Prévia do material em texto
EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS
Notas de aula - Disjuntores
Profª Janaína Gomes da Costa
Agenda
■ Função no sistema
■ Definições – requisitos elétricos
■ Solicitações sistêmicas
■ Classificação
■ Tipos construtivos
■ Acessórios
■ Especificação para projeto e fabricação
– Normas técnicas
– Ensaios normalizados
■ Exemplos de aplicação
Disjuntores
■ Os disjuntores tem as funções principais:
– Interromper correntes de curto-circuito (correntes de falta) em curtíssimos
intervalos de tempo - uma das tarefas mais difíceis confiadas aos
equipamentos instalados em sistemas de potência.
– Devem ser capazes de estabelecer e interromper correntes de
magnitudes muito menores e de isolar partes dos sistemas quando na
posição aberta.
■ Os disjuntores precisam realizar todas essas tarefas de forma
absolutamente confiável, com o objetivo de impedir danos aos demais
equipamentos do sistema.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Disjuntores
■ Os disjuntores são, em geral, chamados a mudar de uma
condição para outra ocasionalmente e a desempenhar a
função de abrir faltas ou fechar circuitos sob falta apenas
muito raramente.
■ A manobra de bancos de capacitores e reatores shunt nos
sistemas de transmissão muitas vezes deve ser realizada
com alta cadência (até várias operações por dia), o que pode
exigir requisitos adicionais para as câmaras de interrupção,
devido ao maior desgaste dos contatos decorrente da
operação muito frequente.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Disjuntores
■ Os disjuntores devem ser mecanicamente capazes de abrir
em tempos tão curtos quanto dois ciclos, após terem
permanecido na posição fechada por vários meses.
■ Esta exigência impõe cuidados especiais no projeto do
equipamento, no sentido de reduzir a um mínimo as massas
das partes móveis e de garantir a mobilidade das válvulas,
ligações mecânicas etc.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Sobretensões dinâmicas
(temporárias) - revisão
Curto-circuito monofásico – Sobretensão nas
outras duas fases a 60Hz: até 1,73 Vn
(dependendo do fator de aterramento do
sistema) durante o tempo de duração da falta
Rejeição de carga – perda súbita de carga do
lado fonte de um sistema – aumento da
tensão no sistema (força eletromotriz das
máquinas – disparo dos geradores).
Sobretensões transitórias -
Revisão
Estudos de
transitórios -
determinação dos
requisitos dielétricos
Arranjo físico das
subestações
Capacidade de interrupção
nominal - Revisão
Fonte: Livro Disjuntores e Chaves – Aplicação em Sistemas de Potência – Livro Furnas - 1995
A assimetria depende do
instante da falta e da relação
X/R vista do ponto de falta.
Definições
■ Tensão de Restabelecimento (TR): Tensão que surge entre os
terminais de um pólo do disjuntor, após a interrupção da
corrente.
■ Tensão de Restabelecimento Transitória (TRT): Tensão de
restabelecimento no intervalo de tempo em que ela tem uma
característica transitória apreciável.
■ Taxa de Crescimento da Tensão de Restabelecimento Transitória
(TCTRT): Relação entre o valor de crista da TRT e o tempo gasto
para atingir esta tensão.
■ Capacidade de Interrupção: É a capacidade do disjuntor em
suportar as correntes de defeito em condições definidas, sem
apresentar reignição. É dada em kA, MVA ou GVA.
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Definições
■ Tempo de Fechamento (ms): Intervalo de tempo desde a
energização da bobina de fechamento até o fechamento
galvânico dos contatos em todos os polos.
■ Tempo de Abertura - ou de corte (ms): Intervalo de tempo
desde a energização da bobina de abertura até a separação
galvânica dos contatos.
■ Tempo de Interrupção (ms): Intervalo de tempo desde a
energização da bobina de abertura até a final extinção do
arco.
■ Tempo de Arco (ms): Intervalo de tempo desde o início da
separação galvânica do contato até a final extinção do arco.
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Definições
■ Ciclo de Operação: É a sequência nominal de operação
estabelecida pela norma, na qual deve ser garantida a
capacidade de interrupção.
■ Sequência Nominal de Operação:
– O-0,3s-CO-3min-CO - Normas: 62271-100(ABNT)
– O-0,3s-CO-15s-CO - Normas: 62271-100 (ABNT);
– Sendo:
■ O = Uma operação de abertura (open);
■ C = Uma operação de fechamento (close);
■ S = Tempo em segundos.
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Definições –
Interrupção Corrente
de defeito
t1 Instante da ocorrência da falta
t2 Inst. da energização da bob. de abertura
t3- Inst. da separação dos contatos do disj.
t4– Instante da interrupção da corrente
tp- Tempo de atuação da proteção
tab – Tempo de abertura do disjuntor
tarc- tempo de duração do arco
ti-tempo de interrupção da falta pelo disjuntor
te-tempo de eliminação da falta
Ie-corrente de estabelecimento
Definições - Interrupção ABN
T
6
2
2
7
1
-1
0
0
Tensão de restabelecimento
transitória (TRT)
■ É a diferença de tensão entre os terminais do disjuntor em
seguida à interrupção de uma corrente, no período transitório
anterior ao amortecimento das oscilações, e é composta pela
parcela a 60Hz (tensão de restabelecimento) e uma parcela
de sobretensão de frequência bem mais elevada.
