. Trata-se de uma exigência absoluta para que os equipamentos permaneçam dentro das especificações da norma IEC 61869-2 durante as condições normais de operação.

Faixa de Corrente Nominal vs. Real: Linearidade e Erro em Carga Baixa em Transformadores de Medição

Os transformadores tendem a se tornar não lineares quando operam fora de sua faixa de corrente ideal. Em correntes inferiores a cerca de 5% daquelas para as quais são dimensionados, simplesmente não há excitação suficiente no núcleo, o que resulta em erros significativos. Mesmo aqueles transformadores sofisticados da classe 0,5 podem, às vezes, apresentar erros superiores a 1% quando operam com cargas leves. Na extremidade superior, a situação também piora. Assim que ultrapassamos 120% da capacidade nominal, ocorre saturação magnética, comprometendo totalmente a linearidade — geralmente fazendo com que os desvios ultrapassem 2%. Tome como exemplo um TC típico com classificação de 100 A: ele funciona muito bem numa faixa aproximada de 10 A até 120 A, mas, ao cair para algo como 5 A, o erro repentinamente ultrapassa 2%. Para manter a precisão, os engenheiros precisam selecionar transformadores cuja corrente de operação real no mundo prático fique confortavelmente no meio da faixa nominal, e não simplesmente em qualquer ponto entre os valores mínimo e máximo. Essa abordagem ajuda a evitar as incômodas imprecisões em cargas leves e impede que problemas de saturação comprometam a integridade do sinal.

Fatores Ambientais e de Nível de Sistema que Afetam o Desempenho do Transformador

Temperatura, Frequência e Harmônicos: Quantificação de Desvios em Relação à Precisão Ideal

Transformadores frequentemente perdem precisão quando expostos a estresses ambientais e do sistema que vão muito além do especificado em ensaios laboratoriais. Quando a temperatura varia, isso afeta tanto a permeabilidade do núcleo quanto a resistência dos enrolamentos. Por exemplo, se a temperatura subir apenas 8 graus Celsius acima da faixa operacional normal, isso acelera o envelhecimento do isolamento e provoca alterações perceptíveis nas razões de medição, conforme estabelecido na norma IEC 60076-7 de 2023. Outro problema decorre da instabilidade da frequência da rede, bastante comum em redes fracas ou sistemas isolados. Isso leva a erros de saturação do núcleo, especialmente quando as frequências caem abaixo dos níveis normais. As distorções harmônicas criam um outro desafio complexo. Harmônicos de terceira e quinta ordem com distorção harmônica total superior a 10% deformam efetivamente a forma de onda de maneiras que as classificações padrão de precisão simplesmente não consideram. Correntes com componente contínuo (CC) agravam ainda mais a situação, gerando magnetismo residual nos núcleos, o que compromete a capacidade de detectar os cruzamentos das formas de onda pelos pontos zero. Ensaios em condições reais revelam também um dado interessante: transformadores que atendem à classe 0,5 em ambientes laboratoriais controlados tipicamente alcançam apenas uma precisão de nível aproximado de 1,0 ao enfrentarem todos esses estresses combinados, incluindo calor, harmônicos e variações de frequência. Para combater esses problemas, os engenheiros precisam planejar com antecedência, reduzindo a capacidade de carga em cerca de 15 a 20 por cento em instalações mais quentes e instalando filtros de harmônicos sempre que a distorção harmônica total ultrapassar 8 por cento.

Validação e Especificação de Transformadores de Alta Precisão para Aplicações Críticas

Estudo de Caso: Por Que um Transformador de Corrente Classe 0,2 Apresentou Precisão Nível 0,5 na Medição de Energia em Subestações

Um projeto de medição de energia em uma subestação enfrentou sérios problemas de precisão quando um transformador de corrente (TC) da classe 0,2 acabou operando com uma precisão apenas de nível 0,5. Após investigarmos a situação, descobrimos que, na verdade, havia três problemas distintos no campo que não haviam sido considerados durante a calibração realizada na fábrica. Em primeiro lugar, os níveis de distorção harmônica ultrapassaram amplamente os 15 % de THD devido à presença de diversas cargas não lineares nas proximidades, o que gerou erros de ângulo de fase que os ensaios convencionais de erro de relação simplesmente não detectaram. Em seguida, havia também o problema da temperatura: o equipamento precisava operar em condições cujas temperaturas variavam de –10 °C até 50 °C, o que provocou alterações na permeabilidade do núcleo, acrescentando um erro adicional de 0,1 % na relação ao valor já especificado. Por fim, a carga secundária resultou em 4,5 VA, ou seja, 40 % superior à classificação nominal do TC de 3,2 VA. Essa discrepância causou um aumento no deslocamento de fase de 0,3 grau e comprometeu significativamente a precisão global. Todos esses fatores combinados fizeram com que o erro total superasse o limite de 0,2 %. O que essa experiência nos ensina é fundamental: o simples fato de um equipamento passar nos ensaios de laboratório não garante seu desempenho perfeito em condições reais de operação. Ao lidar com medições críticas de energia elétrica, as especificações devem levar em conta perfis reais de harmônicos, faixas de temperatura realistas e medições efetivas da carga — e não se basear exclusivamente nas informações impressas no rótulo do equipamento.

Perguntas Frequentes

Quais são as classes de precisão de TC?
As classes de precisão de TC, como 0,1, 0,2 e 0,5, indicam o erro máximo admissível dos transformadores de corrente conforme a norma IEC 61869-2. Quanto menor o número, maior a precisão da medição.

Por que o casamento de carga é importante para transformadores?
O casamento de carga garante que a carga do enrolamento secundário do transformador esteja alinhada com sua capacidade nominal, evitando a saturação do núcleo e mantendo a precisão.

Como os fatores ambientais afetam a precisão dos transformadores?
Fatores como variações de temperatura, instabilidade de frequência e distorções harmônicas podem reduzir a precisão dos transformadores ao alterar a permeabilidade do núcleo e a resistência dos enrolamentos.