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See discussions, stats, and author profiles for this publication at: https://www.researchgate.net/publication/329950092 DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO Technical Report · January 2011 DOI: 10.13140/RG.2.2.33233.79204 CITATIONS 0 READS 5,813 1 author: Some of the authors of this publication are also working on these related projects: Disjuntores de Alta Tensão: Visão Geral View project PHY Layer for Visible Light Communication View project Mateus G. Silva Federal University of Minas Gerais 4 PUBLICATIONS 0 CITATIONS SEE PROFILE All content following this page was uploaded by Mateus G. Silva on 27 December 2018. The user has requested enhancement of the downloaded file. https://www.researchgate.net/publication/329950092_DISJUNTORES_DE_ALTA_TENSAO?enrichId=rgreq-8ee3d663d26a7b01ae77d057a3cb6ec8-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMyOTk1MDA5MjtBUzo3MDg1NDk0NzkwMDIxMTJAMTU0NTk0Mjc2ODAwNw%3D%3D&el=1_x_2&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/publication/329950092_DISJUNTORES_DE_ALTA_TENSAO?enrichId=rgreq-8ee3d663d26a7b01ae77d057a3cb6ec8-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMyOTk1MDA5MjtBUzo3MDg1NDk0NzkwMDIxMTJAMTU0NTk0Mjc2ODAwNw%3D%3D&el=1_x_3&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/project/Disjuntores-de-Alta-Tensao-Visao-Geral?enrichId=rgreq-8ee3d663d26a7b01ae77d057a3cb6ec8-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMyOTk1MDA5MjtBUzo3MDg1NDk0NzkwMDIxMTJAMTU0NTk0Mjc2ODAwNw%3D%3D&el=1_x_9&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/project/PHY-Layer-for-Visible-Light-Communication?enrichId=rgreq-8ee3d663d26a7b01ae77d057a3cb6ec8-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMyOTk1MDA5MjtBUzo3MDg1NDk0NzkwMDIxMTJAMTU0NTk0Mjc2ODAwNw%3D%3D&el=1_x_9&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/?enrichId=rgreq-8ee3d663d26a7b01ae77d057a3cb6ec8-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMyOTk1MDA5MjtBUzo3MDg1NDk0NzkwMDIxMTJAMTU0NTk0Mjc2ODAwNw%3D%3D&el=1_x_1&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/profile/Mateus-Silva-8?enrichId=rgreq-8ee3d663d26a7b01ae77d057a3cb6ec8-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMyOTk1MDA5MjtBUzo3MDg1NDk0NzkwMDIxMTJAMTU0NTk0Mjc2ODAwNw%3D%3D&el=1_x_4&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/profile/Mateus-Silva-8?enrichId=rgreq-8ee3d663d26a7b01ae77d057a3cb6ec8-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMyOTk1MDA5MjtBUzo3MDg1NDk0NzkwMDIxMTJAMTU0NTk0Mjc2ODAwNw%3D%3D&el=1_x_5&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/institution/Federal-University-of-Minas-Gerais?enrichId=rgreq-8ee3d663d26a7b01ae77d057a3cb6ec8-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMyOTk1MDA5MjtBUzo3MDg1NDk0NzkwMDIxMTJAMTU0NTk0Mjc2ODAwNw%3D%3D&el=1_x_6&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/profile/Mateus-Silva-8?enrichId=rgreq-8ee3d663d26a7b01ae77d057a3cb6ec8-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMyOTk1MDA5MjtBUzo3MDg1NDk0NzkwMDIxMTJAMTU0NTk0Mjc2ODAwNw%3D%3D&el=1_x_7&_esc=publicationCoverPdf https://www.researchgate.net/profile/Mateus-Silva-8?enrichId=rgreq-8ee3d663d26a7b01ae77d057a3cb6ec8-XXX&enrichSource=Y292ZXJQYWdlOzMyOTk1MDA5MjtBUzo3MDg1NDk0NzkwMDIxMTJAMTU0NTk0Mjc2ODAwNw%3D%3D&el=1_x_10&_esc=publicationCoverPdf 1 CENTRO FEDERAL DE EDUCAÇÃO TECNOLÓGICA DE MINAS GER AIS CURSO TÉCNICO EM MECATRÔNICA DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO MATEUS GONÇALVES SILVA Orientadora: Enilce Santos Eufrásio BELO HORIZONTE Janeiro - 2011 2 MATEUS GONÇALVES SILVA DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO Trabalho de pesquisa apresentado à Coordenação de Estagio como pré- requisito para conclusão do Curso Técnico de Mecatrônica pelo Centro Federal de Educação Tecnológica de Minas Gerais. Empresa: CEMIG GERAÇÃO E TRANSMISSÃO S.A. End.: Av. Barbacena, 1200 - Santo Agostinho Tel.: (31) 3506-4049 3 RESUMO Esse artigo objetiva a descrição, de forma abrangente, dos disjuntores de alta tensão aplicados aos sistemas elétricos de potência. Para uma melhor compreensão das características intrínsecas a esses equipamentos de manobra, serão abordados, de forma simples, conceitos teóricos diretamente ligados a esses interruptores de corrente, tais como, arcos elétricos, correntes de curto-circuito, sobretensões e transitórios. Considera-se o detalhamento da evolução dos disjuntores de alta tensão como um dos eixos centrais desse trabalho de pesquisa. Os principais disjuntores são observados, de forma cronológica de desenvolvimento, em seus aspectos construtivos e funcionais, o que acarretará uma discussão comparativa entre tais tecnologias de interrupção de corrente. Na ultima parte do presente artigo, apresenta-se, ao leitor, noções de especificação técnica, ensaios e manutenção. 4 LISTA DE FIGURAS Figura 1- Descarga elétrica atmosférica (raio) ................................................ 11 Figura 2- Gráfico de variação típica da corrente e tensão do arco ................... 13 Figura 3- Tipos de curto circuito em um sistema trifásico de energia ............... 17 Figura 4- Composição da corrente de curto circuito ......................................... 18 Figura 5- Assimetria presente durante o momento de falta ............................. 20 Figura 6- Recomendação técnica de tempo interrupção em função da tensão nominal ............................................................................................................. 21 Figura 7- Formação da tensão de restabelecimento transitória (TRT) ............. 22 Figura 8- Sobretensões de manobra e impulsos atmosféricos típicos ............ 24 Figura 9- Sobretensões de energização .......................................................... 25 Figura 10- Disjuntor a óleo construído em 1901 ............................................... 28 Figura 11- Bolha de gás produzida durante o processo de abertura de um disjuntor a óleo ................................................................................................ 29 Figura 12- Disjuntor GVO sem câmara de extinção (em corte) ....................... 30 Figura 13- Câmaras de sopro transversal e axial ............................................. 31 Figura 14- Disjuntores GVO (visão externa)..................................................... 32 Figura 15- Disjuntores PVO (visão externa) ..................................................... 32 Figura 16- Ilustração da câmara de interrupção e geração do fluxo de óleo .... 33 Figura 17- Incêndio em um disjuntor a óleo ..................................................... 34 Figura 18- Câmara de sopro axial em uma direção (corte e foto) .................... 36 Figura 19- Disjuntores a ar comprimido com quatro câmaras de sopro axial ... 37 Figura 20- Disjuntores a ar comprimido com pólos em formação “T” e “Y” ...... 38 Figura 21- Vantagens e desvantagens dos disjuntores a ar comprimido ......... 39 Figura 22- Comparação das capacidades de interrupção entre SF6 e ar ......... 40 5 Figura 23- A simétrica molécula de SF6 ........................................................... 41 Figura 24- Rigidez dielétrica do SF6 em função da pressão ............................. 41 Figura 25- Disjuntor a SF6, o “Dead Tank” ....................................................... 43 Figura 26- Mecanismos de funcionamento do Disjuntor a SF6 ......................... 43 Figura 27- Foto do disjuntor a SF6 de única pressão ....................................... 44 Figura 28- Extinção de arco elétrico no disjuntor a SF6 de única pressão ....... 45 Figura 29- Corte na câmara de interrupção de um disjuntor a SF6 ..................46 Figura 30- Corte de uma câmara de extinção do disjuntor a vácuo ................. 47 Figura 31- Disjuntor a vácuo 36kV - fabricante WEG ....................................... 48 Figura 32- Inspeção nos mecanismos de acionamento ................................... 55 Figura 33- Inspeção na câmara de extinção .................................................... 56 Figura 34- Rotinas de manutenção .................................................................. 56 Figura 35- Atividades requeridas em cada tipo de rotina de manutenção ........ 