Técnicas de Chaveamento à Vácuo eletricidade moderna

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Não houve novos desenvolvimentos sensacionais em relação
aos princípios de chaveamento em média tensão de 2 a 52kV nos
últimos tempos. No entanto, distinguiu-se a seguinte tendência:
muitos fabricantes, que até o momento ofereciam somente dis-
juntores a SF6, estão adotando cada vez mais disjuntores a vá-
cuo em seus programas de média tensão. O campo de utilização
do princípio de chaveamento a vácuo está se expandindo, por
exemplo, quando aplicado no lugar das tradicionais chaves sec-
cionadoras de manobra sob carga. Sobre os contatores a vácuo,
que já estão no mercado há mais de 25 anos, há aperfeiçoamen-
tos até o nível de tensão de 24kV. Até mesmo no campo de alta
tensão, acima de 52kV, os disjuntores a vácuo começam a ser
aplicados.
Técnica de Chaveamento a Vácuo
Princípio para o Próximo Século
A transmissão e distribuição de energia
elétrica baseia-se em diferentes níveis de
tensão. Adequados a estes estão os dife-
rentes disjuntores: em áreas de alta tensão
hoje são utilizados em sua maior parte
disjuntores a SF6.
No campo da média tensão o usuário da
técnica de chaveamento de potência pode
optar entre disjuntores a vácuo, a SF6 e
disjuntores a pequeno volume de óleo; na
técnica de manobra sob carga, em siste-
mas blindados, as chaves a SF6 já come-
çam a ser maioria. No nível de baixa ten-
são são oferecidos, dependendo do objeti-
vo de utilização, disjuntores a vácuo ou de
sopro magnético. Propriedades e requisitos
especiais caracterizam cada um dos níveis
de tensão e cada caso de aplicação. No
mais, a física da aplicabilidade de um pro-
duto impõe limites.
Figura 1. Desenvolvimento dos princípios de
extinção para disjuntores de média tensão no
mercado mundial
Figura 2. Designes de câmaras a vácuo atuais.
Princípio de chaveamento - dependente
do nível de tensão e da aplicação
Enquanto sobretudo os fabricantes franceses
preferem uma técnica padronizada de extin-
ção da média até a alta tensão [1], todos os
outros fabricantes utilizam mundialmente a
técnica que oferece as melhores proprieda-
des no respectivo campo de aplicação: o
vácuo. Os disjuntores a SF6 foram desenvol-
vidos primeiramente para as redes de alta
tensão e depois estendidos para as de mé-
dia tensão. Os disjuntores a vácuo, no en-
tanto, foram previstos desde o início para a
aplicação em média tensão na transmissão e
distribuição de energia, além da indústria.
Além disso, seu espectro de aplicação, hoje
em dia, estende-se desde os disjuntores de
geradores até a técnica aplicada à alimenta-
ção em ferrovias, tanto em subestações
como em locomotivas, até o fornecimento de
energia na exploração de minas e no for-
necimento seguro de energia em navios.
Porém, o princípio de chaveamento a vácuo
também está se expandindo para outras
áreas, onde são requeridos a operação se-
gura e altos ciclos de chaveamento. Exem-
plos são os ciclos de chaveamento dos con-
tatores a vácuo até alguns milhões de ma-
nobras. Neste caso, só o contator a vácuo
pode satisfazer, da melhor forma possível,
às exigências, até o nível de tensão de 24kV.
Também na técnica de manobra sob carga
(onde predominam as chaves seccionado-
ras) o vácuo tem sido aplicado com sucesso.
Especialmente em conexão com fusíveis de
alta capacidade, as chaves de manobra sob
carga a vácuo oferecem um sistema seguro,
já que satisfazem melhor do que outros apa-
relhos de distribuição aos requisitos da ins-
trução sobre combinações de fusíveis e cha-
ves seccionadoras de manobra sob carga
(IEC420).
