Quando um eletricista de manutenção em um hospital de Cingapura conectou o desfibrilador portátil em uma tomada de parede comum para realizar um teste pós-reparo, o técnico não estava dependendo do disjuntor presente no edifício para fornecer proteção contra choque elétrico causado por falha de aterramento interna no desfibrilador. Ele confiou no transformador de isolamento — uma unidade especialmente projetada que forneceu isolamento elétrico entre o circuito da OR e a fonte principal de energia no edifício, forneceu um circuito secundário flutuante sem conexão ao aterramento, e estava equipado com um monitor de isolamento de linha (LIM) que monitorava continuamente o circuito e emitiria um alarme caso a impedância ao aterramento caísse abaixo de um valor seguro. Uma única falha no painel não causaria o desligamento do disjuntor; em um sistema isolado, não gera uma corrente de falha alta — a única coisa que acontece é uma conexão de um ponto do sistema flutuante ao aterramento; o funcionamento do restante do sistema continua sem interrupções. O papel do LIM é detectar essa condição e avisar o pessoal para que a procedimento seja concluído sem qualquer perda abrupta de energia durante a operação. Este é o princípio fundamental de operação dos transformadores de isolamento — não se trata apenas de aumentar ou diminuir a tensão. Um transformador de isolamento fornece um circuito eletricamente isolado no qual a ocorrência de uma única falha não prejudica ninguém e não causa uma interrupção na operação do equipamento. O conhecimento sobre a necessidade de usar transformadores de isolamento e seus princípios de operação, bem como a especificação e instalação desses dispositivos, deve ser possuído por qualquer engenheiro elétrico, gerente de instalações ou contratante que trabalhe na indústria médica ou industrial.
Um transformador de isolamento pode ser descrito como um transformador com uma relação de espiras de 1:1 (ou qualquer relação onde as tensões entre os lados primário e secundário sejam diferentes), que fornece isolamento galvânico das bobinas primária e secundária. A segunda bobina está eletricamente isolada da primeira (não há circuito fechado) e geralmente é configurada como flutuante (não aterrada) ou conectada ao terra através de alta impedância. Isso permite que ele desempenhe duas funções essenciais de segurança. Primeiro, garante a segurança do pessoal contra choques elétricos: ao estar em uma superfície aterrada, uma pessoa que está tocando um dos fios do segundo flutuante isolado não sente nenhum choque elétrico, porque não há circuito fechado através do terra de volta à fonte de tensão. Há um choque elétrico apenas quando a pessoa toca ambos os condutores ao mesmo tempo ou quando ocorre uma segunda falha de terra no outro condutor. Segundo, protege o equipamento contra correntes de falha de terra. Em um sistema isolado, apenas uma única falha de terra não causa uma corrente de falha muito alta, e o circuito não desarma. Os principais requisitos para o projeto e instalação de um transformador de isolamento são a resistência dielétrica de ambas as bobinas (que deve suportar pelo menos a tensão operacional mais uma margem; por exemplo, 1500 V para um sistema de 120 V), um escudo eletrostático que previne a possível conexão capacitiva dos lados primário e secundário, aterramento do invólucro e núcleo (com a exigência de que o núcleo deve ser conectado ao condutor de aterramento no lado de alimentação), e uso de um monitor de isolamento de linha (LIM) no lado secundário do transformador. De acordo com o NEC 517, fontes de alimentação elétrica isoladas (que são compostas por transformadores, LIMs e condutores secundários não aterrados) devem ser usadas em salas de cirurgia e áreas onde procedimentos molhados ocorrem em instalações médicas. Este conceito também pode ser aplicado em sistemas de controle e laboratórios.