57 6 SUMÁRIO 1. - Introdução .................................................................................................. 08 2. - Justificativa ................................................................................................. 09 3. - A empresa .................................................................................................. 10 4. - Conceitos do arco elétrico .......................................................................... 11 4.1 - Arco elétrico em corrente alternada ......................................................... 12 4.1.1 - Processo de interrupção em circuitos de corrente alternada ................ 13 4.2 - Interrupção de corrente aplicável aos circuitos resistivos, indutivos e capacitivos........................................................................................................ 15 5. - A corrente de curto-circuito ........................................................................ 17 5.1 - Composição da corrente alternada de curto-circuito ................................ 18 5.2 - Assimetria da corrente de curto-circuito ................................................... 19 5.3 - Efeitos da corrente de curto-circuito ......................................................... 20 6. - Tensão de restabelecimento transitório ..................................................... 22 7. - Sobretensões de manobra ......................................................................... 24 8. - Evolução dos disjuntores de alta tensão .................................................... 27 8.1 - Disjuntores a óleo .................................................................................... 27 8.1.1 - Interrupção de corrente no óleo e propriedades do meio ...................... 28 8.1.2 - Disjuntores de grande volume de óleo (GVO) ....................................... 30 8.1.3 - Disjuntores de pequeno volume de óleo (PVO) .................................... 33 8.1.4 - Fatores de inviabilidade dos disjuntores a óleo ..................................... 34 8.2 - Disjuntores a ar comprimido ..................................................................... 35 8.2.1 - Características dos pólos e mecanismo de acionamento ..................... 36 8.2.2 - Vantagens e desvantagens dos disjuntores a ar comprimido ............... 39 8.3 - Disjuntores a Hexafluoreto de Enxofre (SF6) ........................................... 40 7 8.3.1 - Propriedades e características do SF6 .................................................. 41 8.3.2 - Disjuntores a SF6 de dupla pressão ...................................................... 42 8.3.3 - Disjuntores a SF6 de única pressão ...................................................... 44 8.4 - Disjuntores a Vácuo ................................................................................. 46 8.4.1 - Aplicabilidade do disjuntor a vácuo ....................................................... 48 9. - Especificação técnica dos disjuntores de alta tensão ................................ 49 9.1- Características nominais dos disjuntores de alta tensão........................... 49 10. - Ensaios aplicados aos disjuntores de alta tensão .................................... 52 11. - Manutenção dos disjuntores de alta tensão ............................................. 54 11.1 - Rotinas de manutenção ......................................................................... 55 12. - Conclusão ................................................................................................ 58 Bibliografias ...................................................................................................... 59 Folha de Aprovação do Relatório Técnico Final de Estagio ............................. 61 8 1. INTRODUÇÃO Segundo a Norma NBR IEC 60947, disjuntor é um “dispositivo de manobra e proteção capaz de estabelecer, conduzir e interromper correntes em condições anormais específicas do circuito, tais como as de curto-circuito”. Esse equipamento é essencial na maioria dos sistemas elétricos, pois permite a flexibilidade no funcionamento do mesmo, além da proteção fundamental a possíveis eventos de natureza elétrica desfavoráveis ao funcionamento padrão de determinada rede elétrica. Nesse artigo será dado enfoque aos disjuntores de alta tensão (superior a 72,5 KV) em seus aspectos construtivos, especificação técnica, manutenção e conceitos teóricos inter-relacionados. A evolução desses equipamentos de manobra acompanhou as exigências contemporâneas estipuladas aos sistemas elétricos de potência, em termos de confiabilidade e precisão. Isso foi consolidado por meio dos avanços no conhecimento dos processos e fundamentos associados à interrupção de correntes, principalmente em relação à teoria do arco elétrico. A importância dada ao estudo do arco elétrico para os disjuntores de alta tensão é devido a sua ocorrência durante o processo de interrupção de corrente, ou seja, no momento da abertura do disjuntor, acarretando uma enorme liberação de energia que deve ser contida, ou dissipada, sem gerar danos ao disjuntor e ao sistema de energia. Esse arco elétrico é produzido devido à combinação dos gradientes de temperatura e campo elétrico que quebram a rigidez dielétrica do ar. A relevância atribuída a esse fenômeno é tal que a nomeação dos disjuntores de alta tensão é caracterizada pelo modo, ou meio, em que esses equipamentos inibem o arco elétrico durante a sua abertura. 9 2. JUSTIFICATIVA Este trabalho foi desenvolvido como pré-requisito para a conclusão do Curso Técnico de Mecatrônica pelo CEFET-MG. Trata-se de uma pesquisa técnica a respeito de um tema referente ao programa de estágio, nesse caso, os disjuntores de alta tensão. Nessa pesquisa, tem-se a preocupação de apresentar os conceitos inerentes aos disjuntores de forma amigável ao leitor, procurando a exposição técnica, funcional e histórica desses equipamentos que são essenciais para os sistemas elétricos de potência. 10 3. A EMPRESA A Companhia Energética de Minas Gerais – CEMIG, fundada em 22 de maio de 1952, é um dos mais sólidos e importantes grupos do setor energético do País, sendo constituído por 49 empresas e 10 consórcios. Empresa de capital aberto controlada pelo Governo de Minas Gerais, a Cemig possui 155 mil acionistas particulares em 46 países. Suas ações são negociadas nas Bolsas de São Paulo, New York e Madrid. O Grupo CEMIG é reconhecido pela sua dimensão, competência técnica e referência em sustentabilidade. A Cemig Distribuição S.A. é a maior concessionária de energia elétrica do Brasil, com cerca de 10,5 milhões em 774 municípios, abrangendo 96% do Estado de Minas Gerais. Já a CEMIG Geração e Transmissão S.A. é uma das maiores do setor no País, responsável pela operação de 65 usinas, com um parque gerador de 6.691 MW. A atuação da Cemig estende-se a 15 estados brasileiros e ao Chile, com a construção de uma linha de transmissão em consórcio com a Alusa. Em Rondônia, a Empresa constrói a Usina Hidrelétrica de Santo Antônio, no complexo do Rio Madeira, mediante consórcio. Detém12% da Light, distribuidora que atende o Rio de Janeiro e outras cidades fluminenses. Possui, também, participações em empresas de distribuição e transmissão de energia elétrica, investimentos em distribuição de gás natural (Gasmig) e transmissão de dados (Infovias). 11 4. CONCEITOS DO ARCO ELÉTRICO O arco elétrico é uma descarga autossustentável, ou seja, apresenta baixa queda de tensão e sustenta a manutenção de alta corrente, comportando-se como um resistor não linear. Além de ser observada a sua ocorrência no ar, em condições atmosféricas, a descarga elétrica do arco também é observada em altas ou baixas pressões, como no vácuo, e em uma variedade de gases e vapores metálicos que servem como condutores do arco. A origem desses gases e vapores é proveniente, principalmente, de três fatores: o meio circundante, os elétrodos, e os produtos de suas reações. A imagem abaixo (figura 1) é um exemplo de uma típica descarga elétrica atmosférica, mais conhecida como raio. Figura 1 – Foto de uma descarga elétrica atmosféric a, conhecida como raio. Porém, o objeto de estudo do presente artigo não são os raios, arcos elétricos de grandes dimensões, e sim, os de menor intensidade que ocorrem na abertura dos contatos interruptores de corrente. Como os sistemas elétricos de potência adotam, predominantemente, correntes alternadas senoidais, e os disjuntores de alta tensão estão inseridos nesse regime, será descrito, com mais detalhes, o estudo do comportamento do arco elétrico aplicado a esse tipo de sistema. 