O Transformador de Corrente (TC) é o equipamento que realiza a transdução da corrente elétrica para níveis apropriados, para dispositivos que não possuem capacidade de suportar as correntes elétricas elevadas. Segundo Mamede Filho (2013), os TCs são equipamentos que permitem que os instrumentos de medição e proteção possam funcionar de forma correta, padronizando um valor de corrente na saída dos terminais.

A redução da corrente nos terminais secundários acontece pela relação de espiras entre os terminais, devido ao fenômeno eletromagnético de indução. Pode ter uso tanto em média tensão como em baixa tensão, o que dependerá da isolação do equipamento à tensão em que atuará. A relação de transformação é dada por:

\(RTC~=~{{N}_{2}}/{{N}_{1}}={{I}_{1~}}/{{I}_{2}}~\)                                        (2.1)

RTC é a relação nominal do TC; \({{N}_{1}}\) é a quantidade de espiras no primário; \({{N}_{2}}\) é a quantidade de espiras no secundário; \({{I}_{1}}\) é a corrente no primário do TC; e \({{I}_{2}}\) é a corrente no secundário (CHAPMAN, 2013). Todo TC é padronizado para apresentar, na saída, uma corrente de 5 A. Dessa forma, para um TC que tenha uma relação de 50, e sabendo que a corrente nominal de saída é de 5A, podemos determinar a corrente máxima que é suportada no primário do TC como sendo de 250 A.

Segundo Mamede Filho (2013), o TC pode operar com uma tensão variável, que dependerá da corrente no primário e da carga no secundário. E, de acordo com a Eq. 2.1, podemos ver que a relação de transformação de corrente é inversamente proporcional ao número de espiras entre os enrolamentos primário e secundário.

A Tabela 2.1 lista algumas das relações de transformação dos TCs que são comercializados.

Podemos dizer que o TC foi desenvolvido porque é impossível instrumentos de medição trabalharem com altas correntes, já que são utilizados circuitos eletrônicos muito sensíveis às variações de corrente, a fim de reduzir os erros presentes nas medições.

Características Construtivas

A construção dos transformadores de corrente pode ocorrer de diferentes formas e ter usos distintos. O TC deve ser colocado em série no circuito de alta, provocando uma pequena queda de tensão no sistema. Em virtude disso, o circuito primário tem a composição de poucas espiras de fios grossos, e o secundário, muitas espiras de fio fino.

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Principais estruturas de TCs

Há vários formatos de características construtivas, porém poderíamos dividi-los em três tipos: enrolado, janela e barra. A principal vantagem da utilização de transformadores de correntes é ter a possibilidade de usar os equipamentos de medição de menor porte, o que garante a segurança, possibilita monitorar a distância e as fases, bem como analisar o desbalanceamento de sistemas. As correntes nominais primárias devem ser compatíveis com a corrente de carga do circuito primário. As correntes nominais do secundário são, geralmente, 5 A. No caso de aparelhos, como relés de proteção, instalados distantes dos TCs, é possível que a tensão do secundário seja 1 A, para reduzir a queda de tensão nos fios de interligação.

O sinal de dois pontos (:) deve ser usado para indicar a relação de transformação de dois enrolamentos diferentes do TC. O hífen (-) deve ser usado para separar a corrente nominal. Já a barra (/) indica e separa as correntes primárias nominais.

As cargas nominais dos TCs devem ser especificadas conforme a carga que será ligada no secundário. Essas cargas são padronizadas pela NBR 6856.

Para um TC, a carga secundária é representada pelo valor da impedância formada pelos diferentes equipamentos ligados ao secundário. A carga nominal é calculada pela fórmula:

\(Z=~\frac{P}{I{}^\text{2}}\)                                            (2.2)

Exemplo: TC C200 para o secundário de 5A.

Z=200/(5)²

As cargas devem ser dimensionadas:

C= \(\Sigma C~+L~+Z+~I{}^\text{2}\) (VA)                                  (2.3)

\(\Sigma C\) — soma das cargas.

I — corrente nominal do secundário (5A ou 1A).

Z — impedância do condutor em \(\Omega /m\).

L — comprimento do fio condutor.

O fator de sobrecorrente (F) é um fator de segurança. Este deve ser multiplicado pela corrente nominal primária, obtendo-se a máxima corrente no primário até o limite da classe de exatidão, que, pela norma NBR 6856, deve ser, pelo menos, 20 vezes o valor da corrente nominal (ABNT, 2021a).

