Simulador de saturação de TC — veja o curto alto cegar o relé de proteção

Por que um TC satura e cega a proteção

O transformador de corrente é o sensor da proteção: ele pega a corrente que passa pela linha de média ou alta tensão e entrega, no secundário, uma cópia em escala reduzida — tipicamente 5 A ou 1 A em corrente nominal. O relé de sobrecorrente, o relé diferencial, o medidor, todos enxergam a instalação através do TC. Se o TC mente, a proteção decide errado. E o TC tem um limite físico para dizer a verdade: o seu núcleo magnético.

A relação fundamental é simples: a corrente do secundário é a corrente do primário dividida pela relação de transformação (RTC). Um TC de 200/5 tem RTC de 40: uma corrente de 200 A na linha vira 5 A no secundário. Isso vale enquanto o núcleo está na sua região linear. Mas o núcleo precisa de uma certa tensão no secundário para empurrar a corrente pela carga — e essa tensão tem um teto. Acima do teto, chamado de tensão de joelho, o ferro do núcleo satura: por mais corrente de primário que chegue, o secundário não consegue mais reproduzi-la. A corrente que deveria ir para o relé é desviada para magnetizar o ferro — a chamada corrente de excitação — e o sinal útil despenca.

O resultado é cruel justamente no pior momento. Num curto franco, com dezenas de kA na barra, a corrente do primário sobe muito acima do nominal. O secundário tenta acompanhar, atinge o joelho em uma fração de ciclo e colapsa: o que chega ao relé são pulsos estreitos perto do cruzamento por zero, separados por longos trechos de sinal quase nulo. O relé, que precisa de corrente acima do pickup por tempo suficiente, pode simplesmente não enxergar o curto. A barra está em chamas e a proteção dorme. É esse fenômeno que o simulador acima coloca na tela, ciclo a ciclo.

Os quatro fatores que mandam na saturação

O simulador foi desenhado para você ver o efeito de cada ajuste sobre a saturação. Quatro grandezas governam o quão cedo e quão fundo o TC satura, e entender a relação entre elas é o que separa quem decora o ALF de quem realmente dimensiona um TC de proteção.

O múltiplo de curto — a violência do evento

O múltiplo de curto é a razão entre a corrente de falta e a corrente nominal do primário. É o parâmetro mais dramático: quanto maior o múltiplo, mais cedo no ciclo a tensão no secundário atinge o joelho e mais fundo o núcleo entra na saturação. Os bicos de corrente que sobram para o relé ficam mais curtos e a área de corrente perdida cresce. No simulador, deslize o múltiplo de cinco para quarenta e veja o sinal azul do secundário ir de uma senoide fiel a um punhado de pulsos — o caso central da saturação.

O burden — a carga do secundário

O burden é a carga total do circuito secundário: a impedância do relé somada à resistência dos cabos de ida e volta até o painel. A tensão que o TC precisa gerar é a corrente secundária vezes o burden, então quanto maior o burden, mais cedo o joelho é atingido. A regra de bolso é direta: dobrar o burden corta pela metade o múltiplo de curto que o TC suporta sem saturar. Por isso cabo secundário longo e de seção pequena, e relés eletromecânicos pesados, são vilões silenciosos — eles empurram um TC bem especificado para a saturação. O simulador calcula a resistência estimada do cabo a partir do comprimento e da seção, para você somar ao burden e enxergar o impacto.

O ALF e a tensão de joelho — a capacidade do TC

O ALF, fator de limite de acurácia, é o múltiplo da corrente nominal até o qual o TC mantém o erro dentro da classe, na carga nominal. Um TC 5P20 tem ALF 20: fiel até cerca de vinte vezes o nominal. O ALF está diretamente ligado à tensão de joelho — subir o ALF sobe o joelho e mantém a fidelidade em curtos mais altos. Especificar um TC com ALF maior, ou reduzir o burden, é exatamente como se destranca a proteção para curtos elevados. No simulador, troque o ALF de 20 para 40 com o mesmo curto e veja a saturação recuar.

A componente DC — o vilão

Um curto que começa fora da passagem por zero da tensão carrega uma componente contínua (DC) que decai com a constante de tempo da rede. Essa componente faz o fluxo magnético do núcleo se empilhar em vez de voltar a zero a cada meio ciclo — o pico de fluxo pode chegar a duas ou três vezes o do caso puramente alternado, atingindo o joelho já no primeiro ou segundo ciclo. É por isso que a componente DC é o pior caso: ela cega o TC bem no início do curto, justamente quando a proteção mais precisa atuar. Depois, conforme a DC decai, a saturação alivia e o relé volta a enxergar. Ligue a DC no simulador, com um múltiplo que sozinho não saturaria, e veja o primeiro ciclo desabar.