Como um Transformador de Isolamento Funciona — e Como Ele Difere de um Transformador Padrão
Um transformador isola suas duas bobinas na medida em que não existe conexão direta entre os dois circuitos e a transferência de energia ocorre através do campo magnético do núcleo. Mas um transformador convencional é feito para garantir que a bobina secundária esteja aterrada. A principal razão para o aterramento é fornecer um caminho de baixa impedância para a corrente de falha, de modo que qualquer falha à terra resulte em uma grande corrente que desarme imediatamente o dispositivo de sobrecorrente. Este método é eficiente e seguro em muitos casos, mas tem uma desvantagem. Quando uma pessoa toca um circuito energizado enquanto está em um objeto aterrado, ela se torna parte do circuito de falha, e mesmo que a corrente seja muito baixa, isso ainda pode custar sua vida. No entanto, um transformador de isolamento funciona de maneira diferente. Ao fornecer a bobina secundária flutuante, que não está conectada à terra e está conectada através de uma alta impedância, não há um caminho de baixa impedância entre os condutores do secundário e a terra. Portanto, mesmo que uma pessoa toque um dos condutores enquanto está em uma superfície aterrada, ela não está quebrando o circuito, porque o secundário não tem aterramento. Corrente perigosa só pode passar por uma pessoa se essa pessoa estiver em contato com ambos os condutores secundários ao mesmo tempo, ou se uma segunda falha à terra ocorrer no segundo condutor, enquanto a primeira falha ainda estiver presente. Este princípio (que indica que uma única falha à terra não pode causar um choque, e portanto não leva ao desligamento do circuito) é a razão pela qual os transformadores de isolamento são utilizados em locais onde uma parada súbita do fornecimento elétrico pode resultar em um acidente, e onde choques de falha à terra podem ocorrer devido à água, líquidos condutores ou à presença de pacientes que não conseguem deixar o local.
As diferenças físicas entre um transformador regular e um transformador de isolamento não são grandes, mas ainda podem ser significativas. O transformador de isolamento geralmente contém um escudo eletrostático, que é uma folha condutora aterrada (tela) colocada entre as bobinas primária e secundária e que previne o acoplamento capacitivo das bobinas. O escudo eletrostático está conectado ao condutor de aterramento do lado de alimentação, o que permite desviar a corrente capacitiva para a terra antes que ela possa alcançar o circuito secundário. O sistema de isolamento do transformador deve ter a capacidade de suportar a tensão total entre as bobinas primária e secundária, mais um fator de segurança (na prática, é exigido que suporte 1.500 V CA ou mais para o sistema de 120 V e 2.500 V CA ou mais para o sistema de 240 V). Para uma visão completa da gama de transformadores de isolamento e transformadores especiais disponíveis para diferentes aplicações, consulte o catálogo de produtos em Subian Elétrico.
Onde os Transformadores de Isolamento São Necessários — e Onde Eles São Recomendados
A tabela abaixo resume as aplicações mais comuns para transformadores de isolamento, o requisito específico de segurança ou operacional que o transformador aborda, e o padrão ou código aplicável que rege a instalação.
| Aplicação | O que o Transformador de Isolamento Fornece | Norma ou Código Aplicável |
|---|---|---|
| Salas de cirurgia de hospitais e locais de procedimentos úmidos | Um sistema de energia isolado e não aterrado que impede que uma única falha de aterramento cause um choque ou interrompa a energia. Um monitor de isolamento de linha (LIM) verifica continuamente a impedância para o aterramento e alarma se uma primeira falha ocorrer. O sistema permite que o procedimento cirúrgico continue com segurança enquanto o equipamento com falha é identificado e removido. | Artigo 517 do NEC (Instalações de Saúde), NFPA 99 (Código de Instalações de Saúde). O NEC exige sistemas de energia isolados em salas de cirurgia e outros locais de procedimentos úmidos, a menos que a instalação seja projetada sob as disposições do “sistema elétrico essencial” que permitem uma abordagem alternativa. |
| Painéis de controle industriais e máquinas | Isolamento galvânico do circuito de controle em relação ao circuito de potência, que protege o PLC, os sensores e a interface do operador de picos de tensão, ruído de loop de aterramento e falhas de aterramento no lado da potência. O transformador de isolamento também permite que o circuito de controle seja aterrado ou deixado flutuante independentemente do sistema de potência. | Artigo 409 do NEC (Painéis de Controle Industriais), NFPA 79 (Norma Elétrica para Máquinas Industriais). UL 508A é a norma para construção de painéis de controle industriais e exige que os transformadores de controle forneçam isolamento entre os circuitos de potência e de controle. |
