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Este trabalho apresenta os princípios de funcionamento, as principais partes integrantes, os ensaios de tipo e de rotina de disjuntores de potência, além de normas regulamentadoras e um experimento de laboratório. São abordados fenômenos como arco elétrico e tensão de restabelecimento transitório, e são explicadas as capacidades de extinção de arco do ar e do óleo mineral. Também são apresentados os diferentes tipos de disjuntores, como disjuntores a ar comprimido, a sf6, a grande volume de óleo (gvo) e a pequeno volume de óleo (pvo).
O que você vai aprender
Tipologia: Exercícios
Compartilhado em 07/11/2022
4.4
(172)415 documentos
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Trabalho de conclusão de curso apresentado ao Departamento de Engenharia Elétrica da Universidade Federal de Campina Grande, como parte dos requisitos necessários para obtenção da graduação em Engenharia Elétrica.
Resumo Nesse trabalho serão apresentados os princípios de funcionamento, as principais partes integrantes, os ensaios de tipo e de rotina de disjuntores de potência. Estes equipamentos são utilizados em sistemas elétricos, nos mais diversos níveis de tensão. Fenômenos como arco elétrico e tensão de restabelecimento transitório, diretamente relacionados aos disjuntores, serão citados e explicados no decorrer do trabalho. Palavras chave: disjuntor, ensaio, arco elétrico, tensão de restabelecimento transitório. 4
Lista de Tabelas Tabela 1: Relação das variáveis para uma sobrecarga de curta duração, com n=1,8 24 Tabela 2: Relação das variáveis para uma sobrecarga de curta duração, com n=2 25 8
Capítulo 2 – Conceitos e desenvolvimento histórico Os disjuntores são equipamentos responsáveis pela manobra, interrompendo a corrente elétrica e/ou proteção do sistema no qual está inserido. O desenvolvimento dos disjuntores ocorreu devido à complexidade dos sistemas, por esse motivo, existe uma grande variedade desses equipamentos.
Em 1886 foi fabricado o primeiro disjuntor a óleo para operar a 15 kV. Em 1909 foi feito o primeiro protótipo do disjuntor a pequeno volume de óleo. Em 1920 foram iniciados estudos de outros meios de interrupção tais como: ar comprimido, água, vácuo, entre outros. Em 1935 foram iniciados estudos sobre a tensão de restabelecimento transitório. Em 1939 foi introduzida a teoria do arco elétrico. Em 1945 foram feitos progressos na questão de chaveamento de linhas de transmissão. Em 1960 foram desenvolvidos os testes sintéticos e introduzidos os disjuntores a hexafluoreto de enxofre (SF 6 ). Em 1963 foram introduzidos os disjuntores de 750 kV podendo interromper correntes de até 750 kA. Em 1970 foram inseridos os disjuntores de geradores para interrupção de correntes até 250 kA. Capítulo 3 – Funcionamento básico e principais componentes de um disjuntor Os disjuntores são equipamentos que tem como principal função interromper correntes elétricas, independente da situação que as proporcionou. É um equipamento operado com o auxílio de relés ajustados de acordo com as grandezas elétricas típicas do sistema. Os principais componentes de um disjuntor são: ∑ A câmara de extinção do arco elétrico, que pode ter vários formatos. O meio no qual será feita a extinção também varia, como, por exemplo, o vácuo, hexafluoreto de enxofre (SF 6 ), óleos ou ar. A finalidade da câmara de extinção, como o próprio nome sugere, é de extinguir o arco elétrico produzido no momento em que é feita a abertura dos contatos do disjuntor. ∑ Os contatos do disjuntor são peças localizadas na câmara de expansão responsáveis pela abertura e fechamento elétrico do