\(F=~\frac{{{C}_{S}}}{{{C}_{N}}_{{}}}x~{{F}_{s}}\)                                                 (2.4)

\({{C}_{s}}\) — carga no secundário.

\({{F}_{s}}\) — fator de sobrecorrente nominal.

\({{C}_{N}}\) — carga nominal.

Princípios de Funcionamento

O TC é um equipamento monofásico com dois enrolamentos, conhecidos como primário e secundário, que são eletricamente isolados, porém são acoplados magneticamente. Nos princípios de funcionamento, são diferenciados os TCs de medição e os de proteção.

Os TCs têm enrolamentos primários com poucas espiras — na maioria dos casos, uma única espira. Os enrolamentos secundários, por sua vez, têm muitas espiras. Ao secundário, são ligados medidores e relés. No caso de fazer uma especificação, alguns dados de avaliação são importantes; são eles:

• corrente nominal e relação nominal;
• classe de tensão de isolamento;
• frequência nominal;
• carga nominal;
• fator de sobrecorrente;
• classe de exatidão;
• fator térmico;
• limites de corrente de curta duração (efeitos térmico e dinâmico).

Na Figura 2.1, temos a representação do funcionamento do TC. Vemos que o enrolamento primário permanece em série com o restante do circuito, e que, por meio do fenômeno de indução eletromagnética, uma corrente induz uma corrente no enrolamento secundário, podendo ser lida por um instrumento de medida.

O fenômeno físico de indução eletromagnética é o responsável pela conversão de corrente em diferentes níveis; a indutância mútua, por sua vez, é um efeito secundário da indução, presente nos transformadores de corrente, de potencial e de potência. As máquinas elétricas funcionam por meio da indução eletromagnética, e os transformadores são máquinas elétricas, assim como os motores elétricos. A construção do núcleo dos transformadores melhora o processo de indução, fazendo com que haja menos perdas e aumentando a eficiência da transformação.

Especificação Técnica

Para se especificar um TC, devem-se levar em conta as seguintes características.

• Finalidade — pode ser usado para medição, proteção e, ainda, para circuito de controle de motores ou auxiliares.
• Dimensional — verificar as dimensões do local de instalação do TC, escolhendo o tipo certo. Caso seja do tipo janela, verificar o tamanho da janela mínima, para que os cabos/barramentos possam ser transpassados.
• Corrente primária — verificar a capacidade de condução máxima de corrente no primário do transformador; esta é a corrente que pretende ser medida.
• Corrente secundária — os instrumentos de medição que serão ligados no secundário do TC têm uma entrada de corrente específica, que deve ser verificada antes da escolha do TC. A saída de corrente do secundário deverá ser igual à corrente solicitada pelo equipamento de medição, com uma corrente de 1 ou 5 A.
• Frequência — o transformador deve ser capaz de operar na mesma frequência do circuito de entrada e do instrumento de medição.
• Classe (%) — escolher o erro máximo que deve ser introduzido pelo TC. Esse erro é expresso em termos percentuais da corrente nominal do instrumento e considera a defasagem do ângulo entre o primário e o secundário.
• Carga (VA) — este valor deve ser especificado para suprir o consumo do equipamento e as ligações conectadas ao secundário do transformador.

Normas Recomendadas

As normas ajudam a definir as principais características elétricas e mecânicas, bem como os demais requisitos básicos para o fornecimento de transformadores de corrente indutivos monofásicos. Algumas normas recomendadas:

• ABNT NBR 5034 — Buchas para tensões alternadas superiores a 1 kV — Especificação.
• ABNT NBR 5286 — Eletricidade geral — Terminologia.
• ABNT NBR 6856 — Transformador de corrente — Especificação e ensaios.
• ABNT NBR 6939 — Coordenação de isolamento — Procedimento.
• IEC 60044-1 Instrument transformers — Part 1 — Current transformers.

Todas as normas apresentam um tópico visando ao funcionamento, à produção de ensaios e à forma de uso de transformadores de corrente.