12 4.1 Arco elétrico em corrente alternada Em um arco estável, uma das regras básicas inerentes a esse tipo de descarga parte do pressuposto de que se a corrente do arco sofre um aumento, a resistência do meio a esse arco diminui, pois se observa um aumento na temperatura que eleva a taxa do processo de ionização dos gases e vapores metálicos constituintes do ambiente envolvente ao arco. Analogamente, quando a corrente sofre um decaimento, a taxa de ionizações também decresce, aumentando a resistência do meio ao arco elétrico. Então, como estamos analisando ciclos senoidais alternados, quando a corrente se aproximar de zero, o arco elétrico sofrerá falência. Porém, se as condições entre os eletrodos continuar a propiciar a existência do arco, este poderá reacender no próximo semiciclo, quando o módulo do fluxo de corrente aumentar no sentido oposto. Em um ciclo senoidal, a aproximação da corrente do arco ao nível zero é influenciada por um acentuado aumento da tensão do arco, devido a isso este é extinto um pouco antes que a corrente nominal alcance o ponto zero. Nesse momento, a tensão do arco sofre um aumento acentuado, atingindo o valor instantâneo da tensão aplicada ao arco fornecida pelo circuito, mais conhecido como pico da tensão de extinção (Es), exposto na figura 2.Então, a corrente do arco atinge uma etapa em que não é possível restabelecer imediatamente a corrente no ciclo oposto,acarretando um tempo em que o fluxo de corrente é nulo, a chamada “pausa de corrente nula”.Nesse período, o meio de descarga é parcialmente desionizado devido às perdas de calor, gerando um aumento progressivo no módulo do campo elétrico nesse meio, e por conseguinte, um aumento da tensão, até que atinja o ponto de restabelecimento do arco,chamado de pico da tensão de reignição (Et), no semi-ciclo reverso de corrente. Essa “pausa de corrente nula” durará até o momento em que o nível de tensão de restabelecimento de reignição (Et) é consolidado. Após a reignição do arco, a corrente começa a aumentar, e uma tensão constante (Ea), e de menor magnitude, é percebida durante grande parte do próximo semiciclo. 13 Figura 2 – Variação típica da corrente e tensão do arco durante os semiciclos de corrente alternada O processo descrito acima tenderá a se repetir em cada semiciclo subseqüente. Porém, outros fatores influenciam no comportamento do arco elétrico, como diferenças nos materiais dos eletrodos, propriedades de resfriamento, gás do meio, etc. Após a descrição do processo da “pausa de corrente nula” percebe-se que o tempo em que a corrente do arco permanecerá em zero, durante o processo de reignição, será uma relação que envolve a taxa de recuperação do suprimento de tensão e a taxa de desionização, ou recuperação dielétrica do meio que está presente entre os eletrodos. 4.1.1 Processo de interrupção em circuitos de corre nte alternada Como foi mencionado anteriormente, os arcos elétricos se comportam como descargas auto-sustentáveis, ou seja, suas excitações são continuas.Porém, o interesse na aplicação dos disjuntores de alta tensão é justamente o contrário, o objetivo é extinguir o arco, e tem-se a anulação do fluxo de corrente como a alternativa para extinção. 14 Em corrente contínua, precisamos de uma maneira para forçar a corrente a zero (existem modos para isso, mas não é o foco em questão). Em contraposição, a corrente alternada atinge naturalmente o zero duas vezes em cada ciclo, então necessitamos apenas de inibir sua reignição nesses pontos do ciclo. Por este motivo que a desionização tem extrema importância no momento de corrente zero, pois essa aumenta a resistência do meio à reignição, ou reacendimento, do arco elétrico. Portanto, o sucesso da interrupção depende da capacidade de resistência do arco elétrico, uma força dielétrica, que deverá ser mais intensa que o esforço empreendido pelo circuito, que eleva a sua tensão instantânea na tentativa de restabelecer o fluxo de corrente. O processo de interrupção de corrente é altamente influenciado pela frequência do sistema. Em baixas frequências, com níveis abaixo das utilizadas nos sistemas elétricos de potência, observa-se um maior intervalo de tempo durante a execução de seus ciclos. Então, a temperatura e o diâmetro do arco têm tempo suficiente para se adaptar ao valor instantâneo da corrente em questão. Por isso, quando o fluxo de corrente do sistema estiver em um ponto em que seu módulo é relativamente pequeno, a corrente do arco se auto extinguirá, salvo se a tensão entre os eletrodos for suficientemente alta para reproduzir uma nova descarga. As frequências usuais que os sistemas elétricos de potência fornecem (como os 60HZ no Brasil) não são suficientes para auto extinguir o arco no espaço entre os contatos elétricos. Um exemplo dado por High Voltage Circuit Breakers(1996,P.14)[1] nos mostra que a corrente de arco não consegue se auto extinguir em um sistema com freqüência 50Hzv, tensão nominal de 30Kv,e distancia de 1m entre os contatos abertos no ar. Então, técnicas especiais, que serão citadas posteriormente, são utilizadas para a inibição do reignição do arco elétrico nos sistemas elétricos de potência convencionais. Como explicado anteriormente, essas técnicas aproveitam da “pausa de corrente nula”, atraso de tempo entre os semiciclos, em que o fluxo de corrente é zero, e a temperatura decaí consideravelmente, sendo esse o momento mais propício para um impedimento da reignição do arco, e a interrupção definitiva da corrente. 15 4.2 Interrupção de corrente aplicável aos circuitos resistivos, indutivos e capacitivos No tópico anterior, foram explicados os conceitos básicos em um processo de interrupção de corrente alternada, porém existem peculiaridades intrínsecas a determinados tipos de circuitos em que o interruptor de fluxo de corrente está inserido. No circuito resistivo alternado, havendo um montante de indutância desprezível, a corrente estará em fase com a tensão. Nesse caso, o comportamento da interrupção da corrente ao abrir os contatos elétricos será semelhante ao processo demonstrado anteriormente. Recapitulando o que foi mencionado, quando o fluxo de corrente é nulo, nenhumacarga é produzida, e as já existentes, são neutralizadas pelo processo de desionização. Caso a tensão instantânea do circuito ultrapasse a tensão de reignição do arco, este será reacendido por mais meio ciclo, repetindo o processo novamente. Com a ocorrência dos ciclos, o arco sofrerá um aumento no comprimento de suas extensões, e como consequência, as tensões relativas ao arco, como a tensão de reignição, aumentam. Portanto, quando a tensão requerida para o restabelecimento do arco for maior que a tensão de fornecimento pelo sistema elétrico, a interrupção de corrente se consolidará. Já nos circuitos indutivos, a resistência presente no circuito é muito menor que a indutância, logo existe um ângulo de defasagem entre a corrente e a tensão. Então, quando o fluxo de corrente for nulo, a tensão provavelmente está em valores mais altos no ciclo senoidal, isso faz com que não haja mais aquela “pausa de corrente nula” vista anteriormente. Observa-se também, o aparecimento de uma pequena capacitância, em relação ao terra, que tem importância no processo de interrupção de corrente.Tal relevância é devido ao fato de que, atuando em paralelo ao arco elétrico, no momento em que a corrente for zero, a capacitância será carregada com a tensão correspondente à soma do máximo valor de tensão fornecida pelo sistema elétrico, mais o valor do pico de extinção de tensão no arco, tornando-se um entrave para o restabelecimento do fluxo de corrente. 