Nos sistemas de medição e monitoramento de energia, os medidores de energia que exigem transformadores de corrente (TCs) externos são onipresentes; eles são nossos “olhos” para detectar com precisão grandes correntes. Contudo, dentro deste sistema sofisticado existe uma regra crucial que deve ser sempre seguida: o lado secundário do transformador de corrente nunca deve ser operado em condição de circuito-aberto. Este artigo irá aprofundar os princípios e perigos por trás desta regra.
O princípio normal de funcionamento de um transformador de corrente
Um transformador de corrente (TC) é um tipo especial de transformador que opera com base no princípio da indução eletromagnética. Seu projeto principal concentra-se na “redução de corrente” e no “isolamento”.
1. Estrutura: Normalmente consiste em um núcleo de ferro fechado, um enrolamento primário com menos voltas (conectado em série ao circuito principal) e um enrolamento secundário com mais voltas (conectado ao medidor de energia).
2. Estado Ideal: Em um circuito normalmente fechado, o TC opera em um estado aproximadamente de “curto-circuito”. De acordo com a lei circuital de Ampère e a lei da indução eletromagnética, a corrente primária I1 gera um fluxo magnético alternado Φ no núcleo de ferro, que por sua vez induz uma corrente I2 no lado secundário. A relação entre eles é:
I1 × N1=I2 × N2 + Im×N1
onde N1 e N2 são o número de voltas dos enrolamentos primário e secundário e Im é a corrente de excitação. Devido à grande impedância de excitação no projeto, Im é muito pequeno, portanto, no caso ideal, pode ser simplificado para:
Aqui, Kn é a taxa de transformação nominal, por exemplo, 1000/5A. Neste momento, a grande corrente no lado primário é convertida de forma precisa e proporcional em uma pequena corrente no lado secundário (geralmente um valor padrão de 5A ou 1A) para medição segura pelo instrumento. Ao mesmo tempo, o potencial do circuito secundário do TC é muito baixo (geralmente apenas alguns volts), o que está dentro de uma faixa segura.
Análise principal quando o lado secundário está em circuito-aberto
Quando o circuito secundário fica aberto devido a terminais soltos, fios quebrados ou desconexão acidental durante o teste, seu estado operacional sofre uma mudança catastrófica.
| Condição Operacional | Normalmente fechado | Circuito Aberto Secundário |
|---|---|---|
| Corrente Secundária I₂ |
Presente, proporcional a I₁ | I₂ = 0 |
| Fluxo Magnético Central Φ |
O fluxo desmagnetizante produzido por I₂ suprime efetivamente o fluxo central, mantendo um nível baixo | A supressão está perdida; o fluxo satura rapidamente a um nível extremamente alto |
| Tensão Secundária U₂ |
Muito baixo (alguns volts) | Alta tensão induzida na faixa de vários quilovolts até dezenas de quilovolts |
| Natureza Física | Acoplamento forte, feedback negativo profundo: I₂ se opõe fortemente às mudanças em Φ | Feedback interrompido, acúmulo de energia: todas as voltas-de ampere primárias (I₁N₁) são usadas para magnetização |
Os principais processos físicos são os seguintes👇:
1. Desaparecimento do feedback desmagnetizante:Durante a operação normal, o fluxo magnético gerado pela corrente secundária I2 é sempre oposto em direção ao fluxo magnético gerado pela corrente primária I1, criando um forte efeito de "desmagnetização" que limita o fluxo magnético resultante no núcleo de ferro a um nível baixo. Depois que o circuito é aberto, I2=0, e o efeito desmagnetizante cai instantaneamente para zero.
2. Saturação rápida do fluxo magnético:As voltas-de ampere primárias não balanceadas I1N1 são inteiramente convertidas em voltas-de ampere excitantes. Como a área da seção transversal-do núcleo de ferro é projetada para baixa densidade de fluxo magnético, o núcleo de ferro entra rapidamente em um estado de saturação profunda.
De acordo com a lei da indução eletromagnética de Faraday, o fluxo magnético alternado induz uma força eletromotriz através dos enrolamentos. Com o rápido aumento do fluxo magnético, uma tensão U2 extremamente alta será induzida no enrolamento secundário.
3. Geração de alta tensão:Sob condições de frequência de energia, para uma corrente primária de várias centenas de amperes, a tensão induzida no lado secundário-de circuito aberto pode facilmente atingir vários milhares de volts e, em casos extremos, pode exceder 10 quilovolts.
Os perigos de um circuito aberto no lado secundário de um transformador de corrente.
A alta tensão e os fenômenos associados causados por um circuito-aberto secundário podem desencadear uma série de riscos de reações-em cadeia.
1. Risco de choque elétrico para o pessoal
Existem milhares de volts de alta tensão nos terminais da fiação secundária, criando diretamente um grave risco de choque elétrico. O pessoal de manutenção e inspeção poderá sofrer choque elétrico se tocar acidentalmente nestes terminais sem a proteção adequada.
2. Danos ao equipamento
● Quebra de isolamento: A alta tensão pontuará primeiro o isolamento entre as espiras do enrolamento secundário, entre as camadas, ou o isolamento entre o circuito secundário e o terra, causando danos permanentes ao TC.
● Superaquecimento e Queima: Depois que o núcleo fica altamente saturado, ele gera enormes correntes parasitas e perdas por histerese, causando superaquecimento do núcleo. Isto pode queimar o isolamento do enrolamento e até provocar um incêndio.
● Arco e Explosão: Pontos-de circuito abertos (como terminais soltos) gerarão arcos sustentados sob alta tensão. A alta temperatura dos arcos pode danificar equipamentos, inflamar materiais combustíveis circundantes e o gás-de alta temperatura acumulado em gabinetes fechados pode até causar uma explosão elétrica.
3. Riscos à operação do sistema
Perda e falha na medição: para medidores de eletricidade do tipo CT-, a corrente de entrada torna-se zero, impossibilitando-os de medir eletricidade. Isto leva à perda de electricidade medida e pode desencadear disputas sobre acordos comerciais.
Faíscas perigosas de alta-tensão: elas não atuam apenas como fonte de ignição, mas os intensos pulsos eletromagnéticos que geram também podem interferir em equipamentos eletrônicos próximos.
Conclusão
Um circuito aberto no lado secundário de um transformador de corrente (TC) desencadeia um acúmulo violento de energia eletromagnética, que é finalmente liberada na forma de alta tensão, arcos fortes e superaquecimento – um processo físico catastrófico. Portanto, em todos os trabalhos envolvendo circuitos de TC, “prevenir circuitos abertos” deve ser um procedimento rigorosamente seguido.
Ao mesmo tempo, o lado secundário do transformador de corrente conectado ao medidor de energia deve ser aterrado. Isto, juntamente com a “proibição estrita de circuitos abertos no lado secundário”, são as duas principais regras rígidas para operação e manutenção de TC. O aterramento permite que a alta tensão seja rapidamente descarregada para o solo através do fio terra, evitando um aumento repentino no potencial secundário que poderia causar danos ao equipamento ou acidentes por choque elétrico.