Em média tensão, atualmente, mais de 65%
dos disjuntores usados no mundo são disjun-
tores a vácuo. Na China, estes são utilizados
quase sem exceção. Na Europa, por outro
lado, a distribuição é diferente: ainda é gran-
de a participação no mercado dos disjunto-
res a SF6 , que é intensamente determinada
pela estreita cooperação dos fabricantes de
disjuntores e algumas concessionárias de
energia [1]. A atual opinião mundial, no en-
tanto, é de que, na média tensão, a técnica
de chaveamento a vácuo será o princípio
preponderante de chaveamento para a pró-
xima década [2] (Figura 1). Diversos fabri-
cantes japoneses oferecem há algum tempo
a técnica de chaveamento a vácuo também
para a área de alta tensão. Inicialmente eram
produzidos disjuntores a vácuo de 84KV;
hoje já é possível produzir esses disjuntores
com uma tensão de até 145KV.
Abaixo gráfico onde observa-se o compor-
tamento dielétrico do vácuo, especialmente
para níveis de impulso até 170kV, onde se
enquadram os disjuntores de média tensão.
Figura 3. Característica dielétrica dos diferentes
meios isolantes (chapas planas).
0
50
100
150
200
250
300
350
400
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50
Dist (mm)
U
 (
kV
)
AR
SF6 (1 bar)
SF6 (5 bar)
VácuoAr
Óleo
Gás
Vácuo
0%
10%
20%
30%
40%
50%
60%
70%
80%
90%
100%
1980 1990 2000
Fa
ti
a
 d
e
 m
e
rc
a
d
o
50
30
17
20
7
63
65
25
10
 
Procedimentos modernos de fabricação
possibilitam saltos tecnológicos
A fabricação de câmaras a vácuo tem se
aperfeiçoado continuamente nos últimos 30
anos: no início, os aparelhos eram produzi-
dos em várias etapas, como soldagem a
vácuo, soldagem subseqüente em salas
descontaminadas e, posteriormente, evacu-
ação das câmaras completas em aqueci-
mento simultâneo. Hoje, fabricantes como a
Siemens utilizam a técnica de soldagem es-
tanque. Aqui, a câmara a vácuo pode ser
evacuada e soldada em uma etapa única no
forno a vácuo, possibilitando uma série de
vantagens.
Por um lado, esse processo possibilita a
produção de câmaras a vácuo compactas
(Figura 2) que, por sua vez, permitem di-
mensões menores para o disjuntor completo.
Assim, por exemplo, o diâmetro das atuais
câmaras a vácuo, em alguns tipos, foi redu-
zido em 45% de seu valor de 1978. Por outro
lado são necessários somente poucos pon-
tos de conexão. O processo de produção
ocorre comandado por microprocessadores.
Isso aumenta ainda mais a alta confiabilida-
de das câmaras a vácuo.
Comportamento de chaveamento previsí-
vel, estável e seguro
Um critério decisivo é o comportamento de
chaveamento previsível e estável. Isso re-
quer um princípio de chaveamento que não
permita nem alterações do meio de extinção
nem do sistema de contato. Em disjuntores
convencionais, como disjuntores a PVO ou a
SF6, um movimento relativo entre o arco elé-
trico e o meio de extinção deve ser produzi-
do para a extinção do arco elétrico. Depen-
dendo do modo de chaveamento podem
ocorrer falhas na capacidade de chavea-
mento de alguns disjuntores. Em disjuntores
a vácuo, essas falhas no comportamento de
extinção não ocorrem, pois aqui não é espe-
rada nenhuma influência do arco elétrico.
Uma qualidade uniforme do vácuo, um mate-
rial de contato apropriado, assim como um
sistema de contato suficientemente dimensi-
onado, garantem um comportamento de
chaveamento seguro em toda faixa de cor-
rente.
O vapor metálico gerado em uma câmara de
vácuo (Figura 5) no processo de desconexão
tem uma tensão de manutenção tão baixa
que a energia ali liberada quase não des-
gasta o material de contato, que simples-
mente se recombina com a superfície após a
extinção do arco. As propriedades ne-
cessárias do material de contato para um
comportamento de chaveamento seguro são
mantidas. Além disso, o disjuntor a vácuo
ainda demonstra uma particularidade que é
única nos aparelhos de chaveamento: devido
à ação de chaveamento em si melhora-se a
pressão interna em uma câmara a vácuo.
Isso significa um vácuo perfeito mesmo no
fim da vida útil mecânica de uma câmara a
vácuo.