Como ler o oscilograma duplo

O coração do simulador é o oscilograma duplo, com varredura da esquerda para a direita como num osciloscópio de verdade. Ele põe lado a lado as duas histórias da mesma corrente.

O painel superior mostra a corrente primária, normalizada pela corrente nominal. É a corrente real que passa pela linha durante o curto — uma senoide grande que, com a componente DC ligada, ganha um deslocamento que decai ao longo dos ciclos. Esse é o sinal verdadeiro, o que o TC deveria reproduzir.

O painel inferior mostra o que o relé realmente vê, em múltiplos da corrente nominal do secundário. Há dois traços sobrepostos. O cinza pontilhado é o ideal: o que o relé veria se o TC fosse perfeito, a primária dividida pela relação. O azul é o sinal real, com o efeito da saturação. Quando não há saturação, os dois traços coincidem — o TC é fiel. Quando o núcleo satura, o azul diverge: os picos ficam clipados, surgem bicos perto do cruzamento por zero e abre-se uma área vermelha entre os dois traços. Essa área é a corrente que o relé perdeu — literalmente a parte da falta que sumiu antes de chegar à decisão de trip. A linha tracejada de pickup marca o limiar do relé: se o sinal azul não cruza essa linha por tempo suficiente, o relé fica cego.

Logo abaixo, a curva de excitação do núcleo (λ contra a corrente de excitação) mostra um ponto que percorre a curva ao longo do ciclo. Enquanto o ponto fica abaixo do joelho, na região linear, o TC é fiel; quando ele cruza o joelho e sobe pela parte íngreme, a excitação explode e o secundário colapsa. Ver o ponto passar pelo joelho a cada meio ciclo é a tradução visual de tudo o que os parágrafos acima descrevem.

O que o simulador calcula (e o que fica a verificar)

Ser honesto sobre o modelo é parte de uma boa ferramenta de engenharia. A física aqui é didática e calibrada — não é a curva de excitação de um TC específico. O simulador monta a corrente primária instantânea com a componente DC, integra a tensão do secundário para obter o fluxo no núcleo e usa um modelo de joelho suavizado (uma função seno hiperbólico) para a corrente de excitação: abaixo do joelho ela é desprezível e o secundário é fiel; acima, ela cresce exponencialmente e o sinal útil desaba. A corrente que o relé vê é a corrente ideal menos a de excitação. A severidade é medida pelo quanto do componente fundamental de sessenta hertz sobrou no sinal — que é exatamente o que um relé de sobrecorrente integra.

Os coeficientes dessa curva são internos ao simulador, calibrados em relação ao ALF e ao burden que você informa — não são dados de fabricante. Por isso os valores absolutos que aparecem no painel de resultado vêm com asterisco: a tensão de joelho estimada, a corrente de curto e a tensão de pico no secundário são estimativas do modelo. O valor real da tensão de joelho, do ALF e da curva de excitação de um TC específico vem da plaqueta e do ensaio de excitação do equipamento. As normas que regem a classe e o ALF dos TCs de proteção — a família IEC 61869 e a versão brasileira anterior ABNT NBR IEC 60044-1 — devem ter a edição vigente conferida antes de qualquer citação numérica em documento técnico. A norma de relés de proteção e a NR de segurança no comissionamento entram do mesmo modo: citadas pelo nome, com a edição verificada na fonte.

O simulador também não resolve o laço magnético completo, não trata fluxo residual antes do curto (o pior caso real, ainda mais severo), não modela a curva de tempo inverso do relé nem dois TCs em paralelo num diferencial. Para isso existe o trabalho de engenharia: o dimensionamento do TC para a proteção, o ensaio de excitação em campo e o laudo com responsável técnico. É o que a Token Engenharia entrega, em todo o Brasil.

