Introdução
Em sistemas de energia, disjuntores são utilizados para comutar equipamentos elétricos e redes em condições normais e de falha. A função principal de um disjuntor é interromper o fluxo de corrente (carga ou curto-circuito) ao abrir seus contatos, isolando assim as partes comutadas do sistema. O design e o funcionamento de um disjuntor dependem de sua aplicação e classificação de tensão. A tecnologia de caixa moldada (com ar à pressão atmosférica) é aplicada em baixas tensões (< 1000 V), enquanto disjuntores a ar comprimido e disjuntores a vácuo são comuns em médias tensões (< 72 kV). Disjuntores SF6 são geralmente utilizados em sistemas de alta tensão (> 72 kV).
Desconectando uma Carga Interrompendo uma Falha
Gás SF6
Disjuntores SF6 utilizam Hexafluoreto de Enxofre (SF6) como meio isolante para extinguir o arco entre os contatos móveis do disjuntor. Possui muitas características favoráveis que o tornam ideal para isolamento em equipamentos de alta tensão modernos:
- Alta resistência dielétrica (cerca de 8 a 9 vezes maior que o ar a 5 bar de pressão).
- Eletronegativo por natureza, capturando elétrons livres e formando íons pesados com baixa mobilidade que evitam uma ruptura do tipo avalanche.
- Boa capacidade de transferência de calor, alta energia de ionização e baixa temperatura de dissociação, resultando em excelentes propriedades de extinção de arco.
- Condutividade elétrica muito alta em temperaturas elevadas, resultando em baixa tensão de arco.
- Incolor, inodoro, inerte e não tóxico.
Algumas das desvantagens do gás SF6 são seu alto custo, sua tendência a formar fluoretos metálicos corrosivos durante o arco e o fato de ser um gás de efeito estufa.
Tipos de Disjuntores SF6
Atualmente, os disjuntores SF6 podem ser classificados em duas grandes categorias:
- Tanque morto – invólucro ao potencial de terra.
- Tanque vivo – invólucro ao potencial de linha.
Os designs de tanque morto podem oferecer maior capacidade de interrupção de corrente de curto-circuito e classificação sísmica, mas são relativamente volumosos (requerem mais gás SF6), enquanto os designs de tanque vivo são modulares e mais compactos.
Disjuntor de Tanque Vivo
Disjuntor de Tanque Morto
Existem também várias maneiras diferentes de interromper a corrente elétrica (e o arco resultante) em um disjuntor SF6. Esses tipos incluem: dupla pressão (agora obsoleto), pressão única (também chamado de puffer), auto-blast (onde a energia do arco suporta o aumento de pressão na câmara de arco), arco rotativo (o arco gira eletrodinamicamente em gás de fundo frio) e tecnologia de movimento duplo (com dois contatos móveis). Além disso, o mecanismo de acionamento do disjuntor pode ser do tipo hidráulico ou mola carregada.
Para o restante deste artigo, analisaremos em mais detalhes a montagem básica e o funcionamento de um disjuntor isolado a gás SF6 que utiliza pressão única (tecnologia puffer) com um mecanismo de operação de mola carregada; este é o tipo mais amplamente utilizado na indústria de alta tensão.
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Construção e Principais Componentes
Uma montagem completa de um disjuntor SF6 tipo puffer de pressão única consiste nas seguintes partes:
Unidade de Interrupção
A separação dos contatos do disjuntor, extinção do arco resultante e interrupção da corrente ocorrem na unidade de interrupção. Ela abriga dois conjuntos de contatos que são comumente chamados de ‘principais’ ou ‘normais de corrente’ e ‘contatos de arco’. Ambos os tipos desses conjuntos de contatos têm um contato estacionário enquanto o outro contato é capaz de se mover. Os condutores de corrente (fornecendo conexão aos terminais externos do disjuntor) estão conectados aos contatos principais estacionários e móveis. As pontas de todos os contatos do disjuntor são revestidas com um material resistente ao arco de cobre-tungstênio.