16 E nos circuitos predominantemente capacitivos, condições favoráveis são estabelecidas para uma interrupção de corrente durante o momento em que o fluxo de corrente é nulo no ciclo senoidal. Pois, o capacitor armazenará a tensão máxima fornecida pelo circuito, portanto, a tensão do meio em que o arco está inserido corresponderá à soma entre a tensão armazenada pelo capacitor e a tensão aplicada pelo circuito. Isso é vantajoso para o processo de interrupção, devido ao fato de que chegará um ponto em que a tensão entre o arco será duas vezes maior que a tensão aplicada pelo sistema elétrico. Apesar das divergências entre os principais tipos de circuitos utilizados em um sistema elétrico (resistivo, indutivo e capacitivo), percebe-se que todos ainda utilizam o ponto em que a corrente é zero como momento propício de inibição do restabelecimento do arco. Existem análises mais detalhadas sobre o assunto desse tópico, porém o objetivo desse tópico foi apenas apresentar breves características dos usuais circuitos previstos nos sistemas de potência. 17 5. A CORRENTE DE CURTO-CIRCUITO Na especificação técnica dos disjuntores, as correntes de curto-circuito ocupam uma considerável importância, pois são consideradas faltas elétricas que interferem no funcionamento regular de um sistema de energia, a ponto de tornar necessária a interrupção da corrente para evitar danos em determinado circuito. O curto-circuito pode ter diversas origens, como mecânica, atmosférica, ou até mesmo interna, e o tempo de duração dessas faltas varia do fugaz ao estacionário. A figura abaixo demonstra os tipos de curto-circuitos possíveis em um circuito trifásico. Figura 3 – tipos de curto circuito em um sistema tr ifásico de energia Na ocorrência de interrupção de uma corrente de curto-circuito, tem-se que a falta elétrica e o próprio processo de interrupção serão agentes responsáveis pela desestabilização do sistema elétrico, resultando em períodos de comportamento transitório para as tensões e as correntes associadas ao circuito. Os principais fatores que caracterizam a corrente de curto-circuito, influenciando magnitude e outros parâmetros, são: • Capacidade energética da fonte de corrente; • Impedância do sistema de elétrico; 18 • As características da porção do circuito localizada entre a fonte e o ponto da falta; • Caso tenha máquinas rotativas inseridas no sistema, as características dessas no momento do curto-circuito; As diversas combinações dos elementos acima e as condições instantâneas da corrente delimitarão a duração do período transitório de corrente, como também a assimetria desta, conceitos que serão vistos nos tópicos posteriores. 5.1 Composição da corrente alternada de curto-circu ito No instante do curto-circuito percebe-se um elevado aumento de corrente, que atinge ao seu valor máximo. Como pode ser observado na figura 4, esse valor corresponderá à resultante entre as componentes dos transitórios e a componente de estado constante. Os módulos das correntes são determinados pela f.e.m. dos geradores e pelas reatâncias, provenientes dos condutores e equipamentos, entre os reatores e o ponto de curto. Figura 4 – Composição da corrente de curto circuito 19 Um importante detalhe é que os motores inseridos em determinado circuito são considerados geradores, pois a inércia de suas partes móveis fornecerá energia para o curto-circito. Percebe-se que a corrente total sofre um decaimento, aproximando-se ao valor da componente de estado constante. Isso é devido ao decrescimento das componentes transitória e subtransitória, influenciadas pelas diversas reatâncias presentes no sistema. Depois de vários ciclos a corrente atinge seu valor permanente de curto-circuito. 5.2 Assimetria da corrente de curto-circuito A corrente de curto-circuito é considerada simétrica quando os valores de pico forem iguais em todos os semiciclos. A assimetria obedece justamente um comportamento contrário, os valores de pico têm valores diferentes a cada semiciclo. Isso é observado devido à ocorrência de uma componente transitória de corrente contínua (cc) que surge durante qualquer energização, ou descarga, de um campo magnético, ou de um capacitor por meio de algum resistor. Esse transitório cc estará no formato de uma função exponencial, e sua soma algébrica com a corrente alternada (Isym) fornecida pelo circuito acarretará a assimetria da corrente total (figura 5). Para satisfazer as expressões matemáticas definidas para o transitório de corrente contínua, o valor inicial desse transitório corresponderá ao oposto do valor instantâneo da corrente alternada (io) no momento inicial do curto- circuito. Na ocasião de um curto-circuito em um sistema trifásico, percebe-se a impossibilidade de uma simetria da corrente de curto circuito nas três fases devido à própria defasagem de ângulos entre as correntes de um circuito trifásico. Por exemplo, caso ocorra uma falta simétrica em uma das fases do sistema, será constatado o aparecimento da corrente continua transitória nas outras duas fases, que terão valores de sinais opostos, pois sempre a soma das componentes transitórias de corrente continua corresponderá à zero. 20 Figura 5 – Identificação da assimetria presente d urante a o momento de falta 5.3 Efeitos da corrente de curto-circuito Após o estudo do comportamento básico das correntes de curto-circuito, já se pode ter certa ideia dos danos que essa falta elétrica poderá gerar. As conseqüências de um curto-circuito geralmente são graves, devido às elevadas perturbações no ambiente do sistema. Abaixo, seguem os principais efeitos negativos causados por essa falta: • Desconexão de uma porção da rede afetada devido à necessidade da interrupção de corrente; • Submissão dos equipamentos e conexões a um alto esforço mecânico, devido a força eletrodinâmica no momento do curto-circuito, podendo acarretar rupturas na rede; • Esforço térmico no ponto da falha, podendo ocasionar a queima dos condutores e a destruição dos isolantes próximos; 21 A interrupção da corrente é a medida eficaz para atenuar os danos de um curto-circuito, e deve ser aplicada em um tempo reduzido. Por isso, tem-se a necessidade do conhecimentode tal falta, e dos seus parâmetros físicos, para projetar um disjuntor que proteja o circuito com confiabilidade e precisão. A tabela abaixo mostra o tempo de interrupção remendado (em ciclos) para cada nível de tensão. Figura 6 – Recomendação técnica de tempo interrupçã o em função da tensão nominal 22 6. TENSÃO DE RESTABELECIMENTO TRANSITÓRIO Diferentemente dos transitórios de curto-circuito, que são dependentes de eventos específicos do circuito, as tensões transitórias são originadas pelos chaveamentos de fechamento, ou de abertura, dos interruptores de corrente. Os parâmetros dos transitórios de tensão influenciam diretamente na especificação do tipo de dispositivo de interrupção, pois este deverá suportar tal tensão. Todos os tipos de dispositivos de interrupção podem ser considerados como interconectores que unem duas redes elétricas. Uma das redes será responsável pela distribuição da energia, identificada como fonte, e a outra, consumirá a energia fornecida, conhecida como o lado de carga do sistema. Quando o dispositivo de interrupção é aberto, as duas redes serão desconectadas, e, por conseguinte, irão redistribuir a energia presa em cada um dos circuitos. Então, como resultado desse rearranjo energético, tem-se que em cada rede será desenvolvida uma tensão que aparecerá, simultaneamente, no respectivo terminal do interruptor. A soma algébrica dessas duas tensões correspondera o valor da tensão de restabelecimento transitória (TRT). Segue abaixo (figura 7) a ilustração da explicação mencionada nesse parágrafo. Figura 7 – Esquemático ilustrativo da formação da t ensão de restabelecimento transitória (TRT) 23 Para o fenômeno da TRT ser compreendido, alguns fatores devem ser avaliados no momento da interrupção da corrente, tais como: o tipo de falta, as características da conexão de rede, e o arranjo de chaveamento utilizado. Dependendo das combinações dessas condições, a TRT poderá assumir o comportamento de vários tipos de funções matemáticas, e o calculo exato desse transitório é considerado complexo. Geralmente, o calculo preciso da TRT é feito por meio de programas computacionais, existindo também modelos simplificados que são utilizados, principalmente, em estudos iniciais de projeto. 