| Bancadas de teste de laboratório e equipamentos de pesquisa | Uma fonte de alimentação isolada e flutuante que protege instrumentos sensíveis de ruídos elétricos e loops de aterramento, e que protege o pessoal de choques ao trabalhar com condutores expostos e energizados durante testes e desenvolvimento. Um transformador de isolamento permite que o experimentador conecte uma sonda de osciloscópio aterrada a um circuito flutuante sem criar uma falha de aterramento. | Nenhuma norma obrigatória se aplica a todos os laboratórios, mas os princípios da NFPA 70E (Segurança Elétrica no Local de Trabalho) e as normas IEC relevantes para equipamentos de laboratório se aplicam. Muitas universidades e instituições de pesquisa exigem transformadores de isolamento em todas as fontes de alimentação de bancadas de teste. |
| Sistemas elétricos marinhos e offshore | Isolamento do sistema de aterramento da energia da costa, que previne a corrosão galvânica do casco do navio e dos metais subaquáticos pela corrente de aterramento do lado da costa. O transformador de isolamento quebra a conexão metálica entre o condutor de aterramento do lado da costa e o sistema de aterramento do navio, enquanto ainda fornece um secundário aterrado para o sistema elétrico do navio através da própria referência de aterramento do navio. | Norma E-11 do American Boat and Yacht Council (ABYC) (Sistemas Elétricos AC e DC em Barcos), ISO 13297 (Embarcações Pequenas — Sistemas Elétricos — Instalações de Corrente Alternada). Transformadores de isolamento marinhos são uma categoria de produto específica projetada para o ambiente marinho úmido, corrosivo e propenso a vibrações. |
| Equipamentos de áudio, vídeo e transmissão | Eliminação do ruído e zumbido de loop de terra ao isolar a fonte de alimentação do equipamento do sistema de aterramento do edifício. Um transformador de isolamento quebra o loop de terra que, de outra forma, permitiria que a corrente de 60 Hz fluísse através dos escudos dos cabos de áudio ou vídeo, o que introduziria um zumbido no sinal. | Nenhum código elétrico obrigatório exige transformadores de isolamento para equipamentos de áudio, mas eles são prática padrão em estúdios de gravação profissionais, instalações de transmissão e sistemas de som ao vivo. A Audio Engineering Society (AES) publica práticas recomendadas para aterramento e interface que fazem referência a transformadores de isolamento. |
Como Especificar e Instalar um Transformador de Isolamento Corretamente
A especificação e instalação adequadas de transformadores de isolamento requerem o ajuste das propriedades elétricas do transformador de isolamento à carga e ao esquema de proteção apropriado, além de cumprir os requisitos relevantes de aterramento e ligação. Entre as especificações principais estão a classificação em kVA (que deve levar em conta a carga conectada — a regra de carga contínua 80% deve ser aplicada para garantir uma margem térmica adequada e permitir o aumento futuro da carga), tensão primária e tensão secundária (a tensão pode ser a mesma em ambos os lados primário e secundário — por exemplo, 120 V de entrada, V de saída, no caso de isolamento puro — ou diferente se for necessário converter a tensão), escudo eletrostático (especialmente durante a instalação em aplicações onde ruído elétrico, picos de tensão ou corrente de modo comum no lado primário podem influenciar negativamente o funcionamento do equipamento no lado secundário — o escudo deve ser conectado ao aterramento do lado de fornecimento e deve ser capaz de suportar a tensão de teste entre primário e secundário), e tipo de invólucro e condições ambientais (um transformador de isolamento em uma sala elétrica pode ser instalado em um estilo aberto, enquanto um transformador de isolamento em uma fábrica ou laboratório ou em um ambiente requer um invólucro com classificação relevante — NEMA 1 é para locais internos secos, NEMA 3R é para uso externo, NEMA 4X é para lavagem, e NEMA 12 é para invólucros industriais à prova de poeira).
Os requisitos de instalação são importantes para a segurança e o bom funcionamento do sistema isolado. O invólucro e o núcleo do transformador devem estar em contato com o condutor de aterramento do equipamento no lado de alimentação, de acordo com os requisitos do NEC para todos os transformadores, incluindo transformadores de isolamento, para que o dispositivo de sobrecorrente a montante possa desarmar a falha ocorrida devido ao curto-circuito do primário ao núcleo. O circuito secundário deve ser cabeado e organizado como um circuito isolado, sendo aterrado apenas se especificado por meio de alguma aplicação particular (por exemplo, em aplicações marítimas quando o neutro secundário precisa ser aterrado ao barramento de aterramento da embarcação). Por outro lado, um monitor de isolamento de linha (LIM) para sistema de potência de isolamento em saúde deve ser instalado no lado secundário, conectado entre os condutores secundários e o terra, e equipado com um alarme acionado em um limite prescrito — praticamente 50 kΩ.
Perguntas Frequentes
Qual é a diferença entre um transformador de isolamento e um transformador padrão?