O corpo principal do interruptor (que é preenchido com gás SF6) contém um cilindro puffer móvel que pode deslizar axialmente para cima e para baixo ao longo dos contatos. Há um pistão estacionário dentro do cilindro que é fixado a outras partes estacionárias do disjuntor SF6, de forma que não pode mudar sua posição durante o movimento do cilindro. Um bico está localizado na abertura do cilindro.
Principais Componentes do Interrupter de Disjuntor SF6
Pilha Isolante
A unidade de interrupção é montada verticalmente no topo de uma pilha isolante que é composta por um isolador oco encapsulando a haste de acionamento que conecta o mecanismo de operação mecânica do disjuntor aos contatos móveis alojados dentro do interrupter. Dependendo da classificação de tensão do sistema, a pilha isolante pode ser uma peça única ou múltiplos segmentos acoplados mecanicamente em série. Assim como qualquer outro isolador, ela fornece distância de arco seco e distância de fuga adequadas para evitar flashovers associados a sobretensões transitórias e poluição ambiental. A unidade completa do disjuntor é geralmente fixada em uma estrutura de aço que a segura em uma fundação de concreto embutida.
Mecanismo de Operação Mecânica
O aparelho de acionamento fornece a energia cinética necessária para abrir e fechar os contatos do disjuntor. Consiste em um conjunto de molas de abertura e fechamento que são carregadas manualmente ou com a ajuda de um pequeno motor elétrico.
Painel de Controle
O cubículo de controle comunica-se entre o mecanismo de operação mecânica do disjuntor, proteção do sistema (relés) e dispositivos de supervisão. Pode ser configurado para configuração de operação ‘remota’ ou ‘manual’.
Disjuntor de Tanque Vivo SF6 de 245 kV (Interrupter Único)
Componentes Adicionais
Em extra alta tensão (geralmente 380 kV e acima), devido à economia de fabricação e requisitos de design, o disjuntor SF6 pode ter diferenças notáveis na construção e também pode apresentar componentes adicionais:
- Em vez de uma unidade de interrupção única, duas ou mais unidades de interrupção são conectadas em série (e montadas horizontalmente na pilha isolante). Para tais disjuntores, capacitores de graduação (C) são conectados através dos interruptores para equalizar a tensão entre eles.
- Para aplicações de comutação de linha de transmissão, esses disjuntores podem ser equipados com resistores de pré-inserção (PIR) para amortecer altas magnitudes de sobretensões transitórias de comutação. Esses PIRs (normalmente 300 a 600 ohms) são conectados em paralelo com os contatos principais do disjuntor. Eles são inseridos no circuito por um intervalo de tempo especificado (8 a 12 ms) antes que os contatos principais do disjuntor sejam fechados.
Diferentes Configurações de Disjuntor SF6
- Os terminais de conexão externos são equipados com anéis de graduação para garantir que as tensões de campo elétrico na superfície do terminal não excedam o início da corona
Disjuntor de Tanque Vivo SF6 de 550 kV (Dois Interrupters em Série)
Como Funcionam os Disjuntores SF6
Condição Normal
Na condição normal, os contatos do disjuntor estão fechados e a corrente flui de um portador de contato para o outro através dos contatos principais e do cilindro puffer deslizante.
Operação de Abertura do Disjuntor
Quando o painel de controle do disjuntor recebe um comando de abertura (para limpar uma falha ou desconectar parte de uma rede), ele envia um sinal para a bobina de disparo do mecanismo de operação mecânica, que por sua vez libera o trava que segura a mola de abertura carregada. À medida que a mola de abertura descarrega, ela puxa a haste de acionamento (conectada ao interrupter) em uma direção linear, o que faz com que os contatos móveis e o cilindro puffer se movam para baixo.
O movimento do cilindro puffer contra o pistão estacionário leva a uma diminuição no volume interno do cilindro puffer, o que causa compressão do gás SF6 dentro do cilindro. Devido à sobreposição de contato, a compressão do gás começa antes que qualquer contato se abra. À medida que o movimento descendente continua, os contatos principais se separam e a corrente comuta para os contatos de arco que ainda estão na posição fechada (devido à sua construção fisicamente mais longa). Durante o curso de mais abertura, os contatos de arco começam a se separar e um arco é estabelecido entre eles.