24 7. SOBRETENSÕES DE MANOBRA Como observado no tópico anterior, durante a abertura ou fechamento do interruptor de corrente, aparecem tensões transitórias, em que são originadas as sobretensões. Esses picos de tensão podem causar danos principalmente aos transformadores, reatores, e maquinas rotativas que provavelmente estarão conectadas em um determinado circuito. As sobretensões de manobra, provenientes da atuação dos disjuntores ou faltas no sistema, são caracterizadas por terem frentes de onda lentas, de origem interna, provocadas em conseqüência de alterações na rede. O gráfico abaixo demonstra os comportamentos divergentes entre os impulsos atmosféricos e de manobra. Figura 8 – Sobretensões de manobra e impulso atmosf érico típicas Os picos de tensão podem ser maiores ainda quando ocorre a energização do circuito poucos ciclos depois de uma interrupção por falta. Isso acontece devido à tensão “presa” no circuito logo após a interrupção do mesmo, durante o momento de corrente zero. As sobretensões são inevitáveis durante uma manobra, porém os efeitos dessas podem ser minimizados. Os resistores de pré-inserção são um dos artifícios para atenuar os picos transitórios de tensão durante o religamento de uma rede. Usualmente, esses resistores são inseridos transitoriamente por meio do movimento do contato móvel normalmente presente nos disjuntores. A figura 9 demonstra os comparativos dos sinais de onda, em relação à utilização do um resistor durante o religamento do circuito. 25 Figura 9 – Sobretensões de energização de uma linha de transmissão de 500 kv compensada, e com 300 km de comprimento; teste do c omportamento do resistor de pré-inserção no circuito [11]. 26 Os interruptores de corrente não são os responsáveis pelas sobretensões, mas as suas comutações desencadeiam as alterações das condições constantes em um circuito. As sobretensões têm duas variáveis influentes: a componente da freqüência e do transitório da sobretensão. Então, os resistores de pré-inserção não são os únicos meios de controle dos picos de tensão durante a manobra dos sistemas, pois existem outras medidas que atenuam os parâmetros citados, reduzindo a intensidade das sobretensões. 27 8. EVOLUÇÃO DOS DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO Após o estudo dos principais conceitos teóricos que envolvem o processo de interrupção de corrente, será detalhada a evolução desses equipamentos de manobra e seus aspectos técnicos e construtivos. O progresso tecnológico dos disjuntores, alavancado pelos aumentos de capacidade dos sistemas de potência, tem suas bases fundamentadas nos avanços no conhecimento dos fenômenos ligados à interrupção de corrente, assim como nos testes e nas observações de funcionamento, pois esses equipamentos são influenciados por variáveis inerentes às características do circuito e condições ambientais. Os critérios de agrupamentos dos tipos de disjuntores são diversos, como, por exemplo, a classe de tensão, tipo de instalação, e outros. Porém, o meio de interrupção de corrente é o principal fator que distinguirá os disjuntores de alta tensão. Nesse artigo, quatro tipos de disjuntores serão descritos, segundo os respectivos meios de interrupção: • Óleo; • Ar comprimido; • SF6; • Vácuo; Os disjuntores a hexafluoreto de enxofre (SF6) e a vácuo são considerados como tecnologias mais recentes (surgimento na década de cinquenta), ocupando os maiores níveis de adesão atualmente. Porem, os disjuntores a óleo e a ar comprimido, embora mais antigos, também serão discutidos, pois, além do fator histórico, esses ainda são encontrados em muitas instalações antigas em funcionamento. 8.1 Disjuntores a óleo Os disjuntores a óleo foram o primeiro projeto de um interruptor para sistemas de alta tensão. A figura 10 representa um dos primeiros exemplares de um disjuntor a óleo desenvolvido em 1901. Registros indicam que o 28 interruptor de corrente foi utilizado de Abril de 1902 até Março de 1903, quando, devido ao elevado numero de interrupções, parte do óleo em chamas foi expelida para fora dos barris de madeira, iniciando um incêndio que se propagou em toda sala elétrica [1]. Figura 10 – Disjuntor a óleo, construído em 1901, d imensionado para um sistema elétrico de 40 kV, com uma capacidade de interrupção de 200A a 300A. O disjuntor a óleo passou por diversos aprimoramentos, mas todos os interruptores de corrente desse tipo possuem a característica de terem os contatos elétricos imersos no óleo. Durante uma interrupção de corrente, o arco elétrico, instaurado após a abertura dos contatos, será extinto por meio da geração de gases, principalmente hidrogênio, em virtude da decomposição das moléculas de óleo devido às altas temperaturas desenvolvidas na região do arco (5000K-15000k). 8.1.1 Interrupção de corrente no óleo e as propried ades do meio O óleo usualmente utilizado nos disjuntores é derivado de um petróleo de base naftênica cuidadosamente refinado para evitar contaminações ou corrosões durante tal processo. Esse óleo é caracterizado por excelente rigidez dielétrica, por isso, alem de ser o meio interruptor do fluxo da corrente, tal fluido 29 também será o isolante elétricoentre os contatos energizados e o terra. A condutividade e capacidade térmica, nesse tipo de óleo, estão em níveis altos. Quando é observada uma interrupção do fluxo de corrente, os contatos se separam, e aparece o arco elétrico no meio constituído por óleo. Como explicado brevemente, o óleo circundante ao arco será vaporizado, formando uma bolha de gás envolta dessa descarga elétrica, observada na figura abaixo. Figura 11 – Bolha de gás produzida durante o proces so de abertura de um disjuntor a óleo. A predominância do hidrogênio no gás formado é a vantagem desse tipo de interrupção, pois esse componente possui excelentes propriedades refrigerantes que retiram o calor do arco, facilitando a extinção do mesmo. Vale ressaltar que as características e conceitos explicados no capitulo 4 também são aplicáveis nesse contexto. Percebe-se também, por meio da figura 11, que o estado físico das porções do óleo será definido pela sua distancia em relação ao centro de alta temperatura, o arco elétrico. 30 8.1.2 Disjuntores de grande volume de óleo (GVO) São compostos por um grande tanque metálico mantido no potencial de terra, preenchido com óleo isolante, no qual estão imersos os contatos sem nenhuma câmara de extinção, no caso dos disjuntores a óleo mais antigos (figura 12). Têm uma alta capacidade de interrupção. Figura 12 – Disjuntor GVO se m câmara de extinção (em corte) As câmaras de extinção, que também são utilizadas em outros meios de interrupção, objetiva, por meio de suas características mecânicas, potencializar os entraves para a continuidade de um arco elétrico. Pois o próprio cenário gerado durante a interrupção acarretará um aumento de pressão interna nessas câmeras, criando um fluxo de óleo que colaborará com o aumento da rigidez dielétrica do meio, o resfriamento e alongamento do arco. Na figura 13, são observados dois tipos de câmaras: sopro transversal e axial. 31 Figura 13 – Câmara de sopro transversal (à direita) e Câmara de sopro axial (à esquerda) Nas câmaras de sopro transversal, os gases formados pelo arco aumentam a pressão em seu interior, sendo obrigados a passar através das aberturas, para alívio desta sobrepressão. Então, o arco é forçado contra as paredes resfriadas da câmara sofrendo um alongamento, facilitando o processo de extinção. Já nas câmaras de sopro axial, a pressão dos gases gerados com o arco provoca o fluxo múltiplo de óleo ao longo de toda extensão da câmara, removendo os gases ionizados da região entre os contatos através das aberturas. Assim, o arco será mantido em uma posição axial na câmara até ser extinto. Foram inseridas, então, essas câmeras nos disjuntores GVO. Diferentemente dos primeiros projetos (figura 10), esse interruptor possuirá também mecanismos de acionamento dos contatos móveis, e buchas condensivas acopladas ao tanque metálico (figura 14). 