Essas duas propriedades contribuem para
que a capacidade de chaveamento não piore
durante sua vida útil total [3]. Em disjuntores
convencionais, no entanto, deve-se contar
com uma alteração das propriedades de
chaveamentoem paralelo com o crescente
ciclo do mesmo, pois o arco elétrico do cha-
veamento influencia negativamente tanto o
material de contato como também o gás ou o
óleo.
O vácuo também domina a taxa de resta-
belecimento de tensão após passagem
por zero
Os modernos disjuntores a vácuo podem ser
aplicados para todas as tarefas de chavea-
mento nas redes de média tensão. Tanto nas
redes de distribuição como também na in-
dústria, esses disjuntores prestam bons ser-
viços [3, 5]. Afirmações de que os disjuntores
a vácuo no chaveamento de transformadores
em vazio causam sobretensões e que seu
desempenho é inferior aos disjuntores a SF6
no chaveamento capacitivo [1] são infunda-
das.
Ao contrário, o aperfeiçoamento das câma-
ras a vácuo nos últimos 20 anos leva a afir-
mar que os disjuntores a vácuo dominam
justamente esses casos de chaveamento
sem problemas. Materiais de contato espe-
cialmente desenvolvidos em base de cobre-
cromo (CuCr) asseguram que as correntes
de corte situem-se em média em 3A (Figura
4) e, com isso, não originem sobretensões.
Figura 4. Corrente de corte de câmaras a vácuo
Siemens.
Desde 1986, sabemos que o disjuntor a vá-
cuo apresenta valores de corrente de corte
comparáveis aos disjuntores a SF6. Entre-
tanto, ensaios demonstram que, em disjun-
tores a SF6, a corrente de corte depende
mais intensamente da capacitância do tre-
cho a ser chaveado do que em disjuntores a
vácuo. Com o crescimento da capacitância
também aumenta a corrente de corte. Para
capacitâncias de 0,1 µF são medidas cor-
rentes de corte de até 12 A. Essa forte de-
pendência não é observada nos disjuntores
a vácuo. A corrente de corte permanece
quase independente da capacitância de
chaveamento e atinge somente 6A em
0,1µF.
Figura 5. Corte de uma câmara a vácuo moderna
Com os modernos materiais de contato, os
disjuntores a vácuo também são capazes de
interromper correntes de curto-circuito, que
se originem devido a falhas no secundário
dos transformadores. Nessas falhas, surgem
altas taxas de restabelecimento da tensão
transitória devido às altas freqüências pró-
prias dos transformadores, após a interrup-
ção da corrente. A verificação das taxas de
restabelecimento do disjuntor é fundamental
para a comprovação de sua confiabilidade.
Taxas de restabelecimento de tensão de até
7kV/µs podem ser controladas conforme [7]
em uma tensão nominal de 15kV e uma cor-
rente de curto circuito de 36kA. A Siemens
tem comprovado, com seus disjuntores a
vácuo fabricados em série, taxas de resta-
belecimento de tensão de mais de 10kV/µs
em correntes de curto circuito até 63kA.
Esse resultado demonstra a superioridade
do disjuntor a vácuo, quando se trata de
conter altas taxas de restabelecimento da
tensão após passagens por zero.
0,0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
Fr
e
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 F
0 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4 5
Corrente de ruptura Ia
 
Disjuntores sem produtos de decomposi-
ção - inofensivos ao meio ambiente
Em disjuntores comuns, a gás ou a óleo,
utilizam-se meios para resfriar o arco elétri-
co. Com este processo, o arco elétrico tem
sua energia retirada, a fim de evitar o resta-
belecimento da tensão após a passagem da
corrente pelo “0”. Nesse procedimento, o
arco elétrico, devido à alta temperatura, alte-
ra o meio de extinção em cada novo chave-
amento. Em disjuntores a SF6, o gás decom-
posto pode reagir com as partes internas dos
terminais de chaveamento. Aqui, deve-se
tomar cuidado para que o vapor d'água não
chegue ao interior do pólo do disjuntor, pois
a combinação de pólo do disjuntor, vapor
d'água e SF6 em decomposição possibilita a
formação de ligações corrosivas como ácido
fluorídrico, que, sob certas circunstâncias,
causa alterações prejudiciais das superfícies
de contato e de alguns isoladores [4].
Em disjuntores a vácuo, não existem produ-
tos de decomposição, pois aqui forma-se
vapor metálico na interrupção de corrente.