Aplicação na Medição e Proteção

Mamede Filho (2013) faz a distinção das duas aplicações dos TCs da seguinte forma: os transformadores de corrente apresentam duas aplicações, medição e proteção. Cada uma dessas aplicações apresenta níveis de parâmetros distintos em relação ao nível de complexidade. Em uma subestação, tanto de média tensão como de alta tensão, temos a presença de ambos os tipos de TCs. Para a medição, existem critérios quanto à exatidão, que deve ser máxima, e o erro deve ser mínimo. Esse tipo de TC é o que a concessionária instala para faturar a energia consumida. São instalados próximos ao medidor de energia, pela própria concessionária, para não haver risco de intervenção. Na medição, a leitura é realizada pelo medidor, que transforma o nível de corrente de média tensão em um valor de corrente 5 A ou 1 A. O padrão de corrente, no secundário, vai depender do equipamento que será ligado; caso este seja especificado para 5 A, então, o TC deve ser do tipo Ip/5, sendo Ip a corrente no primário.

Na proteção, a exatidão e o erro dos TCs não são tão precisos quanto na medição. Isso porque o TC de proteção deve conseguir transformar a corrente da rede, de forma que o relé de proteção possa atuar quando ocorrer alguma falha na rede elétrica. Dessa forma, a sensibilidade não precisa ser tão alta, mas o transformador não deve saturar o núcleo, pois isso prejudica a leitura do relé de proteção, transmitindo leituras erradas de corrente (MAMEDE FILHO, 2013).

Dimensionamento

Quando vamos realizar o dimensionamento do TC, devemos considerar que os TCs precisam suportar a corrente de carga, e não sofrer com os efeitos da saturação do núcleo que pode ocorrer nas condições críticas de curto-circuito. O TC deve ter um fator térmico e de sobrecorrente de, pelo menos, 20% acima da corrente nominal. O projetista deve especificar o valor máximo do erro para o TC de medição e para o de proteção. A corrente de saturação para TCs de proteção e medição são diferentes. Para TCs de proteção, a corrente de saturação é de 20xIn, sendo In a corrente nominal. Para TCs de medição, a corrente de saturação é de 4xIn, como mostrado na Figura 2.2 (MAMEDE FILHO, 2013).

Neste tópico, conhecemos o TC, bem como o uso na medição e na proteção, e a importância dele para o sistema elétrico de potência, tanto para a alta como para a baixa tensão. Devemos seguir as normas brasileiras e internacionais na hora de escolhermos o TC para determinado uso, pois cada TC apresenta limitações físicas de tamanho e elétricas, na questão de isolamento de tensão e de cargas que serão alimentadas. A atenção às especificações desses equipamentos evita que erros de projeto venham a acontecer quando forem implantados. Entendemos seu princípio de funcionamento eletromagnético por indução e como é posicionado frente ao circuito em que será realizada a transformação de corrente.

Da mesma forma que os TCs, os Transformadores de Potencial (TPs) são equipamentos muito importantes no sistema elétrico de potência, pois permitem que os instrumentos de medição e de proteção funcionem adequadamente. Apresentam enrolamentos primário e secundário e uma relação de tensão. A tensão deles é padronizada em 115V e \(115\sqrt{3}\). Com essa tensão baixa, além de diminuir a tensão apresentada no primário, é possível alimentar cargas como circuitos de comando e proteção. Assim, são instalados juntamente aos transformadores de corrente, fornecendo corrente e/ou tensão aos instrumentos conectados nos enrolamentos secundários.

Os TPs se parecem muito com os transformadores de potência convencionais. E, diferentemente do TC, o primário é constituído de muitas espiras.

Características Construtivas

Os TPs são fabricados de acordo com o grupo em que se enquadram, o que depende da ligação à rede elétrica. O enrolamento primário é constituído de uma bobina de várias camadas de fio, submetida a uma esmaltação, que garante o isolamento entre as bobinas (MAMEDE FILHO, 2013). O enrolamento secundário é semelhante e isolado do núcleo e do enrolamento primário, por meio de fitas de papel especial.

Nessas condições, esse transformador se torna compacto, de peso relativamente pequeno.

Os TPs podem ser classificados como indutivos e capacitivos. De acordo com Mamede Filho (2013), os TPs indutivos são mais utilizados que os capacitivos, devido ao custo inferior, tendo a estrutura básica formada por um enrolamento primário envolvendo um núcleo comum ao enrolamento secundário, funcionando pelo processo de indução mútua. Já sobre os TPs capacitivos, Mamede Filho (2013) afirma que eles são constituídos, de forma genérica, por dois capacitores em série, formando um divisor capacitivo, topologia que tem a vantagem de permitir comunicação por meio do sistema carrier.

