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Principais tipos de Disjuntores
Disjuntores a sopro magnético
Principio da extinção Neste tipo de disjuntor os contactos abrem-se no ar, empurrando o arco voltaico para dentro das câmaras de extinção, onde ocorre a interrupção, devido a um aumento na resistência do arco e consequentemente na sua tensão. Este aumento na resistência do arco é conseguido através de: a) Aumento do comprimento do arco; b) Fragmentação do arco em vários arcos menores, em série, nas várias fendas da câmara de excitação; c) Resfriamento do arco em contacto com as múltiplas paredes da câmara. As forças que impelem o arco para dentro das fendas da câmara são produzidas pelo campo magnético da própria corrente, passando por uma ou mais bobinas (dai o nome de sopro magnético) e, eventualmente, por um sopro pneumático auxiliar produzido pelo mecanismo de accionamento. Este sopro pneumático é muito importante no caso de interrupção de pequenas correntes, cujo campo magnético é insuficiente para impelir o arco para dentro da câmara, o que ocasionaria tempos de arco muito longos.
Detalhes construtivos Existem vários tipos de formatos de câmara de extinção para disjuntores a sopro magnético. As placas que formam a câmara podem ser de material isolante, de aço, ou ainda, de uma combinação dos dois. Em cada uma destas alternativas encontramos ainda vários tipos de configuração de câmara, específicos de cada fabricante. Os circuitos magnéticos de sopro também possuem várias configurações, sendo as principais as de tipo de núcleo externo (onde o campo magnético é produzido pela corrente a ser interrompida circulando através de bobinas) ou interno (onde o campo é produzido pelo próprio arco voltaico através de um circuito magnético formado pela própria câmara). A figura seguinte, ilustra uma câmara de extinção de um disjuntor de sopro magnético com o circuito magnético dentro da própria câmara.
O arco, entre os contactos principais, é impelido por efeitos térmicos e magnéticos na direcção da câmara, guiado pelas placas cerâmicas (1). Ao atingir as pré – câmaras de extinção (8) ele insere a bobina geradora de campo magnético no circuito (7). Com o campo produzido por esta bobina o arco é dividido em dois e impelido para dentro das paredes múltiplas (1) da câmara, resfriando-se e extinguindo-se em subsequente passagem pelo zero. Por outro lado, a figura seguinte mostra um tipo de câmara onde o início do impulso sobre o arco é dado apenas por um sopro pneumático.
O arco passa dos contactos principais (a) para os auxiliares (b) através do sopro pneumático e destes para as inserções metálicas das placas (c). Neste ponto o arco é dividido em vários arcos em série que, então, são impelidos por efeito térmico a magnético para dentro das câmaras (d) e € alongando-se, resfriando-se e se extinguindo na subsequente passagem pelo zero. Este tipo de disjuntor também pode ser provido de bobinas de campo magnético, adicionalmente ao sopro pneumático.
Características e aplicações Uma das principais características dos disjuntores a sopro magnético é a grande resistência do arco voltaico. Isto deve-se ao facto de que nestes disjuntores o arco queima no ar e é impelido a se alongar consideravelmente, aumentando a sua resistência e consequentemente a sua tensão. Esta alta resistência irá interagir com o circuito, modificando o ângulo de fase do mesmo, tornando-o mais resistivo e diminuindo o valor instantâneo da tensão de restabelecimento após a interrupção.
Pode-se dizer, portanto, que de uma maneira geral, os disjuntores a sopro magnético não produzem grandes surtos de manobra. Os disjuntores a sopro magnético são usados em média tensão até 24kV, principalmente montados em cubículos. O facto de não possuírem meio extintor inflamável como o óleo, torna-os seguros e aptos para certos tipos de aplicações específicas. O facto de queimarem o arco no ar, provoca rápida oxidação nos contactos exigindo uma manutenção mais frequente.