Um transformador de distribuição tradicional gera um circuito secundário com uma linha neutra aterrada. Nesse caso, o neutro é mantido em contato direto com a terra, de modo que um incidente de falha de aterramento resulta em uma grande corrente que causa o disparo do dispositivo de sobrecorrente. Um tipo separado de transformador chamado transformador de isolamento fornece uma linha não aterrada ou flutuante, enquanto outros tipos de transformadores de isolamento geram uma linha aterrada com alta resistência (ou seja, alta impedância). Assim, em caso de falha, uma alta corrente de falha não é gerada e não ocorre choque ou disparo do circuito. Ambos os tipos de transformadores ajudam a fornecer isolamento galvânico do circuito primário em relação ao secundário.
Eu preciso de um monitor de isolamento de linha com um transformador de isolamento?
De acordo com o NEC, quando o transformador de isolamento é utilizado em uma instituição médica dentro de um sistema de potência isolada, é necessário que um monitor de isolamento de linha (LIM) seja fornecido. No entanto, no caso de aplicações industriais, laboratoriais e navais, não é sempre obrigatório de acordo com o código, embora seja altamente recomendável tê-lo instalado em todas as situações onde é importante garantir que a fonte de alimentação permaneça inalterada durante uma falha de aterramento de uma fase.
Um transformador de isolamento pode ser usado para conversão de tensão também?
Está correto. O transformador de isolamento é capaz de ter qualquer relação de espiras, seja para aumentar ou diminuir a tensão e ainda fornecer isolamento galvânico. Um transformador com uma relação de espiras de 2:1 proporcionaria isolamento e reduziria a tensão de 240 V para 120 V. As tarefas de isolamento e conversão de tensão são independentes uma da outra e, portanto, o transformador pode realizar qualquer uma dessas tarefas ou ambas.
O que é o escudo eletrostático em um transformador de isolamento?
Um escudo eletrostático consiste em um escudo condutor aterrado, geralmente na forma de folha de cobre ou uma tela, que é posicionado entre os enrolamentos primário e secundário. Seu propósito é minimizar o acoplamento capacitivo entre os enrolamentos, bloqueando assim ruídos elétricos de alta frequência, picos de tensão e correntes de modo comum criadas no lado primário de alcançar o lado secundário através da capacitância entre os enrolamentos. O escudo está conectado ao condutor de aterramento no lado de fornecimento de acordo com a maioria dos padrões de transformadores de isolamento aplicáveis no campo médico, laboratorial e de controle industrial.
Referências
- NFPA 70 (NEC) — Artigo 517 (Instalações de Saúde) e Artigo 250 (Aterramento e Conexão). Os requisitos do Código Elétrico Nacional para sistemas de energia isolada em saúde, e os requisitos de aterramento e conexão para transformadores e sistemas derivados separadamente.
- NFPA 99 — Código de Instalações de Saúde. O padrão abrangente para sistemas elétricos, incluindo sistemas de energia isolada, em hospitais e outras instalações de saúde.
- UL 60601 — Padrão de Segurança de Equipamentos Elétricos Médicos. O padrão que define os requisitos de design, teste e desempenho para transformadores de isolamento usados em aplicações médicas, incluindo a resistência dielétrica e os limites de corrente de fuga.
- ABYC E‑11 — Sistemas Elétricos AC e DC em Barcos. O padrão do Conselho Americano de Barcos e Iates que exige transformadores de isolamento ou isoladores galvânicos em conexões de energia de terra para prevenir corrosão galvânica e proteger o pessoal de choques no ambiente marinho.
O transformador de isolamento ocupa uma posição excepcional no domínio da segurança elétrica. Ao contrário de outros produtos, onde o disjuntor é ativado ao encontrar uma falha de aterramento, o transformador não causa a falha de aterramento de forma alguma. No caso de detectar um perigo, o dispositivo não para automaticamente de funcionar, em vez disso, emite um alarme e permite que as pessoas na sala ajam com base nas informações. Além disso, em vez de apenas separar dois circuitos, o transformador de isolamento cria uma ilha elétrica flutuante com propriedades diferentes em comparação com o restante do edifício. A partir dos pontos mencionados, é fácil ver por que, para a sala de operação, painel de controle industrial, mesa de laboratório ou um navio, usar o transformador de isolamento não é uma opção, mas uma obrigação de acordo com os padrões de segurança. Portanto, a Subian Electric Company fabrica transformadores de isolamento para esferas médicas, industriais, laboratoriais e de construção naval.