Segundo Mamede Filho (2013), os TPs indutivos são construídos segundo três grupos:

Para o entendimento de como os enrolamentos primários e secundários interagem com o núcleo ferromagnético de um TP, temos as Figuras 2.4 e 2.5. Na Figura 2.4, temos um tipo de TP muito utilizado quando se quer obter uma tensão na configuração triângulo (\(\Delta\)) em uma subestação. Na Figura 2.5, por ter três contatos na saída secundária, há a possibilidade de obter a tensão na configuração estrela (Y) e \(\Delta \).

Princípios de Funcionamento

De acordo com Mamede Filho (2013, p. 359):

O TP é o sensor que realiza a transdução da tensão do sistema de potência para níveis apropriados para o processamento de relés de proteção, medidores e para fins de controle e supervisão. Os transformadores de potencial se parecem muito com os transformadores de potência convencionais. Diferentemente do TC, o primário é constituído de muitas espiras, enquanto o secundário possui número suficiente para se obter uma tensão nominal de 115V ou 115/√3 VA.

A conexão dos TPs é feita, diretamente, com a rede elétrica com isolação para todas as classes de tensão previstas na norma NBR 5410 e nas demais normas de segurança elétrica. Os TPs têm enrolamentos envolvidos entre si, mas isolados eletricamente, tal como os transformadores de potência com núcleo envolvente. Todos os instrumentos de medida são conectados em paralelo ao mesmo secundário, atuando sobre todos os instrumentos simultaneamente.

Os TPs devem ter aterramento tanto dos terminais como da carcaça, para evitar fuga de corrente e para manter a segurança da instalação e do operador.

Especificação Técnica

A NBR 6855 apresenta algumas características para a especificação do equipamento. Os parâmetros mínimos que podem ser destacados são estes.

• Tensão nominal do sistema e grupo de ligação — a norma estabelece condição mínima de tensão que o equipamento deve suportar, que é de até 10% acima do valor nominal em regime. A norma NBR 6855 determina os seguintes valores de tensão primária e secundária:

• Relação nominal do TP.
• Frequência nominal.
• Potência térmica nominal.
• Classe de exatidão e carga nominal.
• Número de enrolamentos secundários.
• Uso — interior ou exterior.

Algumas especificações técnicas aplicadas aos TCs também são requisitadas nos TPs, como a finalidade (se os TPs serão usados para medição ou proteção), as dimensões (se os TPs serão usados para subestações de alta tensão ou para subestações de média tensão) e a frequência (se os TPs vão operar em uma frequência de 50 Hz ou de 60 Hz).

As especificações técnicas para cada aplicação do TP são consideradas de forma diferente. Por exemplo, a classe de exatidão de TPs de medição exige um erro baixo na medição, enquanto, nos TPs de proteção, o erro não precisa ser tão pequeno, devendo, apenas, ter uma boa relação de transformação, de acordo com o relé de proteção.

Normas Recomendadas

A norma NBR 6855 — Transformador de potencial indutivo – Requisitos e ensaios é a norma brasileira quando se trata de TPs, baseada em normas internacionais da IEC. Outras normas são consultadas além desta, tal como a norma IEEE C57.13: IEEE Standard Requirements for instrument. A seguir, estão as normas recomendadas para o correto dimensionamento e o uso dos TPs nas aplicações.

• ABNT NBR 5034 — Buchas para tensões alternadas superiores a 1 kV — Especificação.
• ABNT NBR 5286 — Eletricidade geral — Terminologia.
• ABNT NBR 6855 — Transformador de potencial — Especificação e ensaios.
• ABNT NBR 6939 — Coordenação de isolamento — Procedimento.
• IEC 60044-2 Instrument transformers — Part 1 — Potential transformers.

De acordo com Chapman (2013), o transformador é um equipamento capaz de converter a energia elétrica de corrente alternada de uma tensão em outra, de modo que as frequências sejam as mesmas e fornecendo quase a mesma quantidade de energia de um enrolamento a outro. A construção dele se dá por meio de enrolamentos (bobinas) primários, de entrada, e secundário, de saída, e de um núcleo ferromagnético. Isso é possível graças ao fenômeno de indução magnética. Essas bobinas, geralmente, não estão conectadas, diretamente, entre si, apenas com o fluxo magnético do núcleo energizado passando através dos enrolamentos.