Fonte: Livro Disjuntores e Chaves – Aplicação em
Sistemas de Potência – Livro Furnas - 1995
Tensão de restabelecimento
transitória (TRT)
Fonte: Livro Disjuntores e Chaves – Aplicação em Sistemas de Potência – Livro
Furnas - 1995
O objetivo do cálculo da TRT é estabelecer a
envoltória dos esforços a que um grupo de
disjuntores estará submetido.
É necessário caracterizar os esforços que
sensibilizam o disjuntor, bem como os aspectos
relevantes da rede que controlam ou definem
estes esforços (térmicos e dielétricos).
Tensão de restabelecimento
transitória (TRT)
Fonte: Livro Disjuntores e Chaves – Aplicação em
Sistemas de Potência – Livro Furnas - 1995
Tensão de restabelecimento
transitória (TRT)
Fonte: Livro Disjuntores e Chaves – Aplicação em Sistemas de Potência – Livro
Furnas - 1995
Corrente de pré-abertura – aquece o meio de
interrupção, define a condição inicial da
recuperação da sua rigidez dielétrica.
Taxa de crescimento da TRT – deve ser menor que a
taxa de recuperação do meio de extinção.
Valor máximo da TRT – deve estar abaixo do
máximo da rigidez dielétrica
Tensão de restabelecimento
transitória (TRT)
Fonte: Livro Disjuntores e Chaves – Aplicação em Sistemas de Potência – Livro
Furnas - 1995
Estudo da Interrupção
O disjuntor está fechado, os 2 fenômenos que
aparecerão durante a interrupção são:
■ A corrente i de forma senoidal;
■ A tensão U ou mais precisamente a queda de
tensão Δu entre o contato fixo A e o contato
móvel B, como a resistência de contato é
próxima a zero Δu é zero.
ΔU
A
B
Condições para a interrupção
■ Circuito resistivo
ΔU
A
B
Corrente de arco: varia em
intensidade de acordo
com seu alongamento
Tensão de arco: varia
inversamente ao
alongamento do arco
A corrente de arco de
forma senoidal, vai passar
por zero e com o sopro de
SF6 será extinta.
Podemos dizer que A está
no potencial zero e B
ficará no potencial do
gerador.
A tensão de arco que era
muito pequena durante o
tempo do arco, vai elevar-
se rapidamente e
alcançar a tensão do
gerador, a tensão
restabelecida.
Condições para a interrupção
A extinção do arco está
condicionada pelos parâmetros
a seguir:
passagem da corrente pelo
zero,
distância entre os contatos
suficiente para suportar o
restabelecimento da tensão
o resfriamento do arco
A interrupção será bem
sucedida se a taxa de
crescimento de
restabelecimento da rigidez
dielétrica VD forsuperior a taxa
de crescimento da TRT.
Interrupção de Correntes de Falta
Simétricas e Fator de Primeiro Pólo
A TRT é formada pela tensão na frequência industrial e por
oscilações transitórias de alta frequência. Deste modo o valor de
pico da TRT é diretamente proporcional a magnitude da tensão na
frequência industrial.
A pior solicitação possível será vista na abertura do primeiro polo do
disjuntor em uma falta simétrica não aterrada, já que, logo após a
abertura do primeiro polo a tensão na frequência industrial passa a
assumir um valor diferente do seu valor nominal.
O aumento da tensão na frequência industrial devido a abertura do
primeiro polo do disjuntor é medido em comparação com seu valor
nominal e é dado pelo fator de primeiro polo Kpp.
Fator de primeiro pólo
Segundo a IEC 62271-100 a definição de
fator de primeiro polo é:
“Quando a interrupção de alguma
corrente trifásica simétrica, o fator de
primeiro polo é a relação da tensão à
frequência industrial através do primeiro
polo a interromper, antes da interrupção
das correntes nos outros polos, para a
tensão na frequência industrial
ocorrendo através do polo ou dos polos
depois da interrupção”
Solicitações do disjuntor
■ O disjuntor pode ser solicitado a manobrar nas
seguintes situações:
– Manobra de correntes normais
– Abertura e fechamento de linha em vazio, cabo em vazio e
banco de capacitores
– Abertura de “pequenas” correntes indutivas
– Em condição de faltas terminais
– Em condição de faltas quilométricas (linha curta)
– Em condição de discordância de fases
■ Devem ser determinados os valores de TRT para as
situações mais críticas para o disjuntor.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Manobra de Correntes Normais
■ A interrupção das correntes verificadas em condições
normais de funcionamento do sistema – com ordem de
grandeza variável entre zero ampères e a corrente nominal
do disjuntor – solicita de diferentes formas o equipamento,
conforme o fator de potência verificado.
■ Merece atenção particular a interrupção de correntes
capacitivas e de pequenas correntes indutivas, que exigem a
especificação de características especiais sempre que o
disjuntor estiver destinado a realizar essas operações, isto é,
chavear motores, reatores ou transformadores em vazio
(pequenas correntes indutivas), banco de capacitores ou
linhas de transmissão abertas (correntes capacitivas).
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Abertura e fechamento de
correntes capacitivas
■ Na abertura de correntes capacitivas, seja de
bancos de capacitores, seja de linhas em vazio,
os capacitores ou as linhas são mantidos
carregados (com tensão) após a interrupção
em cada fase.
■ Essa tensão mantém-se aproximadamente
constante (sofrendo apenas uma lenta
redução, devido às correntes de fuga),
enquanto a tensão no lado da fonte evolui
segunda a frequência do sistema.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Abertura e fechamento de
correntes capacitivas
■ A tensão de restabelecimento (TR)
alcançará um pico elevado ao fim de meio
ciclo após a interrupção.