Como evitar a saturação do TC na prática

Saturação de TC não é fatalidade: ela se previne no projeto e se confirma no comissionamento. As alavancas, na ordem em que costumam render mais:

• Especifique o ALF certo para a corrente de curto da barra. O TC tem de ser fiel até o maior curto que a proteção precisa enxergar, na carga real — não na nominal de catálogo. Subir a classe (de 5P20 para 5P30, por exemplo) sobe o joelho.
• Reduza o burden. Use a maior seção de cabo viável, encurte o trecho do TC ao relé e prefira relés digitais (burden baixíssimo) a eletromecânicos. Cada ohm a menos no secundário é múltiplo de curto a mais antes do joelho.
• Considere a componente DC e o X/R da rede. Em barras de alto X/R, a DC decai devagar e a saturação dura mais ciclos. Isso entra no dimensionamento como um fator de sobredimensionamento do TC, não como detalhe.
• Ensaie a curva de excitação em campo. O ensaio de excitação levanta a tensão de joelho real do TC instalado — é a prova de que o equipamento entrega o que a plaqueta promete, e parte do comissionamento da proteção.

Reunir essas decisões — corrente de curto por barra, burden real, X/R, escolha do TC e ensaio — numa memória de cálculo com responsável técnico é o que transforma um palpite em proteção confiável.

Quando chamar a Token Engenharia

O simulador resolve a dúvida conceitual e treina o olho. Mas há um ponto em que a brincadeira didática vira responsabilidade de engenharia — e é aí que a Token entra:

• quando você precisa dimensionar o TC para uma proteção nova, com a corrente de curto real da barra e o burden real do circuito;
• quando uma proteção falhou ou atuou de forma estranha e há suspeita de saturação de TC — e isso precisa ser investigado e documentado;
• quando o comissionamento de um painel exige ensaio de excitação dos TCs, polaridade, relação e burden, com relatório;
• quando o cliente, o seguro ou a concessionária pedem um laudo com responsável técnico e ART sobre a proteção da instalação.

A Token Engenharia projeta e comissiona malhas de proteção, ensaia TCs e emite laudo com ART, atendendo indústrias, facilities e instalações em todo o Brasil. A ferramenta gratuita é o aperitivo; o estudo assinado é o prato principal.

Perguntas frequentes

O que é a saturação de um transformador de corrente (TC)?

É quando o núcleo magnético do TC deixa a região linear e entra em saturação: acima da tensão de joelho, a corrente de excitação dispara e quase nada da corrente do primário chega ao secundário. O TC para de reproduzir a corrente da linha, e o relé — que decide a partir do secundário — recebe um sinal mutilado e pode não atuar diante de um curto grande.

O que é a tensão de joelho (Vknee) de um TC?

É o ponto de inflexão da curva de excitação do núcleo: abaixo dela o TC é fiel; acima, satura e a excitação cresce exponencialmente. Quanto mais alta a tensão de joelho, mais corrente de curto o TC reproduz sem saturar. O valor real vem da plaqueta ou do ensaio de excitação — no simulador é estimativa do modelo, marcada com asterisco.

O que é o ALF (fator de limite de acurácia) de um TC de proteção?

É o múltiplo da corrente nominal até o qual o TC mantém o erro dentro da classe, na carga nominal. Um TC 5P20 tem ALF 20: fiel até cerca de vinte vezes o nominal. Especificar ALF maior sobe o joelho e mantém a fidelidade em curtos mais altos. A definição normativa está na família IEC 61869 / ABNT NBR IEC 60044-1, edição a verificar.

Por que o burden alto faz o TC saturar mais cedo?

A tensão que o TC gera no secundário é a corrente secundária vezes o burden. Quanto maior o burden, maior a tensão exigida e mais cedo essa tensão atinge o joelho. Dobrar o burden corta pela metade o múltiplo de curto que o TC suporta sem saturar — por isso cabo longo e fino e relé pesado importam.

Por que a componente DC do curto é o pior caso?

A componente contínua do curto faz o fluxo do núcleo se empilhar em vez de voltar a zero, levando o pico de fluxo a duas ou três vezes o do caso só alternado e atingindo o joelho já no primeiro ou segundo ciclo. Ela cega o TC no início do curto, quando a proteção mais precisa atuar; depois decai e a saturação alivia.

A saturação do TC sempre impede o relé de atuar?

Não. Em saturação leve o relé ainda vê corrente acima do pickup em parte do ciclo e pode atuar, talvez com atraso. Em saturação profunda sobram só pulsos estreitos e o relé pode ficar cego. O simulador classifica fiel, distorcido e cego pelo quanto do fundamental de sessenta hertz sobrou no sinal.

Este simulador substitui o ensaio de saturação do TC real?

Não. É um modelo didático calibrado, não a curva de um TC específico. A tensão de joelho, o ALF e a curva de excitação reais vêm da plaqueta e do ensaio, e o dimensionamento do TC é projeto de engenharia com responsável técnico e ART. A Token Engenharia projeta e comissiona proteção, ensaia TCs e emite laudo com ART em todo o Brasil.