Se um transformador elevar o nível de tensão de um circuito, ele acaba diminuindo a corrente no enrolamento secundário, pois deve haver o balanço de potência elétrica. Afinal, o transformado somente converte tensões e não tem capacidade de gerar energia.

Os transformadores de potência permitem que a energia seja gerada em locais distantes e, depois, que a tensão seja elevada, para diminuição de perdas, e transmitida a longas distâncias, com perdas muito baixas; e, finalmente, a tensão é rebaixada, de novo, para o uso final.

Características Construtivas

A construção dos transformadores de potência quanto ao núcleo ferromagnético pode ser de dois tipos. Em um deles, o núcleo é formado por um bloco retangular laminado, que é envolvido pelos enrolamentos primário e secundário, um em cada extremidade do transformador. A essa forma de construção, dá-se o nome de núcleo envolvido (CHAPMAN, 2013), como ilustrado na Figura 2.6.

O outro tipo consiste em um núcleo laminado com três extremidades, com o formato do número 8. Nesse caso, os enrolamentos do transformador envolvem a parte central do núcleo (CHAPMAN, 2013), como ilustrado na Figura 2.7. Nos dois casos de construção, o núcleo é formado por lâminas finas, cortadas em pequenas áreas, sendo eletricamente isoladas entre si. Isso é o suficiente para minimização das correntes de Foucault.

Os transformadores de potência recebem diversos nomes, dependendo do uso que é feito nos sistemas de potência elétrica. Na GTD de energia elétrica, na transição entre cada etapa do caminho da energia elétrica, há a presença de um tipo de transformador. Da geração para a transmissão, temos transformadores elevadores, que elevam a tensão produzida nos geradores (turbinas hidráulicas, placas solares, turbinas eólicas etc.), para que seja realizada a transmissão de energia em níveis de tensão acima de 100 kV, suportados pelas linhas de transmissão. Ao final das linhas de transmissão, temos os transformadores abaixadores de tensão, que rebaixam a alta tensão para níveis primários das redes de distribuição, geralmente, entre 13,8 kV e 34,5 kV. E, por fim, temos os transformadores de distribuição, que são os que convertem a tensão primária, em média tensão, para a secundária, em baixa tensão, geralmente, em 127/220 V. Todos os transformadores apresentarão a mesma forma de construção, o que irá diferenciá-los é, somente, a utilidade.

Princípios de Funcionamento

No estudo de funcionamento, os transformadores devem ser analisados nas três situações particularmente mais importantes que assumem durante a operação (MAMEDE FILHO, 2013). As situações serão demonstradas a seguir.

• Operação a vazio.
  ○ Nesta operação, o transformador não tem nenhuma carga ligada ao enrolamento secundário, com o transformador absorvendo potência somente para energização do núcleo de ferro. Neste caso, há uma corrente no enrolamento primário, denominada corrente a vazio, e, como não há carga, não há corrente no enrolamento secundário (MAMEDE FILHO, 2013).

• Operação em carga.
  ○ Neste modo de operação, é acoplada uma carga no secundário do transformador, e, com isso, uma corrente I2 passa a circular nos enrolamentos secundários para alimentar a carga; dessa forma, a corrente I1 no primário tende a aumentar, com base na corrente consumida pela carga. Quando se ligam os terminais secundários de um transformador através de um curto-circuito ou, até mesmo, de um condutor com baixíssima impedância, a tensão que se mede entre esses terminais é praticamente nula. Esse procedimento pode ser utilizado em ensaios envolvendo transformadores. A força eletromotriz gerada nessas condições resulta em uma corrente secundária defasada.

Especificação Técnica

Os transformadores de potência apresentam parâmetros elétricos que estão relacionados à forma de operação, que irá depender da carga que será acoplada nos terminais secundários. As características da carga e a da rede elétrica à qual o transformador será conectado determinarão as especificações técnicas que devem ser seguidas.

• Potência nominal.
  ○ Segundo a NBR 5356:2007, a potência nominal de um transformador é o valor em que ele trabalhará em condição normal, sem haver o desgaste dos componentes internos, causado por sobrecarga. Esta potência é dada em VA, conhecida como potência aparente. Associada aos valores de tensão nominal, esta potência é que estabelecerá o valor da corrente que irá circular pelo transformador.