■ Esse valor elevado, associado a uma
insuficiente separação dos contatos
(causada pela facilidade da interrupção
inicial), poderá levar ao reacendimento do
arco através do disjuntor.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Abertura de banco de
capacitores
Fonte: Livro Disjuntores e Chaves – Aplicação em Sistemas de Potência – Livro
Furnas - 1995
Circuito simplificado para estudo do
chaveamento de correntes capacitivas por
um disjuntor
U – tensão da rede
L – indutância da fonte
C1 – Capacitância da fonte
C2 – Banco de capacitores
Abertura de banco de
capacitores
Fonte: Livro Disjuntores e Chaves – Aplicação em Sistemas de Potência – Livro
Furnas - 1995
A tensão no capacitor (Uc) será maior que a tensão da rede.
Quando uma corrente capacitiva é interrompida, a tensão do
lado carga permanece com o valor do instante da interrupção.
A tensão do lado fonte, após um transitório de pequena
amplitude, tende a acompanhar a tensão da rede (1 pu).
A TRT do disjuntor varia no tempo.
Abertura de banco de
capacitores
Fonte: Livro Disjuntores e Chaves – Aplicação em Sistemas de Potência – Livro
Furnas - 1995
Corrente e tensão na interrupção de corrente
capacitiva
Abertura de banco de
capacitores
■ O valor máximo da tensão aos terminais do
disjuntor na manobra de um banco de capacitores
monofásico após o amortecimento da oscilação
inicial é igual a duas vezes a tensão nominal mais
o valor do degrau de tensão (Uc – U)
■ O aterramento do sistema e da carga capacitiva
são fatores importantes na determinação das
sobretensões resultantes.
Fonte: Livro Disjuntores e Chaves – Aplicação em Sistemas de Potência – Livro
Furnas - 1995
Energização
de banco de
capacitores
Quando um disjuntor é solicitado
a proceder uma operação de
energização, os seus contatos se
aproximam mecanicamente.
Antes que estes se acoplem, a
corrente começa a fluir por meio
do pré-arco que se estabelece.
A corrente de energização possui
normalmente um transitório de
elevada amplitude (corrente de
inrush)
Fonte: Livro Disjuntores e Chaves – Aplicação em Sistemas de
Potência – Livro Furnas - 1995
Energização de banco de
capacitores
Fonte: Livro Disjuntores e Chaves – Aplicação em Sistemas de Potência – Livro
Furnas - 1995
Corrente de energização de banco de capacitores
Manobra de Linha em vazio
■ O chaveamento de linha em vazio é
uma manobra de carga capacitiva,
assim como o chaveamento de banco
de capacitores, com diferenças nas
relações de tensões e correntes.
Manobra de Linha em vazio
– Os seguintes fatores influenciam as sobretensões de
energização e abertura de LT em vazio:
■ Comprimento da linha
■ Potência de curto-circuito da rede
■ Reatores de compensação
■ Instante de separação dos contatos (abertura)
■ Instante de fechamento dos contatos (energização)
■ Ocorrência de reacendimentos e reignições (abertura)
■ Condições de aterramento da rede
■ Presença de defeito na linha
■ Tensão pré-manobra
■ Resistor de pré-inserção (energização)
Manobra de Linha em vazio
A manobra de LT em vazio e cabo em vazio possuem um
comportamento similar, entretanto, destaca-se que no caso de
cabos, a impedância de surto é de quatro a oito vezes menor que
a impedância de surto de linhas e a velocidade de propagação
das ondas eletromagnéticas nos cabos é tipicamente três vezes
menor que nas linhas.
Assim a corrente de energização é mais elevada para cabos do
que para linhas.
Manobra de Linha em vazio
Representação equivalente monofásica simplificada da linha chaveada
Manobra de Linha em vazio
■ Energização de LT em vazio
– Antes do fechamento
■ Tensão lado fonte do disjuntor: tensão da rede
■ Tensão lado linha do disjuntor: nula
– Após o fechamento
■ Tensão no lado linha tende a passa de zero para o
valor da tensão no lado fonte: transitório resultante da
interação das ondas eletromagnéticas trafegantes na
linha com o sistema. A severidade deste transitório
depende do instante de fechamento do disjuntor e da
diferença entre os instantes de fechamento elétrico
dos pólos (circuitos trifásicos).
Manobra de Linha em vazio
■ Energização de LT em vazio
– As sobretensões causadas por energizações de
linhas são normalmente serveras, principalmente
nas energizações sob defeito ou com carga
residual (religamentos).
– A forma de mitigação destas sobretensões é a
utilização de resistores de pré-inserção e a
utilização de para-raios ZnO.
– A corrente de energização não é tão elevada como
no caso de banco de capacitores devido à
limitação imposta pela impedância de surto da LT.
Abertura de pequenas
correntes indutivas
■ Na abertura de motores, transformadoresem vazio, reatores
e transformadores com reatores ligados ao terciário, as
correntes a serem interrompidas (indutivas e pequenas com
relação à capacidade de interrupção nominal dos disjuntores)
passam por um processo de instabilidade ao se aproximarem
de zero, durante o período de arco.
■ Esse processo é determinado pela interação entre o arco do
disjuntor e a rede e costuma determinar uma interrupção
prematura ou “corte“ da corrente, causada por sua
passagem por zero antes do instante “natural” (isto é, do
instante em que o zero de corrente ocorreria se o arco não se
tornasse instável).
