Disjuntores - Engenharia Eletrica

LACTEC
Instituto de Tecnologia
para o
Desenvolvimento
Disjuntores
16/11/2000
21/08/2001
o
Eng Ricardo Luiz Araújo
O que é um disjuntor?
É um mecanismo destinado a interromper
correntes elétricas de forma eficaz:
•no menor tempo possível;
•causando pouco distúrbio no sistema;
•com segurança pessoal e patrimonial;
•com confiabilidade operacional.
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Processo de interrupção da corrente Elétrica.
O processo de interrupção de uma corrente
normalmente resulta na formação de um
arco elétrico entre os contatos recém separados !!!
O fenômeno do arco elétrico libera rapidamente uma
grande quantidade de energia, e é este o maior desafio
existente durante a interrupção de uma corrente elétrica
através de um disjuntor !!!
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A formação do arco durante a interrupção de uma corrente
a) Circuito fechado, circulação normal
de corrente. A pressão entre os eletrodos
reduz acentuadamente a resistência de
contato.
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A formação do arco durante a interrupção de uma corrente
b) A pressão entre os eletrodos diminui, a corrente
passa a circular por rugosidades das superfícies dos
contatos;
Como a área de contato agora é diminuta, nos pontos
de interligação entre os eletrodos há um forte aquecimento
por efeito Joule.
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A formação do arco durante a interrupção de uma corrente
c) A alta temperatura existente no momento pré-separação, faz com que se inicie um
processo de termoemissão de elétrons, que irá dar início à ionização do meio dielétrico.
No momento pós separação, o campo elétrico aumenta consideravelmente, acelerando
ainda mais os elétrons liberados por termoemissão.
Os elétrons acelerados irão colidir com os átomos e moléculas do dielétrico, ionizando
este meio através de choques de partículas.
Com o meio ionizado, está formado o caminho de condução da corrente do arco. Esta
corrente é constituída de elétrons que saem do cátodo com direção ao ânodo.
Nota - a ionização por choque é a separação do átomo em íons e elétrons resultando em
um meio ionizado também conhecido como plasma.
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A formação do arco durante a interrupção de uma corrente
d) Com a crescente separação dos eletrodos, e por um processo de
convenção térmica, o arco se alonga, esfria, as colisões entre
partículas diminuem e o arco termina por se extinguir (figura e).
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Características do arco
Tensão e corrente no arco
Um arco irá existir enquanto houver o equilíbrio térmico entre a
energia fornecida ao arco e a energia liberada para o meio
Formas de extinguir um arco:
•retirada de calor da região do arco;
•substituição do meio ionizado por dielétrico não ionizado;
•sopro magnético.
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Características do meio de extinção
Para que haja a desionização do meio e a conseqüente extinção do
arco, o interior de uma câmara deve conter principalmente as seguintes
características:
1 - Boa condutividade térmica para a retirada de calor da região do arco.
2 - Pressão adequada do meio, que resultará em alta densidade de dielétrico, sendo este
um fator inibidor da existência de ionização
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Detalhes construtivos
Um disjuntor é constituído basicamente por:
- Unidade de controle, comando e supervisão;
- Sistema de acionamento ou mecanismo de operação;
- Unidades Interruptoras.
O disjuntor é um dos componentes mais caros e críticos de um sistema elétrico,
devendo possuir alta confiabilidade operacional aliada a custos reduzidos de aquisição,
reposição de peças e manutenção.
Deve haver garantia de qualidade da produção, desde o momento da aquisição de matéria
prima, indo-se até os passos de construção, montagem de sistemas, transporte, instalação e
start-up.
Existe uma infinidade de aspectos construtivos que variam de
fabricante para fabricante, sendo estes por vezes grandes segredos
industriais.
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Unidades de controle, comando e supervisão
É um componente dedicado a cada tipo de disjuntor, sedo construído com técnicas e
sistemas que variam de acordo com cada fabricante.