• Tensão nominal.
  ○ É a tensão que é aplicada aos terminais dos enrolamentos primários do transformador; pode ser tensão monofásica ou trifásica, dependendo da ligação interna dos enrolamentos. Tem as possíveis ligações: estrela-estrela (Y-Y), triângulo-triângulo (\(\Delta -\Delta \)) e estrela-triângulo (Y-\(\Delta \)). Quando a ligação é do tipo triângulo, a tensão nos terminais é a mesma na rede; em estrela, a tensão nos enrolamentos é \(\sqrt{3}\) inferior à tensão nominal do transformador. É a corrente que circula no terminal de linha dos enrolamentos. Este valor é obtido pelas Eq. (2.5) e (2.6), definidas por Cotrim (2009):

Transformadores monofásicos (F-N) ou bifásicos (F-F):

\({{I}_{n}}={{S}_{n}}/{{U}_{n}}\)                                                (2.5)

Transformadores trifásicos:

\({{I}_{n}}={{S}_{n}}/\left( \sqrt{3\times }{{U}_{n}} \right)~\)                                                       (2.6)

De acordo com Cotrim (2009):

Sn — potência nominal, em kVA.

Un — tensão nominal, em kV.

• Frequência nominal.
  ○ É a frequência da rede elétrica em que o transformador está conectado; pode apresentar valores de 50 ou 60 Hz.

• Perdas.
  ○ As perdas no transformador podem ocorrer devido ao modo de operação do transformador e às próprias características construtivas. A potência perdida, geralmente, é dissipada em forma de calor, através dos enrolamentos e do núcleo de ferro (MAMEDE FILHO, 2013). As principais formas de perda são descritas a seguir.
  ○ Perdas a vazio: nestas perdas, o transformador absorve uma certa potência da rede elétrica para magnetização do núcleo, mas nenhuma carga é alimentada nos enrolamentos secundários. Estas perdas são decorrentes de perdas no núcleo de ferro, como o calor dissipado pelas correntes parasitas (MAMEDE FILHO, 2013).
  ○ Perdas por histerese magnética: estas perdas são decorrentes do processo de histerese do núcleo ferromagnético, em que um aumento da corrente além do limite estabelecido pelo material faz com que o núcleo fique saturado, prejudicando as variações do campo magnético (MAMEDE FILHO, 2013).
  ○ Perdas em carga: conhecidas também como perdas no cobre, somente ocorrem quando há passagem de corrente no secundário do transformador, ou seja, quando uma carga está sendo alimentada. A potência é dissipada no cobre com o aumento da temperatura dos enrolamentos (MAMEDE FILHO, 2013).

• Rendimento.
  ○ Segundo Mamede Filho (2013), trata-se da razão entre a potência elétrica fornecida pelo secundário do transformador e a potência elétrica absorvida pelo primário. A Eq. (2.7) expressa a conceituação feita anteriormente:

\(\eta ={{P}_{s}}/{{P}_{p}}\)                                               (2.7)

Em que:

Ps — potência absorvida pelo secundário;

Pp — potência absorvida pelo primário.

Normas Recomendadas

A seguir, são descritas as normas relacionadas aos transformadores de potência:

• NBR 5356-5 — transformadores de potência — parte 5: capacidade de resistir a curtos-circuitos.
• NBR 5356-4 — transformadores de potência — parte 4: guia para ensaio de impulso atmosférico e de manobra para transformadores e reatores.
• NBR 5356-3 — transformadores de potência — parte 3: níveis de isolamento, ensaios dielétricos e espaçamentos externos em ar.
• NBR 5356-2 — transformadores de potência — parte 2: aquecimento.
• NBR 5356-1 — transformadores de potência — parte 1: generalidades.

As normas brasileiras para qualquer equipamento levam em consideração normas internacionais, e isso se deve a uma forma de padronizar os equipamentos em todo o mundo. Ao seguirmos as normas estabelecidas para os equipamentos, garantimos que eles funcionarão de forma correta, validando os projetos em que esses equipamentos serão instalados.