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Abertura de pequenas
correntes indutivas
■ O fenômeno do corte de corrente determina a formação
de sobretensões nos terminais do equipamento
desconectados em virtude da transformação da energia
magnética armazenada no circuito indutivo em energia
eletrostática, transferida para as capacitâncias do
circuito (usualmente pequenas e formadas,
principalmente, pelas capacitâncias para a terra de
buchas e ligações). Após atingir um primeiro máximo,
um, a tensão na carga indutiva oscilará a uma
frequência determinada pelos parâmetros do circuito
(usualmente 0,5 a 10 kHz).
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Abertura de
pequenas correntes
indutivas
UB TRT a montante
UA TR a jusante
IO valor da corrente arrancada
US sobretensão nos bornes do reator
/ transformador
Solicitações do disjuntor –
Faltas terminais
São faltas que ocorrem no terminal do disjuntor.
A norma IEC 62271-100 define os parâmetros das envoltórias normalizadas
para testes de correntes de falta (If) iguais a 10%, 30%, 60% e 100% da
componente periódica da capacidade de interrupção nominal.
Corrente de curto simétrica: T10, T30, T60, T100
Corrente de curto assimétrica: T100
Falta terminal
Formação da tensão de restabelecimento em seguida à
interrupção de uma falta terminal
Solicitações do disjuntor -
Faltas quilométricas
■ Denomina-se falta quilométrica a falta que ocorre em
uma linha de transmissão à pequena distância (seja
1 a 5 km) do disjuntor responsável por sua manobra.
■ A abertura de faltas quilométricas pode constituir
uma operação particularmente difícil para o disjuntor,
pois essa condição combina uma corrente de falta de
valor elevado a uma taxa de crescimento da tensão
de restabelecimento transitória mais alta que a que
se verificaria em caso de falta junto aos terminais do
disjuntor.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Solicitações do disjuntor -
Faltas quilométricas
■ A severidade a que fica submetido o
disjuntor não é devido ao valor da corrente
de defeito, mas à tensão transitória de
restabelecimento (TRT) que surge entre os
seus contatos.
■ É necessário que o meio de extinção do
arco apresente uma rigidez dielétrica
elevada.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Faltas quilométricas
Fonte: Livro Disjuntores e Chaves – Aplicação em Sistemas de Potência – Livro
Furnas - 1995
Representação simplificada do sistema a ser equivalenciado para
estudo da falta quilométrica
Falta quilométrica
■ Efeitos das capacitâncias parasitas
– Têm o efeito de atenuar o crescimento da TRT. Para a
TRT crescer deve carregar o capacitor, o que introduz
um atraso neste crescimento (em função da constante
de tempo do circuito equivalente – ZC)
Equivalente para estudo do efeito das
capacitâncias parasitas
Falta quilométrica
■ Reignição térmica
– Abertura de curto quilométrico pode forçar uma
reignição térmica. Consequência – não eliminação
do defeito: falha na abertura.
– Causa: evolução do tempo da tensão e da
condutância do arco nas proximidades do zero de
corrente. Mecanismos de arrefecimento do arco
atuam no sentido de anular a corrente de pós-zero
e as oscilações em alta frequência da tensão e
corrente do arco, as quais dependem da sua
constante de tempo, tende reacender o disjuntor.
Fonte: Livro Disjuntores e Chaves – Aplicação em Sistemas de Potência – Livro
Furnas - 1995
Circuito de
ensaio falta
quilométrica
Circuito de
ensaio falta
quilométrica
Solicitações do disjuntor -
Discordância de fases
■ Disjuntores de interligação entre duas estações geradoras,
ou duas partes de um sistema elétrico independentes quanto
à geração, podem ter de abrir quando estas partes estão em
discordância de fases, o que, em condições mais
desfavoráveis, pode implicar formação de tensões de
restabelecimento superiores às produzidas por curtos-
circuitos.
■ A condição de discordância de fases pode surgir após a
abertura do último elo de interligação entre duas partes de
um sistema, ou mesmo durante a permanência de um ou
mais elos fracos, em consequência das oscilações
provocadas por um distúrbio de maior severidade em uma
destas partes.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Classificação
Fonte: Desenvolvimento de Software para Medição dos Tempos
de Operação Durante Ensaios em Disjuntores de Alta Tensão
Ricardo Tozzi de Lima
Classificação
A câmara de interrupção é
isolada da terra ("live tank").
O invólucro da câmara de interrupção é
metálico e aterrado ("dead tank").
Evolução nas Tecnologias de Extinção do Arco
Elétrico
FONTE. IEC62271-306E
Evolução nas Tecnologias de Extinção do Arco
Elétrico
FONTE: HISTORY OF CIRCUIT BREAKER STANDARDS – JEFFREY H. NELSON, P.E. –
PRINCIPAL ELECTRICAL ENGINEER - IEEE
Principais tipos de disjuntores que operam no
SEP
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Disjuntores a sopro magnético
(ou disjuntores a seco)
■ Disjuntor cujos contatos principais operam em
um campo magnético produzido pela própria
corrente que percorre o circuito principal;
■ Neste tipo de disjuntor os contatos se abrem
no ar, empurrando o arco para dentro das
câmaras de extinção, onde ocorre a
interrupção devido a um aumento na
resistência do arco e, consequentemente, na
sua tensão;
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Disjuntores a sopro magnético
(ou disjuntores a seco)
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Oscilografia
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Vantagens / desvantagens –
Sopro magnético
■ Vida elétrica elevada;
■ Peso e dimensões relativamente grandes, especialmente para
tensões mais elevadas;
■ Fácil inspeção;
■ Ausência de sobretensões durante as manobras para qualquer
valor de corrente;
■ Corrente nominal, capacidade de interrupção e de fechamento
elevadas;
■ Elevada capacidade de interrupção das correntes de curto-
circuito quando utilizados em instalações no interior de painéis
na classe de média tensão.