32 Figura 1 4 – Disjuntores GVO (visão externa) Figura 15 – Disjuntores PVO (visão externa) 33 8.1.3 Disjuntores de pequeno volume de óleo (PVO) O desenvolvimento das câmaras de extinção nos disjuntores GVO acarretou o surgimento de um interruptor de corrente com um volume reduzido de óleo (cerca de 20% do volume de óleo utilizado no GVO). Em comparação com os GVO, os PVO não possuem aquele isolamento elétrico proporcionado pelo óleo. Devido às suas características menos robustas, como se pode notar na figura 13, esses disjuntores são utilizados em níveis de tensão menores (35 kV ou menos). A figura abaixo ilustra a circulação do óleo na câmara de extinção durante uma interrupção de corrente. Como mencionado anteriormente, o próprio movimento descendente do contato móvel, e o surgimento da bolha de gás devido à corrente de arco, proporcionarão os fluxo adicionais do óleo através da diferença de pressão gerada por esses dois acontecimentos no momento de abertura. Figura 16 – Visão esquemática da câmara de interrup ção e geração do fluxo de óleo 34 8.1.4 Fatores de inviabilidade dos disjuntores a ól eo Os disjuntores a óleo foram as primeiras experiências nos sistemas de alta tensão. Porém, esse tipo de interruptor, devido alguns fatores indesejáveis, foi sendo substituído por outros na preferência do mercado. O óleo desse interruptor, inicialmente, se apresentará claro e transparente, mas devido à carbonização do mesmo durante as interrupções de corrente, resíduos sólidos se depositarão no fluido, e um aspecto mais escuro se faz presente no mesmo. Logo, freqüentes filtragens do óleo são necessárias, pois a carbonização diminuirá a rigidez dielétrica do meio. O perigo de incêndio é outro fator negativo observado, principalmente em disjuntores a óleo antigos, pois o óleo utilizado é considerado uma substância suscetível a combustão. A foto (Figura 17) abaixo demonstra as proporções de um incêndio causado em um disjuntor a óleo. Figura 17 – Incêndio em um disjuntor a óle o – Millville Fire Department (2005) 35 8.2 Disjuntores a ar comprimido Na década de 30, surgem os disjuntores a ar comprimido com uma proposta de um segurança maior em seu aspecto operativo, em virtude dos vários registros de incêndio dos disjuntores a óleo da época. Esses disjuntores utilizam o ar comprimido como meio de extinção do arco elétrico, isolamento e acionamento dos contatos móveis. O ar comprimido possui boas características dielétricas, e outros fatores, como velocidade e intensidade do sopro, contribuem no processo de interrupção de corrente. Esse disjuntor é considerado versátil, pois percebe-se sua utilização em diversos níveis de tensão. Nesse tipo de interruptor, há dois tipos de câmaras de extinção: as de sopro axial de uma direção, e as de sopro axial em duas direções. Atualmente, essas câmeras são total e permanentemente pressurizadas, e a supervisão desses parâmetros de pressão é essencial para a confiabilidade do funcionamento desse disjuntor. Existem também mecanismos de proteção de eventuais despressurizações, como a garantia de um valor mínimo de ar comprimido, com rigidez dielétrica suficiente para impedir possíveis reacendimentos do arco elétrico. O ciclo de trânsito do ar, durante o processo de interrupção, é relativamente simples. O sopro de ar inicia-se pela abertura das válvulas de sopro para a atmosfera, provocando o fluxo do ar comprimido para o interior das câmaras. Esse deslocamento do ar entre os contatos abertos será o responsável pelo resfriamento e alongamento do arco elétrico instaurado. Nos disjuntores com câmara de sopro axial de uma direção, o fluxo de saída do ar para a atmosfera se dá por meio do contato móvel. Já nos disjuntores com câmara em duas direções, uma válvula de sopro principal e uma auxiliar são abertas para a atmosfera, originando um fluxo de ar pro meio dos contatos móvel e fixo. Na figura 18, observam-se detalhes de uma câmara de sopro axial de uma direção. 36 Figura 18 – Câmara de sopro axi al em uma direção (corte e foto) Na figura acima, além da câmara de extinção, vêem-se também as chamadas câmaras auxiliares. Nelas encontram-se os resistores de pré- inserção, vistos no capítulo 7, que são inseridos, no momento de abertura ou fechamento, para atenuar as sobretensões do sistema. 8.2.1 Características dos pólos e mecanismo de acio namento Primeiramente, um pólo de disjuntor é constituído por cabeças de interrupção, suportes isolantes, cubículo de controle e comando, e sistemas do comando de transmissão de acionamento.Uma cabeça de interrupção possui, simetricamente, duas câmaras de extinção principais, dois capacitores em paralelo com as câmeras principais, responsáveis pela distribuição de tensão entre elas, e as câmeras auxiliares. Diversas classes de tensão podem ser contempladas por pelo disjuntor a ar comprimido, pois a combinação de diversas câmaras de interrupção 37 alcançará os diversos níveis de tensão exigidos no mercado, e diferentes capacidades de interrupção. Isso é possível com base no princípio de múltipla interrupção, com o devido controle da distribuição da tensão, em cada câmara de interrupção, por meio dos capacitores mencionados anteriormente. A figura 19 é um exemplo da combinação de duas cabeças de extinção a ar comprimido, implantada em uma linha de 345 kV. Figura 19 – Disjuntores a ar comprimido com quatro câmaras de sopro axial em dupla direção – SE Barreiro CEMIG-GT Na figura acima, percebe-se um formação dos pólos em “T”, ou seja, uma coluna isolante suporta uma cabeça de extinção, com duas câmaras de interrupção. Há também a formação em “Y” (figura 20), nesse caso a coluna isolante suporta duas cabeças e extinção, cada uma com duas câmaras de interrupção. 38 Figura 20 – Disjuntores a ar comprimido com pólos em formação “T” e “Y”. O acionamento de abertura ou fechamento é iniciado com a energização da bobina de comando por meio da ativação da eletroválvula correspondente. O pulso elétrico gerado é transformado, devido o acionamento de válvulas e pistões, em um impulso mecânico que ativará as válvulas de comando que, por sua vez, acionarão os contatos móveis das câmaras de extinção principais e auxiliares, e, também, as válvulas de sopro principais. A abertura destas para a atmosfera despressuriza as câmaras principais, criando os sopros de ar que extinguirão o arco criado em cada câmara de extinção. 39 8.2.2 Vantagens e desvantagens dos disjuntores a ar comprimido Segue abaixo (figura 21) a tabela comparativa das principais vantagens e desvantagens desse interruptor. Figura 21 – Vantagens e desvantagens na util ização dos disjuntores a ar comprimido 40 8.3 Disjuntores a Hexafluoreto de Enxofre (SF 6) O composto químico SF6 foi descoberto em 1900 por Henry Moissan, porém a percepção do SF6 como um meio adequado para a extinção de um arco elétrico, e, por final, a comercialização de um interruptor com tal meio, ocorreu por volta de 1960. A figura 22 demonstra o resultado de um experimento comparando as capacidades de interrupção entre o SF6 e o ar. Figura 22 – Gráfico comparativo das capacidades de interrupção entre SF 6 e ar. Como observado no gráfico acima, o SF6 possui uma capacidade de interrupção muito superior em relação ao ar. Devido a isso os disjuntores a SF6 dominaram completamente o atual mercado de disjuntores de alta tensão, tornando as outras opções praticamente obsoletas. Esse interruptores de corrente são utilizados em todas as aplicações e níveis de alta tensão, desde 72,5kV até 800kV. 41 8.3.1 Propriedades e características do SF 6 O SF6 (figura 23) é considerado um gás estável, incolor, inodoro e não combustível. Em seu estado puro é absolutamente não tóxico e não causa corrosão. Além dessas características extremamente satisfatórias, a o gás SF6 possui natureza eletronegativa, isso transforma essa molécula em uma grande captadora de elétrons livres, retardando o fenômeno avalanche que inicia disrupção do meio, ou seja, o SF6 possui uma alta rigidez dielétrica. O gráfico abaixo (figura 24) demonstra os níveis de rigidez dielétrica em diferentes pressões, e distâncias entre os contatos. Figura 2 3 – A simétrica molécula de SF 6. Figura 24 – Rigidez d ielétrica do SF 6 em função da pressão. 42 O gás SF6 apresenta alta capacidade de transferência de calor e baixa temperatura de ionização, o que resulta em um satisfatório meio refrigerante durante a ocorrência do arco elétrico. Essa molécula ainda tem característica de ser auto-regenerável e de possuir uma alta recuperação de rigidez dielétrica, após a extinção do arco. Em termos ambientais, o SF6 não contribui para a destruição da camada de ozônio, pois o gás não possui cloro, o principal agente destruidor, e também não é muito reativo durante sua passagem pela camada. A molécula de SF6 é considerada um gás estufa, mas, devido sua baixa taxa de emissão, não é considerado um gás preocupante em relação ao aquecimento global. 