Normalmente é constituído por um painel instalado ao tempo, sendo geralmente abrigado
junto com o sistema de acionamento.
Possui funções de monitoramento das funções do disjuntor, controle da operação,
comunicação remota e etc
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Unidade de Acionamento
É o mecanismo responsável pela ação de movimento dos contatos do disjuntor, deve ser
robusto e confiável.
Deve prover ao disjuntor o armazenamento de energia, responsável pela abertura dos
contatos do mesmo.
Acionamento por solenóide:
É baseado no fechamento do disjuntor
através do movimento de um braço fixado
ao núcleo móvel de uma bobina.
É pouco utilizado devido à pouca energia
capaz de prover ao sistema de abertura
de contatos do disjuntor.
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Unidade de Acionamento
Acionamento a mola:
É um mecanismo em que a energia tanto para o fechamento quanto para a abertura dos
contatos é proveniente de um motor ou um mecanismo manual de carga.
É um mecanismo simples, não necessitando de supervisão, o que o torna ideal para
médias tensões.
Não possibilita a verificação prévia de falhas de operação,o que o torna pouco confiável.
Apresenta um elevado nível de ruído durante a operação.
Utilizado em disjuntores com no máximo 145 kV de tensão nominal.
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Unidade de Acionamento
Acionamento a mola:
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Unidade de Acionamento
Acionamento a Ar Comprimido:
Acionamento muito utilizado em alta e extra-alta tensão, principalmente em disjuntores que
empregam como meio extintor de arco o ar comprimido. Porém também é largamente
utilizado em disjuntores a óleo e SF6
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Unidade de Acionamento
Acionamento a Ar Comprimido:
Disjuntor a SF6, 145 kV,
acionado por ar
comprimido
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Unidade de Acionamento
Acionamento Hidráulico:
Acionamento muito utilizado em extra-alta tensão, principalmente em disjuntores que
empregam como meio extintor de arco SF6, e que possuem requisitos especiais de
funcionamento, como duplo ciclo e inserção de resistência de abertura e fechamento de
contatos.
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Câmaras de Extinção
É um conjunto de componentes responsável pela extinção do arco,como o próprio nome
indica.
Pode conter diferentes meios construtivos e dielétricos de extinção e isolamento.
São compostos por um conjunto de peças fixas e de peças móveis movimentadas pelo
mecanismo de acionamento.
É a parte mais complexa de um disjuntor
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Disjuntor a sopro magnético
Neste tipo de disjuntor, o arco é forçado para dentro de câmaras de extinção, que são
formadas de placas de material refratário, isolante especial ou ainda uma combinação dos
dois.
A arco é impelido na direção da câmara de extinção através de efeitos térmicos e
magnéticos ou ainda por um sopro pneumático auxiliar.
O sopro magnético é realizado por uma bobina energizada pela própria corrente que forma o
arco.
Por não possuir material inflamável é seguro, podendo ser montado em painéis abrigados.
Tensões até 24 kV,
Grande ruído durante a operação.
Queima o ar durante a extinção do arco, o que oxida rapidamente os contatos, exigindo
assim manutenção freqüente
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Disjuntor a sopro magnético
Bornes
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Disjuntor a sopro magnético
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Disjuntor a Óleo
O óleo mineral foi utilizado desde o início da fabricação de
disjuntores com meio isolante e extintor.
Existem dois efeitos na interrupção do arco:
•O efeito do hidrogênio liberado durante o arco (condutividade
térmica);
•o fluxo líquido do meio, retirando calor do arco.
O hidrogênio surge durante o arco e o fluxo líquido
se dá naturalmente e de forma forçada, através de
pistões e êmbolos
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Disjuntor a Grande Volume de Óleo
São utilizados em tensões de até 230 kV;
Possuem grande capacidade de interrupção de correntes de curto
circuito;
São tecnicamente ultrapassados, mesmo assim devido a custos
competitivos ainda são largamente utilizados, sobretudo nos
Estados Unidos;
O óleo se decompõe, o que exige cuidado;
Não são bons para o chaveamento de bancos de capacitores e
linhas a vazio.
