A tensão do ponto de joelho (KPV) de um transformador de corrente é um parâmetro crítico que define o limite entre as regiões lineares e saturadas da característica de magnetização do TC. Representa a tensão secundária máxima na qual o TC pode operar enquanto mantém uma relação substancialmente linear entre a tensão aplicada e a corrente de excitação. Além do ponto de joelho, pequenos aumentos na tensão causam grandes aumentos na corrente de excitação, e a capacidade do TC de transformar a corrente com precisão é severamente comprometida.
A tensão do ponto de joelho é formalmente definida como a tensão na qual um aumento de 10% na tensão aplicada causa um aumento de 30% a 50% na corrente secundária. Esta definição é especificada nas normas IEC e fornece um método padronizado para caracterizar o início da saturação. De acordo com a norma IEC, o ponto de joelho é definido como o ponto em que um aumento de tensão de 10% causa um aumento de corrente de 50%. Esta definição permite que os engenheiros comparem TCs de diferentes fabricantes de forma consistente.
A tensão do ponto de joelho é determinada pelas propriedades magnéticas do núcleo do TC e pelo número de voltas secundárias. Um núcleo maior com maior densidade de fluxo de saturação e mais espiras secundárias terá uma tensão de joelho mais alta. A tensão do ponto de joelho é normalmente medida aplicando-se uma tensão CA variável ao enrolamento secundário com o primário em circuito-aberto e registrando a corrente de excitação em cada nível de tensão. A curva de excitação resultante mostra uma região linear em baixas tensões, uma região de transição (o joelho) e uma região saturada em altas tensões.
Em aplicações de proteção, a tensão do ponto de joelho é de particular importância. Os TCs de proteção devem manter sua precisão durante condições de falta, quando as correntes primárias podem atingir muitas vezes o valor nominal. A tensão secundária durante uma falta é determinada pelo produto da corrente secundária e da carga secundária total. Se esta tensão exceder a tensão do ponto de joelho, o TC saturará e a corrente secundária não representará com precisão a corrente de falta primária. Isto pode fazer com que os relés de proteção não funcionem ou operem com atraso excessivo.
A tensão do ponto de joelho necessária para uma aplicação de proteção depende do esquema de proteção específico e dos parâmetros do sistema. Para proteção diferencial, a tensão do ponto de joelho deve ser alta o suficiente para garantir a estabilidade durante-condições de falta. A tensão necessária do ponto de joelho é normalmente calculada usando a fórmula: VK Maior ou igual a 2 × VS, onde VS é a tensão estabilizadora. Isto garante que o TC possa conduzir a corrente necessária através do circuito do relé durante uma falta interna, permanecendo estável durante faltas externas.
A tensão do ponto de joelho pode ser calculada a partir dos dados nominais do TC usando fórmulas empíricas. Uma fórmula comum é: VKP=(R1 + Prated/Irated) × n × Irated, onde R1 é a resistência do enrolamento secundário, Prated é a carga nominal, Irated é a corrente secundária nominal e n é o fator limite de precisão. Esta fórmula fornece uma estimativa da tensão do ponto de joelho com base nos dados da placa de identificação do TC e pode ser usada para cálculos preliminares de projeto.
Para um TC de proteção típico com classificação 15 VA, 5P10, a tensão estimada do ponto de joelho pode ser calculada como: VK=(VA × ALF / In) + (ALF × In × Rct), onde VA é a carga nominal, ALF é o fator limite de precisão, In é a corrente secundária nominal e Rct é a resistência do enrolamento secundário. Usando os valores deste exemplo: VK=(15 × 10/5) + (10 × 5 × Rct)=30 + 50 × Rct. Para um TC com resistência do enrolamento secundário de 0,5 Ω, a tensão estimada do ponto de joelho seria 30 + 25=55 V.
A tensão do ponto de joelho está intimamente relacionada ao fator limite de precisão (ALF). O ALF especifica o múltiplo da corrente primária nominal na qual o TC ainda deve manter sua precisão especificada. Um TC com ALF alto deve ter uma tensão alta no ponto de joelho para suportar a alta corrente secundária que flui durante condições de falta. A relação entre ALF e a tensão do ponto de joelho é aproximadamente linear, assumindo carga e resistência do enrolamento constantes.
Na prática, a tensão do ponto de joelho é verificada durante o teste do TC para garantir que o TC atenda às suas especificações. O teste envolve a aplicação de uma tensão variável ao enrolamento secundário e a medição da corrente de excitação em cada nível de tensão. O ponto de joelho é identificado na curva de excitação como o ponto onde a curva começa a se desviar da linearidade. Um TC com uma tensão de joelho anormalmente baixa pode indicar danos no núcleo, material incorreto do núcleo ou problemas no enrolamento.
A tensão do ponto de joelho também tem implicações para a segurança do TC. Se o circuito secundário for aberto enquanto a corrente primária flui, a tensão no secundário aberto pode subir a níveis perigosos, limitados apenas pela tensão do ponto de joelho e pelas características de saturação do núcleo. É por isso que o circuito secundário de um TC nunca deve ser aberto enquanto a corrente primária estiver fluindo. A alta tensão que aparece nos terminais secundários pode colocar pessoas em perigo e danificar equipamentos.
Em resumo, a tensão do ponto de joelho é um parâmetro fundamental que caracteriza o comportamento de saturação de um transformador de corrente. Ele define o limite entre operação linear e saturada e é essencial para garantir que os TCs de proteção funcionem de forma confiável durante condições de falta. A seleção adequada da tensão do ponto de joelho-com base nos requisitos da aplicação e nos parâmetros do sistema-é essencial para a operação confiável do sistema de proteção.