■ Não produzem grandes surtos de manobra;
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Tipos de disjuntores a óleo
isolante
■ Disjuntores a Grande Volume de Óleo (GVO)
– Conceito: Disjuntor cujos contatos principais operam
imersos em óleo, em quantidade suficiente para
isolação entre as partes vivas e a terra.
■ Disjuntores a Pequeno Volume de Óleo (PVO)
– Conceito: Disjuntor cujos contatos principais operam
imersos em óleo, que se presta essencialmente para
extinção do arco entre as partes vivas e a terra.
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Disjuntores a óleo
■ A utilização do óleo como meio de interrupção se constitui em uma
das mais antigas formas de operação dos disjuntores.
■ A temperatura do arco sendo elevadíssima, decompõe o óleo e liberagases compostos basicamente de:
– 70% de hidrogênio (H2);
– 20% de acetileno (C2H4);
– 10% de metano e outros gases.
■ Quem predomina nesta queima é o H2; por esta razão, diz-se que o
arco se queima em uma atmosfera de hidrogênio.
■ Como este gás tem uma condutividade térmica bastante elevada, a
retirada de calor se processa de maneira eficiente, resfriando o arco;
■ Pode-se considerar, portanto, que:
– A interrupção ocorre com contribuição direta de dois elementos
inflamáveis: o óleo isolante e o hidrogênio;
– A interrupção ocorre juntamente com uma elevação de pressão;
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Disjuntores a óleo
■ Durante o processo de interrupção do arco, a pressão
dos gases atinge valores da ordem de 50 a 100
Kgf/cm²;
■ Ocorrida a interrupção, as bolhas formadas pelos gases
saem do disjuntor em direção à atmosfera após
resfriados;
■ Neste processo, é ainda produzida uma pequena
quantidade de substâncias carboníferas, que
permanecem em suspensão no óleo, reduzindo
progressivamente as suas características dielétricas.
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Fonte: History of Circuit Breaker Standards – Jeffrey H. Nelson,
P.E. – Principal Electrical Engineer - IEEE
Fonte: History of
Circuit Breaker
Standards –
Jeffrey H.
Nelson, P.E. –
Principal
Electrical
Engineer - IEEE
Disjuntor
GVO
Disjuntor
PVO
Vantagens – Disjuntores a
óleo
■ O óleo permite a isolação dos contatos abertos e após a
extinção do arco;
■ Particularmente, no disjuntor a PVO:
– Construção simples;
– Comando com pequena energia de armazenamento;
– Suporta sobretensões (p.ex.: em manobras de bancos
de capacitores);
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Desvantagens – Disjuntores
a óleo
■ Necessitam manutenção com certa frequência;
■ O óleo é inflamável e pode causar acidentes. Se o disjuntor
falhar durante a interrupção, o mesmo pode até explodir;
■ O hidrogênio formado durante o processo de extinção do arco,
quando combinado com o ar, pode formar uma mistura
explosiva;
■ Durante o arco, o óleo decomposto se torna poluído pelas
partículas carbonizadas, as quais reduzem seu poder dielétrico.
Isto requer ensaios, tratamento e, em alguns casos, a
substituição do óleo;
■ A tecnologia do PVO perdeu espaço nos últimos anos para o
vácuo e o SF6.
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Disjuntores a vácuo
■ Conceito: Disjuntor cujos contatos principais operam em um
vácuo especificado.
■ Nos disjuntores a vácuo, os íons positivos e elétrons surgem a
partir de uma nuvem de partículas metálicas em forma de
plasma proveniente da evaporação dos contatos, criando um
meio para a existência do arco.
■ Após a interrupção da corrente, estas partículas tornam a se
depositar rapidamente na superfície dos contatos, fazendo com
que a rigidez dielétrica entre os mesmos seja recuperada.
■ Esta recuperação da rigidez dielétrica se processa de forma
muito rápida nos disjuntores a vácuo, o que lhes permitem altas
capacidades de ruptura com câmaras de interrupção de
dimensões relativamente reduzidas.
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Corrente e tensão em uma fase durante a
interrupção
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Vantagens – Disjuntor a
vácuo
■ Grande segurança na operação, uma vez que não necessitam de
suprimento de gases ou líquidos (a exemplo de outras
tecnologias de interrupção) e não emitem chamas ou gases;
■ Praticamente não requerem manutenção, possuindo uma vida
útil extremamente longa em termos de número de operações a
plena carga e em curto-circuito;
■ A relação capacidade de ruptura / volume é grande, o que os
torna bastante apropriados para o uso no interior de painéis;
■ Devido a ausência de meio extintor gasoso ou líquido, permitem
religamentos automáticos múltiplos;
■ Possuem peso e dimensões reduzidas.
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Desvantagens – Disjuntor a
vácuo
■ Seu limite de tensão econômico situa-se até
a classe de distribuição;
■ Custo elevado;
■ Difícil controle do vácuo;
■ Tendência a provocar sobretensões.