equipamento. Em geral existe um contato móvel e um fixo. ∑ Os mecanismos de acionamento, que são capazes de acionar os contatos, estão diretamente ligados aos relés. Os relés recebem as informações dos sistemas e informam ao mecanismo de acionamento, que pode ser baseado em molas, óleo ou ar. ∑ Os conectores, que podem ser do tipo chapa-cabo, de aperto, fazem a conexão dos disjuntores a outros equipamentos. ∑ Os componentes auxiliares são utilizados para aumentar o grau de proteção e confiabilidade do sistema, a saber: impedâncias indutivas em série ao disjuntor para limitar a corrente e a freqüência de energização transitória de bancos de capacitores em paralelo; capacitor em paralelo ao contato principal do equipamento para aumentar a capacidade de interrupção no caso de falta na linha; resistores de fechamento ou abertura para limitar as sobretensões de manobra. Esses são os componentes básicos do disjuntor, alguns mais específicos serão citados e explicados a posteriori. Capítulo 4 – Tipos de disjuntores Os disjuntores são classificados de baixa tensão quando operam em um sistema com tensão abaixo de 1000 V, de média tensão quando a mesma varia entre 1 kV e 36 kV, e de alta
Figura 1: Disjuntor a sopro magnético (FEUP, 2009). 4.2. Disjuntores a grande volume de óleo Disjuntores a grande volume de óleo (GVO) empregam o óleo mineral, elemento que apresenta uma grande capacidade de ruptura do arco elétrico. Os disjuntores a óleo são utilizados em média e alta tensão, até 230 kV. A extinção do arco em óleo mineral pode acontecer de duas formas: pelo efeito do hidrogênio ou pelo efeito do fluxo líquido. Em altas temperaturas o óleo libera gases, principalmente o hidrogênio, que é um bom condutor térmico, proporcionando assim a retirada de calor das vizinhanças do arco, resfriando-o. No efeito do fluxo líquido, o óleo é jogado contra o arco elétrico com o intuito de liberar gases, retirando calor das vizinhanças e resfriando-o. Nos disjuntores GVO, apenas a extinção por efeito do hidrogênio toma lugar. Os disjuntores a grande volume de óleo foram pioneiros. Eram constituídos por apenas um recipiente contendo os contatos envolvidos no óleo onde a formação e eliminação dos arcos acontecia, não existindo a câmara de extinção. A principal vantagem dos disjuntores GVO é a alta capacidade de interromper correntes de curto-circuito, e as principais desvantagens são: a necessidade de realizar manutenção com uma grande freqüência para filtragem do óleo; a possibilidade de incêndio e o grande volume de óleo a ser utilizado. Na figura 2 pode-se verificar um exemplar do disjuntor GVO. Figura 2: Disjuntor GVO (FEUP, 2009).. 4.3. Disjuntores a pequeno volume de óleo Disjuntores a pequeno volume de óleo (PVO) surgiram com o intuito de substituir os GVO. Os disjuntores PVO utilizam o efeito de fluxo líquido para eliminar o arco elétrico, sendo empregados em baixa, média e alta tensão até 138 kV, com a condição da corrente de interrupção ser inferior a 20 kA. Como as correntes de interrupção variam entre 31,5 kA, 40 kA e 50 kA, devem-se utilizar várias câmaras em série com uso de capacitores de equalização, aumentando assim a complexidade do equipamento. As principais vantagens dos PVO são a redução no dimensionamento do equipamento e o aperfeiçoamento das características elétricas e de desempenho em relação ao GVO. A manutenção é simples, prática e é confiável. Todavia, eles não são aplicáveis em extra alta tensão, pois nestes casos requerem-se muitos pontos de corte por pólo, elevando a complexidade e reduzindo-se a confiabilidade do disjuntor. Na figura 3 pode-se verificar um exemplar do disjuntor PVO.