Os disjuntores são equipamentos destinados à manobra e à proteção dos circuitos, com a capacidade de interromper a passagem de corrente elétrica. Entretanto a função de proteção é possível, somente, quando eles estão associados a relés de proteção, que irão detectar anomalias no circuito, como surtos de tensão, correntes de curto-circuito e fluxo indevido de potência, dentre outras situações. Ocorrendo uma dessas situações, o disjuntor deve atuar de forma rápida, para que não danifique os equipamentos a montante e a jusante dele. Quando instalado sem estar associado a um relé, o disjuntor tem a função de uma chave de manobra. Segundo Mamede Filho (2013, p. 403):

A função principal de um disjuntor é interromper as correntes de defeito de um determinado circuito durante o menor espaço de tempo possível. Porém, os disjuntores são também solicitados a interromper correntes de circuitos operando a plena carga e a vazio, e a energizar os mesmos circuitos em condições de operação normal ou em falta.

O disjuntor apresenta características únicas que o diferenciam dos demais equipamentos, não podendo ser substituído por outro dispositivo. São projetados para trabalharem em ambientes com temperatura e umidade relativa durante bastante tempo.

Características Construtivas

Os disjuntores são classificados e denominados de acordo com o meio de extinção do arco elétrico. Os tipos comuns de disjuntores são:

• Disjuntores a sopro magnético — nestes disjuntores, o arco elétrico se forma no ar natural dentro do disjuntor, mas, pelo efeito da força eletromagnética, o arco elétrico é direcionado para uma câmara de extinção especial, onde o arco é dividido e alongado até ser extinto.

• Disjuntores a óleo — estes disjuntores apresentam custo reduzido, mas devem passar por manutenções regulares, pois o meio de extinção é o óleo isolante. São divididos em disjuntores de grande volume de óleo (GVO) e pequeno volume de óleo (PVO).

• Disjuntores a vácuo — estes disjuntores apresentam um vácuo na câmara de extinção. O vácuo presente na câmara é um excelente dielétrico, contribuindo para a rápida extinção do arco elétrico. Apresentam como vantagem a capacidade de serem realizadas várias manobras sem que eles sejam danificados. São bastante utilizados em circuitos que necessitam de muitas manobras (MAMEDE FILHO, 2013).

• Disjuntores a ar comprimido — nestes disjuntores, o meio de extinção é o ar sob alta pressão que resfria e extingue o arco. O ar que é utilizado é totalmente puro e sem umidade, para evitar que o arco seja restabelecido. São utilizados em subestações de alta tensão (MAMEDE FILHO, 2013).

• Disjuntores a SF6 — estes disjuntores utilizam o gás hexafluoreto de enxofre. Durante o movimento de abertura dos contatos do disjuntor, há a formação do arco elétrico que é extinto por uma das três formas de extinção utilizando o gás hexafluoreto de enxofre: dupla pressão, autocompressão e arco girante (MAMEDE FILHO, 2013). Em todos estes, a câmara de extinção do arco libera o gás no momento em que há o arco. São muito caros para aplicação em 69 e 138 kV.

Princípios de Funcionamento

O disjuntor é um dispositivo eletromecânico de manobra capaz de interromper as correntes de carga e de curto-circuito em alta velocidade, protegendo instalações elétricas contra sobrecargas. O disjuntor é comandado por relés para abertura do circuito, funcionando como dispositivo de proteção. Quando os disjuntores estão fechados, permitem a passagem da corrente nominal do circuito. Caso haja alguma situação anormal no circuito, o disjuntor deve atuar juntamente com a proteção e abrir o circuito com segurança.

Os disjuntores e os fusíveis têm a mesma função. No entanto, os disjuntores apresentam uma vantagem sobre os fusíveis, pois, na ocorrência de defeitos, os disjuntores podem ser rearmados, manualmente, podendo atuar de novo; já os fusíveis são utilizados uma única vez após atuarem. Por esse motivo, os disjuntores são utilizados tanto na manobra do circuito como na proteção do circuito.

A operação básica do disjuntor na subestação ocorre da seguinte forma: o relé secundário, por meio dos terminais secundários dos TPs e dos TCs, detecta alguma anormalidade no circuito. Uma das proteções presentes no relé é a de corrente de curto-circuito, que, quando detectada, faz com que os contatos internos do relé sejam fechados. O fechamento dos contatos do relé energiza a bobina de abertura do disjuntor, que é alimentada por uma fonte auxiliar. Por fim, o disjuntor faz a abertura do circuito, impedindo que a corrente de curto-circuito se propague no circuito.