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Disjuntores a ar comprimido
■ Conceito: Disjuntor cujos contatos principais
operam sob um jato de ar comprimido.
■ O princípio de extinção, em si, é bastante
simples, ou seja, consiste em se criar um
fluxo de ar sob pressão adequada na
direção do arco, descarregando-o após a
extinção para a atmosfera.
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Disjuntores a ar comprimido
■ A atuação do disjuntor é feita a partir de um
mecanismo pneumático, o qual deve
exercer simultaneamente duas funções:
– Efetuar a propulsão mecânica da abertura e
fechamento dos contatos principais;
– Efetuar a extinção do arco elétrico quando da
passagem da corrente pelo zero do ciclo.
■ Para tal, deve ser fornecido ao processo ar
à pressão e nas quantidades necessárias.
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Disjuntores a
ar
comprimido
Vantagens - Disjuntores a ar
comprimido
■ Podem ser usados em toda a gama de tensões (encontram sua
grande aplicação nas altas e exta-altas tensões, ou seja, a partir de
245kV);
■ Rapidez na operação (abertura e fechamento);
■ Excelentes propriedades extintoras e isolantes do ar comprimido;
■ Interrompem expressivos valores de correntes (da ordem de até
80kA);
■ Operação segurança, uma vez que o meio extintor não é inflamável;
■ Disponibilidade total do meio extintor (ar atmosférico);
■ Mobilidade do meio extintor, que também funciona como energia de
acionamento;
■ A capacidade de interrupção pode ser ajustada, variando-se a
pressão operativa.
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Desvantagens - Disjuntores a
ar comprimido
■ Somente são economicamente viáveis no caso da existência de
um grande número de unidades uma vez que, além da
instalação do equipamento em si, requerem ainda a instalação
de uma central de ar comprimido;
■ Alto custo do sistema de geração do ar comprimido (central de
operação);
■ A distribuição do ar comprimido desde a central até os
disjuntores requer uma instalação cuja manutenção é
dispendiosa e permanente;
■ Em locais junto ou próximos a áreas residenciais (onde
normalmente existe a limitação do nível de ruído), sua instalação
é problemática pois requer silenciadores.
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Disjuntores a gás SF6
■ Conceito: Disjuntor cujos contatos principais operam em
hexafluoreto de enxofre (SF6).
■ Nas últimas décadas, as vantagens técnicas e econômicas
dos equipamentos isolados a gás SF6 em relação ao óleo
isolante mineral e ao ar comprimido no domínio das altas
tensões tornaram-se bem claras, podendo mesmo a se
afirmar que, neste momento, o SF6 domina o mercado deste
tipo de equipamento;
■ Como meio de extinção do arco, suas boas propriedades
estão vinculadas à velocidade com a qual a condutibilidade
diminui quando a temperatura do plasma se reduz e a
rapidez em readquirir sua rigidez dielétrica;
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Disjuntores a gás SF6 - Interrupção do Arco
Disjuntores a gás SF6
■ O SF6 possui uma série de propriedades física e químicas que o torna
um meio isolante e extintor por excelência:
– Incombustível (não inflamável);
– Não-tóxico, incolore inodoro;
– Inerte até cerca de 5.000 ºC (comporta-se como um gás nobre);
– Isento de umidade por toda vida útil do equipamento (por
garantia, incorpora filtros desumidificadores);
– Peso específico de 6,14 g/l;
– 5 vezes mais pesado em relação ao ar atmosférico;
– Calor específico 3,7 (permite dissipar rapidamente o calor
produzido pelo arco elétrico);
– Rigidez dielétrica à pressão atmosférica cerca de 2,5 vezes a do
ar.
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Disjuntores a gás SF6
■ Vídeos
– GL 312 efeito sopro
– GL 312 efeito térmico
– GL 312 movimento do gás
– valcbtemp
Disjuntores SF6
1 – Câmara de interrupção
4 – Resistor de fechamento
2 - Biela isolante
3 – Mecanismo de operação
5 – Capacitor de equalização
6 – Cárter em T
Parte fixa
Contato principal
Contato de arco
Bocal de
sopro
Mola de abertura no polo
(somente no 72,5 e145 kV)
Biela isolante
Cilindro de sopro
Flange
intermediária
Chassis
Parte móvel
Cárter
Vantagens – Disjuntores SF6
■ Vida elétrica elevada;
■ Fácil inspeção;
■ Menores sobretensões durante as manobras para qualquer valor de
corrente;
■ Corrente nominal, capacidade de interrupção e capacidade de
fechamento elevadas;
■ Podem ser utilizados em instalações no interior de painéis na média
tensão ou para uso externo;
■ Não produz substâncias carboníferas;
■ Consumo de gás é relativamente pequeno;
■ Tensões nominais elevadas;
■ Custo médio;
■ Bom comportamento frente às sobretensões.
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Desvantagens – Disjuntores
SF6
■ No caso de vazamento, faz-se necessário
o uso de proteção (sensores de gás),
uma vez que o gás é inodoro e invisível;
■ Custo de manutenção elevado (peças
sobressalentes);
■ Necessita de mão de obra especializada
para substituição / monitoramento do
gás.