Como a câmara a vácuo é, ao contrário dos
disjuntores a SF6, absoluta e hermetica-
mente soldada, não ocorrem interações com
o meio ambiente. Nem sujeira, nem poeira
nem umidade atingem a câmara. Dessa for-
ma evita-se qualquer oxidação. Todos os
materiais na câmara são mantidos limpos
durante a sua vida útil total. Como o desli-
gamento desgasta a superfície de contato de
forma uniforme, a resistência do sistema de
contato mantém seus valores baixos. Essa
independência de influências externas forma
o pré-requisito para os altos ciclos de chave-
amento e um funcionamento isento de ma-
nutenção das câmaras a vácuo.
As câmaras a vácuo também são bem pro-
tegidas contra influências externas (Figura
5). Sua carcaça consiste essencialmente em
cerâmica de óxido de alumínio, insensível a
oscilações de temperatura devido aos rígidos
pré-tratamentos térmicos. Em contrapartida,
os disjuntores a SF6 utilizam um invólucro de
resina epóxi, no qual são fundidos eletrodos
de metal. Nessa construção, as altas tempe-
raturas podem reduzir drasticamente a vida
útil do disjuntor [2].
Capacitores e transição de corrente: sob
controle
O chaveamento de capacitores impõe outras
exigências aos disjuntores. Aqui, não é tão
importante um rápido restabelecimento da
impedância entre contatos, mas que o dis-
juntor possa suportar uma tensão alta após a
passagem por zero de corrente: por isso são
requisitados disjuntores isentos de reigna-
ção. Sobretudo, disjuntores a vácuo são
apropriados devido ao seu material de con-
tato especial e à boa suportabilidade dielétri-
ca, ideais para garantir a não ocorrência de
reignições.
Também ao ligar os capacitores, o disjuntor
a vácuo é especialmente adequado. Como
em todo dispositivo de chaveamento de ban-
cos de capacitores, ocorre uma pré descarga
antes da conexão galvânica dos contatos.
Flui uma corrente de alta freqüência entre os
gaps, a qual o disjuntor a vácuo pode inter-
romper devido a suas boas propriedades de
extinção. Contudo, como a distância entre
contatos é pequena, não se pode formar
sobretensão mesmo na extinção dessa cor-
rente de alta freqüência. A pequena distância
entre gaps antes do toque entre os contatos
limita a tensão máxima à tensão nominal [8].
Uma particularidade do disjuntor a vácuo
consiste em controlar uma transição de cor-
rente. Tal situação pode ocorrer quando o
tipo de falha muda durante o movimento dos
contatos (por exemplo, se um curto-circuito
monopolar à terra se transforma em uma
falta dupla fase à terra). Enquanto disjunto-
res com outros princípios de extinção podem
falhar, o disjuntor a vácuo interrompe essa
corrente sem problemas, pois não extingue
ativamente, mas sim, aguarda passivamente
a próxima passagem por zero.
Com isso, esta distância entre gaps no vá-
cuo também está sempre preparada para a
extinção, mesmo quando o disjuntor esta
aberto, e pode extinguir uma corrente de
corte causada por sobretensões externas já
na primeira passagem por zero. Em outros
princípios de chaveamento, os arcos elétri-
cos de corte "surpreendem" o disjuntor em
estado estático. Este não pode interromper
essa corrente, causando, como conseqüên-
cia, uma interferência na rede [9].
Em resumo, a difusão da técnica de chave-
amento no vácuo, para a média tensão, se
baseia fortemente nas várias vantagens téc-
nicas deste meio extintor. Um dos claros
indicadores desta difusão reside na própria
produção da Siemens, que se aproxima dos
25.000 disjuntores entregues ao mercado
mundial anualmente.
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204-207
[9] Böhme, H.: Mittelspannungstechnik, Berlin;
Verlag Technik, 1. Aufl. 1992, páginas 261-264
Artigo original escrito pelo Dr. Sämman, gerente
da área técnica de produtos de média tensão da
Siemens AG, Erlangen, Alemanha – 1999.
Supervisão técnica da tradução e adaptação:
Eng. Arthur Lavieri/Eng. Osmar Tanakai
Siemens Ltda – EV MT
Depto de Sistemas e Produtos de Média Tensão
http://www.siemens.com.br/ev
E-mail: evmtbrazil@siemens.com.br