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Disjuntor a Grande Volume de Óleo
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Disjuntor a Grande Volume de Óleo
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Disjuntor a Pequeno Volume de Óleo
Axial
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Disjuntor a Pequeno Volume de Óleo
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Disjuntor a Pequeno Volume de Óleo
São utilizados para até 63 kA em médias tensões;
Para 138 kV possuem capacidade máxima de 20 kA;
Para evitar reacendimento, com linhas a vazio e bancos de
capacitores, a tensão é limitada a 65 kV por câmara.
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Disjuntor a Vácuo
O disjuntor a vácuo representa a princípio um paradoxo, como pode o arco se formar sem um
caminho de partículas !!!!
Na verdade este caminho de partículas que liberam íons positivos e elétrons é formado no
memento da separação dos contatos, quando as superfícies destes se aquecem, evaporando e
formando uma nuvem metálica que vai servir de meio de propagação do arco.
A recuperação do dielétrico é rápida,o que permite altas capacidades de ruptura e pequeno
período entre operações sucessivas.
O arco pode difuso e contraído em função da corrente a ser interrompida.
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Disjuntor a Vácuo
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Disjuntor a Vácuo
Características e aplicações:
- Grande tendência mundial;
- Segurança de operação pois não necessitam de suprimento de gases ou líquidos que
possam entrar em combustão;
- Praticamente não requer manutenção, possuindo vida extremamente longa para manobras a
plena carga e curto;
- Requer pouca energia mecânica;
- Operação silenciosa com acionamentos leves;
- A relação ruptura/volume é elevada, tornando-se apropriado para uso em cubículos;
-Requer muito cuidado na construção;
Comparado com um disjuntor PVO de 25 kA:
pode fazer 100 manobras com esta corrente enquanto o PVO realiza apenas 4.
Possui problemas de reignição.
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Disjuntor a Ar Comprimido
É um princípio de interrupção bastante antigo, porém amplamente utilizado ainda nos dias de
hoje.
O ar comprimido é utilizado com duas funções distintas, o acionamento e a extinção do arco.
Para a extinção, o ar comprimido é jateado sobre o arco no momento da interrupção, isto
repõe no meio matéria não ionizada, além de resfriar o arco.
A pressurização é é realizada através de centrais compressoras com características especiais
como filtragem retirada de umidade do ar.
É utilizado principalmente em tensões elevadas, sobretudo 230 kV.
Gera uma grande quantidade de ruído o que o torna impraticável em instalações urbanas. A
central geradora de ar comprimido é muito cara, bem como a distribuição de condutores de ar
no pátio da SE.
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Disjuntor a Ar Comprimido
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Disjuntor a Ar Comprimido
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Disjuntor a SF6
O SF6 é gás inerte, incombustível, não venenoso, incolor, inodoro e devido composição
molecular simétrica é altamente estável, o que o torna estável e inerte até aproximadamente
500 graus celsius (comporta-se como um gás nobre).
É pesado, o que requer cuidado com o manuseio de grandes volumes que podem se
depositar em poços ou trincheiras, podendo gerar mortes por asfixia.
O gás se decompõe no momento do arco em S e6F,o que é revertido quando a temperatura
diminui. A reação inversa não é totalmente executada devido a combinação com metais
vaporizados.
Pode existir a formação de fluoretos de cobre ou tungstênio, e compostos secundários de
enxofre, não condutores.
Quando existe a presença de umidade no interior da câmara, existe a formação de ácido
fluorídrico altamente corrosivo a materiais e também tóxico.
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Disjuntor a SF6
São utilizados principalmente em altas e extra-altas tensões.
Para o chaveamento de altas tensões com linhas a vazio,
precisam de resistores de pré inserção.