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Parte fixa da câmara de
interrupção
Alívio de
pressão
Contato
de arco
Contatos
principais
Parte móvel da câmara de interrupção
Bocal de
sopro
Contato
tulipa
Disjuntores AT – 24/10/2013
GL314x - Disjuntor 245 kV
Cárter
Parte móvel
Parte fixa
Câmara de interrupção - Simulação do
fechamento
1º Estágio: Bocal se desloca na direção
do contato de arco
Câmara de interrupção - Simulação do fechamento
2º Estágio: Contato tulipa da parte
móvel toca no contato de arco e
desloca-se até o fim do curso.
3º Estágio: A superfície externa da parte
móvel toca nos contatos principais e
desloca-se até o fim do curso.
Mecanismos de operação
dos disjuntores em geral
■ Mecanismo de operação por mola
■ Mecanismo de operação pneumático
■ Mecanismo de operação hidráulico
■ Acionamento monopolar ou tripolar
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Mecanismos de operação
dos disjuntores - Mola
■ Para as operações de abertura e
fechamento dos disjuntores, a tecnologia
mais utilizada é a das molas pré-
carregadas;
■ Utilizam-se dois conjunto de molas
instaladas na caixa do mecanismo de
operação, sendo um para a abertura do
disjuntor e outro para o fechamento;
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Mecanismo
de
operação
Mecanismos de operação -
Mola
■ As molas operam armazenando uma
energia mecânica quando na sua posição
“estendida” ou “comprimida”, o que é
conseguido usualmente através de um
motor elétrico específico, também instalado
na caixa do mecanismo ou pelo
carregamento manual, utilizando-se uma
manivela;
Fonte: Equipamentos do
Sistema elétrico de potência
CEFET-MG
Professor:José Eustáquio Venuto Borel
Resistores de Abertura –
Conceito
■ Apesar do bom desempenho dos disjuntores a ar
comprimido na interrupção de correntes de curto-
circuito, certas manobras de abertura em condições de
carga eram difíceis para eles. Sua capacidade de
interrupção — apropriada para as altas correntes — era
insatisfatória, algumas vezes, diante de correntes
menores que a nominal.
■ Para corrigir essa deficiência, foi concebida a técnica de
inserção temporária de resistores em serie com os
circuitos associados, no processo de abertura dos
disjuntores.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Resistores de Abertura –
Aplicações
■ As formas de utilização mais frequentes desses acessórios foram as
seguintes:
– Resistores de abertura para equalização de tensões entre as
câmaras do disjuntor
– Resistores de abertura para redução de sobretensões durante a
abertura de pequenas correntes indutivas
– Resistores de abertura para a redução da taxa de crescimento e
pico da TRT em faltas terminais e quilométricas
– Resistores de abertura para redução da tensão de
restabelecimento na abertura de correntes capacitivas
■ As técnicas de interrupção resumidas acima foram sendo
progressivamente substituídas pelas técnicas de interrupção a vácuo e
a SF6, que não possuem algumas das desvantagens associadas as
tecnologias a óleo e a ar comprimido.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Resistores de Fechamento
■ Diferentemente dos resistores de abertura, que
eram empregados, sobretudo, para atenuar as
solicitações impostas aos próprios disjuntores no
processo de abertura, os resistores de fechamento
(resistores de pré-inserção) têm como função
atenuar solicitações transitórias e sustentadas
aplicadas ao sistema em decorrência da súbita
inserção na rede de linhas, transformadores,
bancos de capacitores e outros componentes
durante a manobra de fechamento dos disjuntores.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Resistores de Fechamento
■ Os resistores de fechamento são instalados em
paralelo com as câmaras dos disjuntores (um
resistor para cada câmara).
■ Cada resistor e instalado no interior de uma
câmara auxiliar, em que a interrupção do arco
formado entre os contatos e feita por processo
semelhante ao usado nas câmaras principais.
■ Existem fabricantes que possuem versões de
resistores de pré-inserção encapsulados
juntamente com a câmara de interrupção.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Resistor de abertura ou
fechamento
■ A figura mostra a associação de um resistor de
abertura ou fechamento aos contatos da câmara
principal.
– Fecham-se os contatos da câmara auxiliar.
– Fecham-se os contatos da câmara principal.
– Abrem-se os contatos da câmara auxiliar.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Resistores de Fechamento
■ Os resistores de fechamento podem ser
usados para as seguintes funções:
– Chaveamento de Linhas de Transmissão
Longas
– Chaveamento de Bancos de Capacitores
– Chaveamento de Transformadores
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Dispositivos para Equalização de
Tensões
(Capacitores de equalização)
■ Sendo os disjuntores de extra-alta tensão constituídos
pela associação de duas ou mais câmaras de
interrupção, torna-se necessário garantir uma
distribuição uniforme da tensão total entre as diversas
câmaras.
■ Num disjuntor composto de quatro câmaras, até 60%
(ao invés de 25%) da tensão através de um
determinado pólo, poderia surgir através de uma única
câmara. Uma melhor distribuição de tensões é obtida
pelo acréscimo de capacitores de equalização (voltage
grading capacitors) em paralelo com os contatos, de
forma a minimizar o efeito das capacitâncias para terra.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Distribuição de tensões entre contatos deum
disjuntor de 4 câmaras
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Manobra controlada de
disjuntores
■ Estes dispositivos são equipamentos eletrônicos –
instalados normalmente na sala de controle – e
têm como função controlar o instante de abertura
ou fechamento de cada pólo do disjuntor, evitando
assim certos fenômenos indesejáveis, como
reignições, sobretensões ou o surgimento de
correntes de inrush elevadas.