O disjuntor é um dispositivo que tem a capacidade de ser utilizado sobre carga, ou seja, as cargas podem estar sendo alimentadas quando houver a abertura do circuito. Entretanto a abertura de qualquer tipo de chave sobre carga cria um arco elétrico, sendo necessários uma rápida desionização e um resfriamento do arco elétrico (MAMEDE FILHO, 2013). Por essa razão, existem diversos tipos de disjuntores, cada um tendo o próprio meio de extinção do arco elétrico, o que deve ocorrer de forma rápida; caso contrário, o circuito continuará sendo alimentado com uma corrente alta, ligada através do arco elétrico.

Especificação Técnica

Segundo a NBR 7118 e a NBR 62271-100, as especificações das características elétricas e mecânicas dos disjuntores são:

• corrente nominal (A) — corresponde ao limite de corrente que o disjuntor suporta nos contatos sem haver aumento de temperatura e sem comprometer o funcionamento devido à sobrecarga do circuito;
• tensão nominal (kV) — corresponde à tensão da rede elétrica em que o disjuntor foi dimensionado e instalado, na qual os contatos mantêm a estrutura isolada eletricamente daquela tensão sem serem danificados;
• capacidade dinâmica ou instantânea — é a capacidade do disjuntor de suportar o valor de crista inicial da corrente de curto-circuito assimétrica. Esta corrente apresenta várias cristas, antes de estabilizar a corrente;
• corrente de interrupção ou ruptura (kA) — é a corrente máxima com que o disjuntor é capaz de atuar com segurança. Acima deste valor, é possível que o disjuntor seja danificado. Deve ser maior que a máxima corrente de curto-circuito trifásica ou que a fase-terra calculada no ponto de instalação;
• corrente de fechamento — é a corrente máxima que o disjuntor suporta, que garanta o fechamento do circuito;
• corrente de disparo — as correntes de disparo devem ser menores do que as correntes de curto-circuito na zona de proteção do equipamento;
• temporização — o disjuntor deve apresentar um tempo de atuação rápido o suficiente para a extinção da corrente de curto-circuito detectada pelos instrumentos de medição, possibilitando a coordenação com o sistema de proteção da subestação;
• Nível Básico de Isolamento (NBI) — corresponde ao nível de isolamento do disjuntor a um impulso atmosférico. Em circuitos de média tensão, são considerados equipamentos com NBI de 95 kV.

Normas Recomendadas

A NBR IEC 62271-100, de 05/2012, trata de equipamentos de alta-tensão. Esta é uma tradução da norma internacional IEC de mesmo número, que trata das características construtivas e especificações técnicas dos disjuntores, além dos testes a que esses disjuntores devem ser submetidos, tais como: teste do dielétrico, medição de resistência, continuidade nos contatos, dentre outros, que asseguram o correto funcionamento dos disjuntores. A norma é destinada somente a disjuntores que operam em frequências de 50 e 60 Hz com tensão superior a 1.000 V, já que, abaixo dessa tensão, o circuito se classifica como de baixa tensão, de acordo com a NBR 5410.

As concessionárias utilizam essa norma para confecção das demais normas técnicas das concessionárias, nas quais são cobrados testes e especificações técnicas. Isso garante a segurança do sistema elétrico, tanto para a concessionária como para os acessantes da rede. Testes mais rigorosos são exigidos dos fabricantes na fabricação dos equipamentos. Dos acessantes da rede, é exigido que os disjuntores sejam testados na etapa de comissionamento da subestação.

Todo equipamento no sistema elétrico de potência necessita passar por ensaios e por comissionamento, quando instalado no circuito, para ter o funcionamento garantido. Os ensaios realizados nos disjuntores asseguram que as peças internas do disjuntor estejam funcionando adequadamente. Os ensaios podem envolver situações anormais que o disjuntor possa vir a sofrer, por exemplo, surtos de sobretensão, devido a descargas atmosféricas ou, até mesmo, surtos na rede da concessionária. Existem, também, normas complementares à NBR IEC 62271-100, que são:

• NBR IEC 62271-102 — equipamentos de alta-tensão — parte 102: seccionadores e chaves de aterramento.
• NBR IEC 60694 —especificações comuns para normas de equipamentos de manobra de alta-tensão e mecanismos de comando.
• NBR IEC 60529 — graus de proteção providos por invólucros (códigos IP).