Operação de um Disjuntor Tipo Puffer SF6
À medida que o arco flui, ele bloqueia o fluxo de gás SF6 através do bico até certo ponto. Assim, a pressão do gás no cilindro puffer continua a aumentar. Quando a forma de onda de corrente senoidal se aproxima de zero, o arco se torna relativamente fraco e o gás SF6 pressurizado dentro do cilindro puffer flui axialmente (através do bico) sobre o comprimento do arco. Esta explosão de gás SF6 remove a energia térmica na lacuna de contato e reduz o grau de ionização (condutividade elétrica) de modo que o arco é extinto.
Quando o arco é interrompido, a tensão de recuperação transitória (TRV) começa a aparecer entre os contatos; a velocidade de abertura dos contatos do disjuntor deve ser rápida o suficiente para criar uma distância de separação de contato adequada para suportar esse estresse de tensão. Caso a resistência dielétrica da lacuna de contato seja inferior ao estresse TRV, o arco será restabelecido em um fenômeno comumente chamado de re-ignição ou re-strike do disjuntor.
Operação de Fechamento do Disjuntor
Durante a sequência de fechamento do disjuntor, a bobina de fechamento libera a energia da mola de fechamento que faz com que os contatos se movam em direção um ao outro, trazendo-os finalmente para sua posição normal fechada. Ao mesmo tempo, o gás SF6 é redirecionado para o cilindro puffer, tornando o disjuntor pronto para a próxima operação.
Durante o fechamento, um disjuntor pode às vezes experimentar um evento conhecido como pré-ignição. À medida que os contatos se movem em direção um ao outro durante o fechamento, a resistência dielétrica da lacuna de contato diminui. Em algum ponto, o estresse de tensão através da lacuna de contato excede sua resistência dielétrica, produzindo assim um arco de ‘pré-ignição’ que conecta os contatos.
Requisitos de Design
Além das características gerais normalmente associadas a um interruptor elétrico, ou seja, baixa resistência de contato quando fechado e isolamento quase perfeito em condição aberta, um disjuntor SF6 de alta tensão precisa atender a requisitos de design adicionais. Entre eles, os mais pertinentes são brevemente descritos abaixo:
- Corrente nominal – as partes condutoras de corrente do disjuntor devem ser capazes de transportar a corrente de carga máxima antecipada sem exceder o aumento de temperatura
- Corrente de interrupção de curto-circuito nominal – o disjuntor deve ter a capacidade de interromper a corrente de curto-circuito máxima da rede (valores padronizados típicos são 25, 40 e 63 kA).
- Tensão nominal e nível de isolamento – o isolamento do disjuntor externamente e através dos contatos deve ser capaz de suportar magnitudes especificadas de baixa frequência e sobretensões transitórias.
- Re-ignições – durante a interrupção de corrente capacitiva, a probabilidade de re-ignição entre os contatos do disjuntor deve ser muito baixa.
- Resistência mecânica – o disjuntor deve ser capaz de realizar um grande número de operações (2.000 a 10.000) com manutenção muito limitada.
- Tempo de abertura – para alcançar uma folga adequada entre os contatos e para suportar o TRV, um disjuntor precisa abrir em uma velocidade extremamente rápida (na ordem de 40 a 60 ms).
- Sequência de operação nominal – o disjuntor é necessário para completar satisfatoriamente uma sequência de operação especificada. Para disjuntores de religamento de alta velocidade, uma sequência típica é: O-0,3seg-CO-3min-CO (onde O e C representam abertura e fechamento, respectivamente, e 0,3seg e 3min são atrasos de tempo).
- Dever de comutação – durante o curso de sua vida útil, o disjuntor deve ser capaz de realizar com sucesso uma variedade de comutações (interrupções) que mais notavelmente incluem: falhas de terminal e falhas de linha curta, transformador e comutação de reator, e interrupção de corrente capacitiva. Em termos de demandas sobre o disjuntor, esses diferentes tipos de deveres de comutação variam a magnitude da corrente e TRV que um disjuntor é necessário para suportar.