8.3.2 Disjuntores a SF 6 de dupla pressão A ideia inicial dos aspectos construtivos de um disjuntor a SF6 foi a adaptação dos projetos mecânicos e de acionamentos dos disjuntores a óleo e ar comprimido para o, na época, recente meio de interrupção. O intitulado “dead tank” (figura 25) foi um dos primeiros disjuntores a SF6 no mercado, possuindo algumas semelhanças com os disjuntores a óleo. Existe outro modelo de disjuntor a SF6 de pressão dupla que se assemelha, em alguns termos construtivos, com os disjuntores a ar comprimido. Esse interruptor de corrente possui um compressor de gás responsável pela manutenção do gás SF6 a alta pressão no interior nas câmaras. No momento da abertura dos contatos elétricos, e surgimento do arco, o gás do reservatório de alta pressão é soprado na região entre os contatos. Ao termino da extinção do arco, o SF6 é reposto no reservatório de alta pressão, por meio do compressor que retira o gás do meio de baixa pressão (o nome “dupla pressão” é fundamentado justamente por essa necessidade de uma baixa e alta pressão para o fluxo do gás). A visão em corte desse tipo de disjuntor é mostrada na figura 26. Esse disjuntor é caracterizado por sua alta eficiência na extinção de arcos elétricos. 43 Figura 25 – Disjuntor a SF 6, o “Dead Tank” Figura 26 – Mecanismos de funcionamento do Disjunto r a SF6 de dupla pressão (em corte) 44 A possibilidade da liquefação do SF6 é um problema para esse interruptor, pois esse gás se liquefazer até mesmo em baixas temperaturas ambientes. Então esses disjuntores possuem resistores de aquecimento em seus reservatórios de alta pressão, a fim de se reduzir tal risco. 8.3.3 Disjuntores a SF 6 de única pressão Com o objetivo de simplificar o complexo mecanismo dos disjuntores explicados no tópico anterior, os disjuntores de única pressão (figura 27) vieram com uma proposta de se conseguir o fluxo do gás através de uma sobrepressão transitória no momento da abertura dos contatos. Isso foi concretizado por meio de um pistão ligado à haste do contato móvel, que utilizará o movimento dos contatos para comprimir o gás na câmara de extinção. Figura 27 - Foto do disju ntor a SF 6 de única pressão 45 Figura 28 – Extinção de arco elétrico no disjunto a SF 6 de única pressão A imagem acima (figura 28) mostra os estágios do processo interrupção de corrente. Como foi mencionado, a própria movimentação do contato móvel gera a pressurização necessária para extinção do arco elétrico. Após a completa interrupção da corrente, o SF6 garantirá a isolação elétrica entre os contatos. Uma visão em corte da câmara de interrupção desse disjuntor é mostrada na figura 29. Para acionamento dos contatos móveis, são utilizados mecanismos a mola, pneumáticos ou hidráulicos. Os acessórios, tais como bobinas de operação, chaves de contatos auxiliares, indicador de posição e equipamentos para supervisão e controle do gás, são colocados em um cubículo junto ao mecanismo de acionamento. Assim como nos disjuntores a dupla pressão,os de única pressão possuem também uma alta capacidade de interrupção e curto tempo de extinção do arco, e ainda necessitam de menos manutenção em relação àqueles, pelo fato de possuir uma menor complexidade. Devido a todas essas características e evoluções vistas nesse capítulo, o disjuntor a SF6 de única pressão é o mais cotado no segmento de alta tensão. 46 Figura 29 - Corte na câmara de interrupção de um di sjuntor a SF6 de simples pressão 8.4 Disjuntores a Vácuo Tão recente quanto os disjuntores a SF6, o método de interrupção de corrente a vácuo consiste na separação dos contatos, dentro de um recipiente com vácuo da ordem de 0,00001 Torr (0,00133 N/m²). O vácuo possui uma alta rigidez dielétrica devido às abstenções das colisões inelásticas entre as moléculas de gases. Apesar do arco elétrico em baixas pressões ter um comportamento diferente, a extinção do arco ainda ocorrerá no momento da passagem por 47 zero, e a corrente será interrompida definitivamente quando a energia do sistema for menor que a dissipada no processo de desionização. Porém, o fator diferente, em relação aos outros meios de interrupção, é a ocorrência da ionização entre os contatos por meio de vapores metálicos dos mesmos. Como conseqüência, tem-se que a eficiência do processo de interrupção é determinada pela rapidez da condensação deste vapor metálico nas superfícies constituintes da câmara de extinção. Figura 30 - Corte de uma câ mara do disjuntor a vácuo Os disjuntores a vácuo comerciais são formados por um tubo cilíndrico isolante de alta resistência mecânica. Os contatos, normalmente, são formados por uma placa circular constituída de uma liga metálica, e a distancia entre eles é reduzida quando abertos. Como pode ser observado na figura 30, o contato móvel é circundado por um fole metálico, que tem a função de barreira entre o vácuo e o ambiente externo. 48 8.4.1 Aplicabilidade do disjuntor a vácuo Esses equipamentos já foram testados em alta tensão (72,5kV ou mais), porém esse tipo de disjuntor (ilustrado na figura 31) apresenta uma tendência de aplicação em média tensão até 38 kV, devido ao seu reduzido tamanho dimensional. Assim como nos outros disjuntores, a associação entre câmaras de vácuo também é possível, possibilitando a abrangência de tensões maiores. Por enquanto, como mencionado anteriormente, os disjuntores a SF6 ainda dominam o mercado de alta tensão. Figura 31 - Disjunt or a vácuo 36kV do fabricante WEG O grande vilão desse tipo de disjuntor é o alto custo de fabricação, que possui a tendência de abaixar, devido aos novos desenvolvimentos de pesquisas dessa tecnologia. As vantagens do disjuntor a vácuo são bastante relevantes. Primeiramente, não necessitam de fontes externas de gás ou óleo, tornando muito baixo o risco de qualquer tipo de incêndio. Requerem baixíssima manutenção, sendo que o desgaste dos contatos é muito baixo, e dispensam o uso de capacitores e resistores de pré-inserção durante uma manobra. 49 9. ESPECIFICAÇÃO TÉCNICA DOS DISJUNTORES DE ALTA TE NSÃO A Especificação técnica é um documento elaborado pelo projetista, em que todos os requisitos técnicos do equipamento e suas condições de operação, ensaios e características do projeto serão descritos. Esse documento permite o fabricante identificar o equipamento a ser fornecido, se caracterizando como uma forma de contrato entre o cliente e fornecedor, e devido a isso é muito comum aparecer na especificação técnica dados puramente comerciais, como termos de garantia, prazos, condições de pagamento, etc. Em alguns casos, a especificação técnica não se faz necessária, pois o equipamento requisitado é bem definido, e já faz parte da linha de produção padrão. Nessa situação o cliente deverá apenas mencionar as principais características e o modelo do produto, que estará, provavelmente, registrado no catálogo. No caso dos disjuntores de alta tensão, a especificação técnica é fundamental, pois características peculiares do sistema elétrico, condições ambientais e outros fatores influenciam diretamente no processo de fabricação desse interruptor de corrente. 9.1 Características nominais dos disjuntores de alt a tensão Seguem abaixo as principais características nominais, usualmente previstas nas especificações técnicas, inerentes ao equipamento, e ao sistema de energia: • Tensão nominal É o valor da tensão eficaz fase-fase pelo qual o disjuntor é designado. Corresponde ao valor da tensão máxima de operação do sistema para o qual o disjuntor está previsto. • Freqüência nominal É a freqüência usual dos sistemas elétricos de potência de determinada região (No Brasil, 60 Hz). 50 • Corrente nominal É a corrente nominal do sistema elétrico onde o disjuntor está inserido. Existem valores já predeterminados para esse parâmetro. • Nível de isolamento nominal São os conjuntos de tensões suportáveis nominais que envolvem o disjuntor, como, por exemplo, as originadas por surtos atmosféricos, as sobretenões de manobra, etc. • Capacidade de interrupção nominal em curto-circuito É um dos parâmetros mais importantes para o dimensionamento de um disjuntor, pois estes devem atuar, abrindo seus contatos, durante tais correntes ocasionadas pelas faltas de curto-circuito. Foi também estabelecido pelas normatizações que o disjuntor deve suportar mecanicamente as forças causadas pelo primeiro pico da corrente de curto-circuito. Existem valores definidos para a corrente de interrupção que ultrapassam os 100kA. • Tempo de interrupção nominal O tempo de interrupção nominal de um disjuntor é o máximo intervalo de tempo entre o instante da energização da bobina de abertura e o instante da interrupção de corrente em todas as fases. Os valores normais são de 2, 3, 5 e 8 ciclos.