Medição de corrente por transformadores de corrente de fluxo zero em barramentos isolados a gás (GIS)

A crescente complexidade da rede elétrica, especialmente com a incorporação de dispositivos baseados em eletrônica de potência, torna necessárias técnicas de medição rastreáveis. Essas são cruciais para determinar com precisão os componentes de alta frequência de correntes elétricas elevadas. Na medição não intrusiva de correntes elétricas AC e DC, o acoplamento magnético em transformadores de corrente é amplamente utilizado.

O erro de um transformador de corrente está diretamente relacionado à magnetização de seu núcleo. Esta conexão inerente naturalmente promove a exploração de métodos para mitigar este fluxo magnético. Uma dessas abordagens é a técnica de fluxo zero. Nesta técnica, uma corrente compensadora de equilíbrio é introduzida para induzir fluxo zero no núcleo magnético.

Os transformadores de corrente de fluxo zero pertencem à categoria de Transformadores de Instrumentos de Baixa Potência (LPITs). Os LPITs oferecem numerosas vantagens, incluindo tamanho menor, consumo de energia reduzido, segurança aprimorada, maior precisão e confiabilidade de sinal melhorada. Com a implementação da comunicação digital em subestações de acordo com o padrão IEC61850-9-2, a utilização de LPITs em Subestações Isoladas a Gás (GIS) deve se tornar mais prevalente.

Uma bobina de detecção é responsável por sentir o fluxo magnético dentro do núcleo. Um sistema de controle em malha fechada, composto por um amplificador e uma bobina de realimentação, gera uma corrente secundária. Esta corrente secundária é projetada para contrariar o fluxo produzido pela corrente primária, criando assim um “Transformador de Corrente de Fluxo Zero”. 

A corrente secundária então passa por um resistor de carga preciso, gerando um sinal de tensão proporcional à corrente primária. Nessa configuração, o material magnético do núcleo permanece não excitado, garantindo que não exiba efeitos de histerese ou saturação. No entanto, em condições de corrente contínua (DC) ou de baixa frequência, o mecanismo de cancelamento de fluxo enfrenta desafios. A bobina de detecção é incapaz de medir o fluxo residual nessas circunstâncias, e, portanto, o fluxo não pode ser efetivamente cancelado. 

Para abordar as medições de corrente contínua, um sensor de fluxo DC é incorporado. Este pode ser um sonda Hall embutida no núcleo ou um circuito de fluxo-gate equipado com duas bobinas adicionais de controle e detecção. Vantagens dos Transformadores de Corrente de Fluxo ZeroOs sensores de fluxo zero AC exibem alta linearidade e precisão. Eles são imunes às características do núcleo magnético, resultando em um pequeno erro de fase. A precisão desses sensores é determinada principalmente pela precisão do resistor de carga.

A adição de uma sonda Hall ou um detector de fluxo-gate permite a medição de correntes DC. Estes sensores são altamente resistentes a interferências eletromagnéticas, garantindo operação confiável em diversos ambientes eletromagnéticos. Desvantagens dos Transformadores de Corrente de Fluxo ZeroO sensor requer uma fonte de alimentação externa e um amplificador para funcionar. Um circuito secundário com falha tem o potencial de gerar tensões perigosas, representando um risco de segurança. Exemplo de Uso de Transformador de Corrente de Fluxo Zero no Projeto Kii-Channel HVDC Link para GIS DC 500 kV ao Ar LivreNo projeto Kii-Channel, transformadores de corrente de fluxo zero são utilizados. 

A Figura 2 apresenta o diagrama de blocos e os detalhes de hardware do TC. A corrente a ser medida, (Ip), gera um fluxo magnético que é influenciado pela corrente (Is) na bobina secundária ((Ns)).Três núcleos toroidais, localizados dentro do compartimento GIS, são empregados para detectar o fluxo. Os núcleos (N1) e (N2) são dedicados à detecção dos componentes DC do fluxo residual, enquanto (N3) é responsável por detectar o componente AC. Um oscilador impulsiona o par de núcleos de detecção de fluxo DC ((N1) e (N2)) para saturação em direções opostas.

Se o fluxo DC remanescente for zero, as correntes de pico resultantes em ambas as direções serão iguais. No entanto, se o fluxo DC for diferente de zero, a diferença entre esses picos será proporcional ao fluxo DC residual. Ao combinar o componente AC detectado por (N3), estabelece-se um loop de controle. Este loop gera a corrente secundária (Is) de tal forma que anula o fluxo total. Um amplificador de potência fornece a corrente (Is) à bobina secundária (Ns). Posteriormente, a corrente secundária é direcionada ao resistor de carga, que converte a corrente em um sinal de tensão equivalente. A precisão da medição é determinada tanto pelo resistor de carga quanto pela estabilidade do amplificador diferencial.

Os transformadores de corrente de fluxo zero são instrumentos de precisão projetados para medições AC e AC/DC. Atualmente, eles são mais comumente usados em Subestações Isoladas a Gás (GIS) de Corrente Contínua de Alta Tensão (HVDC). O princípio de medição de um transformador de corrente de fluxo zero AC é ilustrado na Figura 1.