■ É pré-requisito do disjuntor, para utilizar a manobra
controlada, possuir comando unipolar, ou seja, um
mecanismo de acionamento por fase.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Manobra controlada de
disjuntores
■ O dispositivo de manobra controlada e
instalado em paralelo com o circuito de
abertura e/ou fechamento, e é destinado a
manobra voluntaria do equipamento.
■ Os comandos acionados pela proteção do
sistema e pela proteção interna ao disjuntor
permanecem inalterados, de forma a
prevalecerem sobre a manobra controlada.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Manobra controlada
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Disjuntores – normas IEC
■ As normas mais importantes para a especificação de disjuntores
são as emitidas pela IEC da serie 62271, indicadas abaixo:
– IEC 62271-1 - High voltage switchgear and controlgear - Part
1: Common specifications
– IEC 62271-100 - High voltage switchgear and controlgear -
Part 100: Alternating current circuit breakers
– IEC 62271-109 - High voltage switchgear and controlgear -
Part 109: Alternating current series capacitor bypass switches
– IEC 62271-110 - High voltage switchgear and controlgear -
Part 110: Inductive load switching
– IEC/TR 62271-302 - High voltage switchgear and controlgear
Part 302: Alternating current circuit breakers with intentionally
non simultaneous pole operation
Disjuntores – normas ABNT
■ As normas ABNT em vigor estão caminhando para uma
tradução das normas IEC, onde a nova denominação e NBR
IEC. Em alguns casos são incluídas necessidades brasileiras,
completando assim a norma.
■ No que diz respeito aos disjuntores, a norma mais importante
desse grupo, por ser uma tradução idêntica da edição 1.0 da
Norma IEC 62271-100:
– NBR IEC 62271-100:2006 - Equipamentos de alta-
tensão. Parte 100: Disjuntores de alta tensão de
corrente alternada.
Ensaios
■ Os ensaios de importância comercial
realizados sobre disjuntores podem ser
classificados como de tipo, de rotina ou de
protótipo, quanto à abrangência da
amostragem adotada, e de laboratório ou
de campo, quanto ao local de realização
dos testes.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Ensaios rotina –
normalizados
■ Ensaio dielétrico no circuito principal.
■ Ensaios nos circuitos auxiliar e de controle.
■ Ensaio de medição da resistência do circuito
principal.
■ Ensaio de estanqueidade.
■ Verificações de projeto e visual.
■ Ensaios de operação mecânica.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Ensaios de tipo - normalizados
■ Ensaios dielétricos:
– Ensaios de tensão a frequência industrial.
– Ensaios de tensão de impulso de manobra.
– Aplicação com tensão de impulso atmosférico.
– Ensaios de poluição artificial.
– Ensaios de descargas parciais.
– Ensaios de circuitos auxiliares e de controle.
– Ensaio de tensão como condição de verificação.
■ Ensaio de tensão de radiointerferência.
■ Medição da resistência dos circuitos.
■ Ensaios de elevação de temperatura.
■ Ensaios de corrente suportável de curta duração e valor de crista da corrente suportável.
■ Verificação da proteção.
■ Ensaios de estanqueidade.
■ Ensaios de compatibilidade eletromagnética.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Ensaios de tipo -
normalizados
■ Ensaios de elevação de temperatura.
■ Ensaios de suportabilidade a corrente de curta duração e
respectivo valor de crista.
■ Ensaios de interrupção.
■ Ensaio de abertura de transformador em vazio.
■ Ensaio de abertura de correntes de falta com zeros atrasados
(para determinação das características dos arcos elétricos, a
serem consideradas nas simulações).
■ Ensaios de operação mecânica na temperatura ambiente.
Fonte: Livro Equipamentos de Alta Tensão
Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
Ensaios de tipo
■ Os requisitos de estabelecimento e interrupção trifásicos devem ser
verificados preferencialmente em circuitos trifásicos.
■ Se os ensaios forem realizados em laboratório, a tensão aplicada, a
corrente, a tensão de restabelecimento transitória e a freqüência
industrial podem ser obtidas de uma fonte de alimentação única
(ensaios diretos), ou de diferentes fontes de alimentação onde toda
corrente, ou uma maior parte dela, é obtida de uma fonte, e a
tensão de restabelecimento transitória é obtida totalmente ou em
parte de uma ou mais fontes separadas (ensaios sintéticos).
■ Se, devido a limitações do laboratório, o desempenho do disjuntor
quanto a curto-circuito não puder ser provado como descrito
anteriormente, diversos métodos empregando ensaio direto ou
sintético podem ser usados de forma isolada ou em combinação,
dependendo do tipo do disjuntor:
– ensaio monofásico;
– ensaio em câmaras separadas;
– ensaio em diferentes etapas.
ABNT 62271-100
Vídeos
■ MOV00609
■ CIMG0411
■ Ensaio de impulso atmosférico – 2
■ Mecanismo do disjuntor após 10.000 op
■ Neve caindo sobre o disjuntor em teste - 3
Referências
■ Equipamentos de Alta Tensão Prospecção e Hierarquização
de Inovações Tecnológicas
■ Livro Disjuntores e Chaves – Aplicação em Sistemas de
Potência – Livro Furnas - 1995
■ Equipamentos do Sistema elétrico de potência CEFET-MG -
Professor: José Eustáquio Venuto Borel
■ IEC 62271-100 - High voltage switchgear and controlgear -
Part 100: Alternating current circuit breakers
■ Apresentação Areva - Disjuntores