[2] • Capacidade de estabelecimento nominal em curto-circuito É a capacidade do disjuntor de estabelecer e suportar os efeitos mecânicos do primeiro ciclo de corrente de curto-circuito, pois há a possibilidade do disjuntor fechar e estabelecer um curto-circuito. A norma NBR 7118 padroniza a capacidade de estabelecimento nominal do disjuntor em 2,5 vezes o valor eficaz da componente alternada da corrente de falta. [2] 51 • Requisitos para o religamento rápido Como muitas faltas elétricas são de natureza transitória, em muitos casos, logo após a extinção do arco, a reenergização do sistema poderá ser feita satisfatoriamente. • Tensão restabelecimento transitória Como visto no capítulo 6 deste artigo, a tensão de restabelecimento transitória é a diferença de tensão entre os contatos do disjuntor, no momento em que esse é aberto. Seus valores são especificados em ensaios. Existem várias formas de determinar as correntes nominais de serviço, sobrecorrentes e sobretensões, podendo encontrar desde os métodos mais precisos, como a utilização de programas computacionais, até os mais práticos, que também podem ser eficazes. 52 10. ENSAIOS APLICADOS AOS DISJUNTORES DE ALTA TENSÃ O Duas espécies de ensaios são aplicáveis aos disjuntores de alta tensão: os de tipo, e os de rotina. Os ensaios de tipo visam verificar o desempenho dos disjuntores, ou seja, se estes atendem as requisições mínimas exigidas pelo projeto. Alguns são feitos normalmente pelo fabricante objetivando a garantia da qualidade da fabricação do equipamento, outros são específicos, em que o cliente faz uma exigência previa. Abaixo segue a lista dos principais ensaios de tipo executados nos disjuntores de alta tensão: • Ensaios mecânicos; • Ensaio de elevação de temperatura; • Ensaios dielétricos;• Ensaios de estabelecimento e interrupção de correntes; • Ensaio de suportabilidade à corrente de curta duração admissível; • Ensaio de corrente crítica; • Ensaio de abertura em discordâncias de fase; • Ensaio de abertura em linha a vazio; • Ensaio de estanqueidade da câmara; • Ensaio de compatibilidade eletromagnética; Os ensaios de rotina objetivam revelar os eventuais defeitos do material ou de montagem do equipamento. Podem ser feitos periodicamente para a verificação da confiabilidade funcional dos disjuntores, fazendo parte do plano de manutenção de tal equipamento. Por serem executados em disjuntores aptos ao funcionamento, os ensaios de rotina são não-destrutivos. Os mais comuns ensaios de rotina são: • Ensaios de tensões suportáveis; • Ensaio de isolação e capacitância; • Ensaios de emissão de corona; • Ensaios nos circuitos auxiliares e de controle; 53 • Ensaio de funcionamento mecânico; • Medição das resistências ôhmicas do circuito principal; • Ensaios de tempos de operação no fechamento e abertura; • Verificações gerais (pintura, placas de identificação, dimensões, etc); 54 11. MANUTENÇÃO DOS DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO A manutenção é um conjunto de ações, que se realiza direta ou indiretamente em um sistema ou equipamento, com a finalidade de verificar, manter ou restabelecer as condições de cumprir com segurança e eficiência suas funções [2]. Aplicada aos disjuntores, a manutenção objetiva a operabilidade em tempo aleatório, ou seja, os equipamentos de manobra têm que estar aptos para atuar em qualquer momento, pois, como visto anteriormente, são uma das principais proteções a eventuais surtos de um sistema elétrico de potência. Três tipos de manutenção são aplicáveis aos disjuntores: corretiva, preventiva e preditiva. A Corretiva, que poderá ser programada ou não, tem a finalidade de reparar ou retirar o estado de pane de determinado componente cuja avaria resultou na falha do equipamento. Já a preventiva visa detectar potenciais condições que poderiam gerar algum distúrbio ou falha no funcionamento dos disjuntores, principalmente no que diz respeito ao: • Sistema de isolamento; • Elementos(s) de interrupção nos disjuntores; • Mecanismos de acionamento; E por último, a manutenção preditiva busca um monitoramento contínuo de diversas variáveis atreladas ao disjuntor, por meio de sistemas de supervisionamento preestabelecidos. A interpretação dos dados coletados possibilita predizer uma determinada falha, pois geralmente esta vem precedida de alguma sensível mudança no funcionamento de determinado componente, e, conseqüentemente, nos parâmetros fornecidos para o sistema de supervisão. Dessa forma, as medidas preceptivas do são tomadas antes que ocorra uma falha no equipamento. 55 Figura 32 – Inspeção nos mecanismos de acionamento – Disjuntor Areva SF 6-Série GL 11.1 Rotinas de manutenção As rotinas de manutenção são estabelecidas em diversos níveis, que variam desde inspeções com o equipamento energizado, em que são verificados apenas aspectos visuais externos do disjuntor (trincas, rachaduras, vazamentos, etc), até as manutenções que determinam uma análise aprofundada das câmaras de extinção (figura 33). A periodicidade e o tipo da rotina serão determinados por diversos fatores: • Tempo de operação; • Numero de manobras mecânicas; • Presença de algum fator crítico; • Tipo de disjuntor (Como visto no tópico da evolução dos disjuntores, algumas peculiaridades influenciam diretamente na rotina de manutenção) As figuras 34 e 35 são exemplos que ilustram um plano de manutenção de um disjuntor de alta tensão. 56 Figura 33 – Inspeção na câmara de extinção – Dis juntor Areva SF 6-Série GL Figura 34 – Rotinas de manutenção – Disjuntor Areva SF 6-Série GL 57 Figura 35 - Atividades requeridas em cada tipo de r otina de manutenção – Disjuntor Areva SF 6-Série GL 58 12. CONCLUSÃO Na contemporaneidade, o homem se demonstra cada vez mais dependente da energia elétrica, em todos os setores da economia, e em todas as classes sociais. Devido a esse cenário, os sistemas de geração e transmissão evoluíram, tornando-se mais precisos e menos suscetíveis a erros, em que os disjuntores de alta tensão também estão incluídos nesse panorama desenvolvimentista. A tendência evolutiva desses equipamentos de manobra é a sua garantia de um funcionamento preciso, com uma menor necessidade de manutenção. Surge, então, o conceito da teoria da confiabilidade aplicada aos disjuntores de alta tensão, que se baseia em um estudo estatístico e experimental desses dispositivos, estabelecendo métodos e estratégias que permitem redução dos índices qualitativos e quantitativos relativos às falhas nos sistemas de energia. Atualmente, os disjuntores a SF6 demonstram uma supremacia no mercado de alta tensão, pois possuem a melhor correlação entre custo e confiabilidade. Já os disjuntores a vácuo, que se adaptaram muito bem em instalações de media tensão, não conseguem concorrer no mercado de alta, pois ainda possuem um custo de fabricação muito alto para a sua utilização nesse nível de tensão. Porém, devido às excelentes características da utilização do vácuo como meio de interrupção, existem muitos investimentos em pesquisas que, em um futuro não muito distante, visam viabilizar economicamente a utilização do disjuntor a vácuo em tensões acima de 72,5 kV. 59 BIBLIOGRAFIAS [1] GARZON, Ruben D.. High Voltage Circuit Breaker- Design and Aplications. New York: MARCEL DEKKER, 1997 [2] Vários autores. Disjuntores e Chaves - Aplicação em sistemas de pot ência . Furnas Centrais Elétricas S.A Niterói - RJ: EDUFF, 1995 [3] Autor não identificado. Disjuntores de Alta Tensão – Ensaio de Simultaneidade . 24p. Universidade UNISUL, Engenharia Elétrica Disponível em: <http://www.ebah.com.br/disjuntor-de-alta-tensao-pdf-a58032.html> Acesso em: 27 de janeiro de 2011. 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Carimbo da empresa View publication statsView publication stats https://www.researchgate.net/publication/329950092
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