Possuem simplicidade de construção e operação.
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Disjuntor a SF6
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Disjuntor a SF6
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Transitórios
O sistema elétrico é composto de diversos componentes, cada qual com suas características
físicas e elétricas e elétricas com capacitância, resistência e indutância.
Em momentos de modificação da configuração física do sistema elétrico (chaveamento de
linhas, ligação de circuitos, etc) existem um grande trânsito de energias em acomodação, o
que resulta em distúrbios comumente conhecidos como transitórios.
Os transitórios são caracterizados por oscilações de alta freqüência, com grandes valores de
pico de tensão e corrente, o que pode danificar equipamentos, instalações ou mesmo causar
acidentes.
Os transitórios são mais severos quanto maior for o tamanho e a potência do sistema
elétrico.
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Transitórios
Correntes de Curto Circuito
Um curto circuito gera grandes distúrbios em um sistema elétrico, devendo ser rapidamente extinto
pelo meio mais adequado, que é o disjuntor.
A corrente de curto caracteriza-se como sendo muito alta em determinados casos e
predominantemente indutiva.
Durante a abertura de um curto circuito, devido ao defasamento de 1200 elétricos existente entre
as fases do sistema, isto faz com que um dos pólos do disjuntor seja submetido por um curto
período de tempo a uma corrente maior que a própria corrente de curto, isto se deve ao grau de
assimetria existente neste momento neste sistema.
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Transitórios
Efeitos das Correntes de Curto Circuito no Disjuntor
Efeitos dinâmicos de forças mecânicas que variam em função da corrente;
Efeitos térmicos que variam com o quadrado da corrente;
Efeitos locais do arco em função da magnitude e duração da corrente.
Os efeitos citados acima podem danificar o disjuntor por efeitos térmicos como
por exemplo a soldagem dos contatos e o empenamento de peças móveis.
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Transitórios
Efeitos Dielétricos das Correntes Interrompidas no Disjuntor
São efeitos que ocorrem no instante após a interrupção da corrente nos contatos do
disjuntor. O principal fenômeno é a Tensão de Restabelecimento Transitório - TRT (TRV
Transient Recovery Voltage).
É caracterizado por uma grande sobre-tensão aplicada aos terminais do disjuntor.
Como o disjuntor ainda está com seus contatos aquecidos e o gap ainda apresenta uma
condutividade residual após alguns micro-segundos de sua operação, a alta tensão TRV
pode vir a romper novamente o dielétrico por mais meio ciclo, com toda a intensidade da
corrente de curto.
Ondas viajantes podem causar ainda mais reacendimentos !!!!!
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Transitórios
TRV
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Transitórios
TRV
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Transitórios
Abertura de bancos de capacitores
Abertura de circuitos magnéticos
Pequenas correntes indutivas
Geram cortes prematuros da corrente, o que pode resultar em transitórios de
alta freqüência !!!
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Especificação
Norma NBR 7118
Características nominais:
- Tensão Nominal;
- Freqüência Nominal;
- Corrente Nominal;
- Nível de Isolamento Nominal;
- Capacidade de Interrupção Nominal em Curto Circuito;
- Tempo de Interrupção Nominal;
- Tensão de Restabelecimento;
- Capacidade de Estabelecimento Nominal em Curto Circuito;
- Corrente Suportável Nominal de Curta Duração;
- Requisitos de Religamento Rápido;
- TRV;
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Ensaios de Rotina
Norma NBR 7118
Ensaios de rotina, não destrutíveis efetuados durante o recebimento:
- Ensaio de tensão suportável à freqüência industrial a seco no circuito
principal;
- Ensaio de tensão suportável à freqüência industrial nos circuitos de comando;
- Medição de resistência ôhmica no circuito principal;
- Ensaio de Funcionamento Mecânico;
- Verificação do funcionamento mecânico;
- Verificações gerais: pintura, placas de identificação, dimensões, etc.
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“The end”
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