Figura 3: Disjuntor PVO (SOLOSTOCKS, 2009). 4.4. Disjuntores a vácuo Disjuntores a vácuo são aplicados principalmente em média tensão. O processo de extinção do arco ocorre devido à formação de uma nuvem metálica que é originada pela evaporação do metal que compõe os contatos. Após a interrupção do arco, esse material é depositado nos contatos, e a rigidez dielétrica entre eles é recomposta. Esse tipo de disjuntor apresenta várias vantagens tais com: um curto tempo do arco, a capacidade de executar religamentos rápidos, não apresenta gases ou elementos inflamáveis, os contatos não sofrerem desgastes significativos, possuem uma elevada vida útil. Todavia, disjuntores a vácuo apresentam a desvantagem da complexidade construtiva, além de não ser trivial a manutenção do vácuo na câmara de extinção. Neste tipo de disjuntor podem-se associar várias câmaras de extinção para aumentar a capacidade de interrupção. Na figura 4 pode-se verificar um exemplar do disjuntor a vácuo. Figura 4: Disjuntor a vácuo até 36 kV (SOLOSTOCKS, 2009). 4.5. Disjuntores a ar comprimido Disjuntores a ar comprimido são utilizados em todas as faixas de tensão, mas principalmente na alta e extra alta tensão. A extinção do arco elétrico é feita pela liberação do
muito pequeno para altas correntes de curto-circuito, utilizando apenas dois ciclos na freqüência industrial para realizarem a extinção. Portanto tem-se que os disjuntores a SF 6 apresentam excelentes capacidade de interrupção de correntes de curto-circuito, não são tóxicos e inflamáveis. Em contrapartida, seu custo pode ser proibitivo, principalmente de média tensão (69 kV). Na figura 6 pode-se verificar um exemplar do disjuntor a SF 6. Figura 6: Disjuntor a SF 6 (Alibaba.com, 2009). 4.7. Disjuntores semicondutores Disjuntores a semicondutores são propostas para o futuro, pois atualmente não existem tais equipamentos em uso nas subestações. Teoricamente, a interrupção de correntes por disjuntores a semicondutores apresenta características quase ideais. Materiais semicondutores podem variar drasticamente a resistência, quando ocorre a passagem da corrente por zero. Outra vantagem é que a energia requerida para a interrupção é quase nula, em contrapartida eles não suportam sobrecargas elevadas e atualmente seriam economicamente inviáveis. Os principais fatores favoráveis a utilização futura desses equipamentos são: obtenção de condições ideais de manobra, sem provocar sobretensões, a desnecessidade de manutenção dos contatos e da parte mecânica.
Capítulo 5 – Aspectos burocráticos referentes aos disjuntores 5.1. Especificações técnicas Todo equipamento deve passar por uma especificação técnica, ou seja, quando existe a necessidade de utilização do disjuntor em um determinado sistema, um documento descrevendo-o deve ser obtido e verificado para obter uma aprovação da utilização do mesmo. Este documento contém todas as características de projeto, de ensaio e de aplicação, sendo denominado especificação técnica. Em algumas situações são inseridos na especificação técnica dados comerciais tais como: termo de garantia, prazo de entrega, montagem, comissionamento, entre outros. 5.2. Ensaios Os ensaios nos disjuntores estão divididos em duas subclasses: ensaios de tipo e ensaios de rotina. Os ensaios de tipo são realizados para verificar as características dos disjuntores, dos seus dispositivos de manobra e de seus equipamentos auxiliares. Nestes ensaios os disjuntores são submetidos a elevados esforços térmicos e elétricos, diminuindo assim a sua vida útil. Por isso, geralmente ensaios de tipo são realizados por amostragem. Após os ensaios deve ser preparado um relatório no qual constam as devidas informações coletadas, resultados e conclusões. Podem-se citar como ensaios de tipo para disjuntores os seguintes procedimentos: ∑ Ensaio mecânico e climático: todos os elementos do disjuntor são ensaiados separadamente. Eles são submetidos a esforços mecânicos e térmicos e devem suportá-los para que sejam aprovados. Os esforços aos quais os componentes são submetidos são os mesmos que o equipamento deve ser capaz de suportar. Após esse processo devem-se ser listados os seguintes pontos: tempo de fechamento e abertura, simultaneidade de operação dos contatos da câmara de extinção, consumo do circuito de comando e dos dispositivos de disparo, entre outros. O equipamento deve manter as suas condições de funcionamento normais. Os disjuntores são submetidos a diversas condições climáticas tais como: temperatura e umidade variáveis. ∑ Ensaio de medição de resistência ôhmica do circuito principal: devem ser medidas as resistências dos pólos dos disjuntores na temperatura ambiente e novamente na mesma temperatura após o mesmo ter passado pelo ensaio a altas temperaturas. Diferença não deve ser superior a 20%. Os dados, corrente, temperatura ambiente, entre outros, devem estar presentes no relatório.
Capítulo 6 – Uma introdução à Tensão de restabelecimento transitório A tensão de restabelecimento transitório (TRT) é a tensão estabelecida entre os contatos do disjuntor após a abertura dos mesmos. O cálculo da TRT, geralmente, é realizado baseado num disjuntor ideal, eliminando o arco elétrico, o que não acarreta na perda de confiabilidade dos cálculos. Em alguns casos, como TRT inicial em falta quilométrica o arco deve ser levado em consideração. Esse cálculo é realizado para obter o grau do esforço térmico e elétrico a que o disjuntor será submetido e verificar os aspectos da rede que definem esses esforços. Os fatores cruciais para a determinação da TRT são: a corrente de pré-abertura, responsável pela definição da recuperação da rigidez dielétrica; a taxa de crescimento da TRT, que deve ser menor que a taxa de recuperação do meio de extinção; e o valor máximo da TRT, que deve ser menor que o valor máximo de rigidez dielétrica. Para calcular-se a TRT utilizamos a representação de cada componente inserido no sistema com suas respectivas equações diferenciais. Portanto tem-se que quanto mais sofisticado o sistema e detalhado o equipamento, mais complexo será o sistema de equações, o que dificulta os cálculos. Boa parte da teoria de circuitos elétricos é envolvida nestes cálculos, envolvendo desde as equações diferenciais, transformada de Fourier e transformada Z, passando pelos conceitos de equivalente de Thevenin e Norton. A configuração dos equipamentos componentes do sistema é feita dependendo do grau de confiabilidade que será necessário. Após esse critério, leva-se em consideração o menor custo. Outro fator relevante para a escolha das configurações dos sistemas é a escala de tempo e freqüência pretendida para observação.
Capítulo 7 – Manobras críticas A manobra de cargas capacitivas é freqüentemente utilizada nos sistemas elétricos, ocorrendo quando há a energização e abertura de bancos de capacitores, linhas e cabos em vazio. O estudo desse tipo de manobra é importante, pois são geradas sobretensões e sobrecorrentes, dando-se ênfase é a suportabilidade dielétrica. Antes da abertura de um banco capacitivo, quando o disjuntor encontra-se fechado, observa-se uma variação de tensão nula, em regime permanente entre seus pólos. Porém, após a abertura, a freqüência de oscilação do circuito capacitivo é maior que a freqüência da rede. Assim, a tensão do lado da carga permanece com o valor do instante da interrupção enquanto que a tensão do lado da fonte varia senoidalmente, como pode ser visualizado na figura 7. Figura 7: Transitório da tensão do lado da fonte (CARVALHO et al, 1995). Na energização de um banco capacitivo, ocorre a aproximação mecânica dos contatos do disjuntor. A corrente, inicializada com a formação do arco elétrico que ocorre antes da conexão dos contatos, apresenta um comportamento transitório com elevada amplitude, denominada de corrente de inrush. Na figura 8 podemos observar o comportamento da corrente na energização do banco de capacitor. Figura 8: Corrente de energização do banco capacitivo (CARVALHO et al, 1995).