Disjuntores a pequeno volume de óleo (PVO) Estes disjuntores representam o desenvolvimento natural dos antigos disjuntores GVO, na medida em que se procura projectar uma câmara de extinção com fluxo forçado de óleo sobre o arco aumentando-se a eficiência do processo de interrupção da corrente e diminuindo-se drasticamente o volume de óleo no disjuntor. As figuras seguintes mostram um disjuntor PVO para média tensão e uma vista em corte da sua câmara interruptora:
A seguir é apresentada esquematicamente a sequência de extinção, na câmara de interrupção, de pequenas e grandes correntes neste tipo de disjuntor:
A figura a) mostra o disjuntor na posição “ligado”. A figura b) mostra a interrupção de pequenas correntes com o fluxo de óleo independente da corrente. Este fluxo de óleo é obtido pelo movimento descendente da haste do contacto móvel (2) durante a operação de abertura. O óleo contido na carcaça inferior é forçado para cima, através da haste oca do contacto móvel (2), agindo imediatamente sobre a base do arco, localizado na ponta do contacto móvel. Para a interrupção de correntes mais elevadas é utilizado, adicionalmente, um fluxo de óleo gerado pela própria corrente de arco, c). Assim que a base do arco, localizada imediatamente abaixo da ponta de material isolante do contrato móvel ultrapassar o furo da base da câmara (6), forma-se, no compartimento inferior da câmara de excitação (7), uma bolha de gás, que só pode expandir-se para baixo. Essa bolha comprime o óleo através do canal anelar (4) formado pelo espaçamento entre a tampa da câmara (5) e a base da câmara (6). Os gases formados no compartimento superior envolvem o contacto fixo no cabeçote do pólo. O volume de ar no interior da carcaça superior, destina-se a equalizar o aumento o aumento da pressão do óleo resultante da operação de extinção. O vapor de óleo recondensa, depositando-se sobre o óleo, e os gases escapam lentamente pelas válvulas de expansão. O fluxo de óleo que atravessa o canal anelar actua na fase decisiva do deslocamento do contacto móvel, depois de alcançada a distância mínima de extinção. Com isso, o fluxo é orientado de forma tal que atinja o arco por todos os lados com um possante jato radial, sem provocar o seu alongamento. Este tipo de câmara é classificado como câmara axial, pois o arco recebe o fluxo transversal de óleo ao longo de toda a circunferência da câmara, sendo extinto sem abandonar a posição axial da câmara, como se pode ver em b) e c).
Outro tipo de câmara é a chamada câmara de jacto ou sopro transversal. Neste tipo de câmara, o óleo é também injectado transversalmente sobre o arco e este é forçado a sair por aberturas laterais abandonando, assim, a posição axial. Isto é mostrado esquematicamente a seguir:
fornecidos pela nuvem de partículas metálicas provenientes da evaporação dos contactos formando o substrato para o arco voltaico. Após a interrupção de corrente, estas partículas depositam-se rapidamente na superfície dos contactos recuperando, assim, a rigidez dieléctrica entre os mesmos. Esta recuperação da rigidez dieléctrica é muito rápida nos disjuntores a vácuo, o que permite altas capacidades de ruptura em câmaras relativamente pequenas. O arco voltaico no vácuo, pode ser de dois tipos: difuso ou contraído.
O arco difuso Quando se interrompem pequenas correntes, até aproximadamente 10kA, tem-se a formação do arco difuso, ou seja um arco distribuído por toda a superfície dos contactos. O processo pode ser assim descrito: a superfície dos contactos apesar de lisa, possui uma micro – rugosidade, que é responsável pela formação de últimos pontos de contacto que irão aquecer-se na separação galvânica dos mesmos, devido à alta densidade de corrente (10^4 A/cm a 10^9 A/cm). Formam-se focos de emissão iónica que irão irradiar os iões e electrões, responsáveis pela formação de um pequeno arco voltaico. Em toda a superfície dos contactos temos, da mesma maneira, a formação de inúmeros arcos paralelos, dando origem ao chamado arco difuso. Nota: estes focos de emissão iónica têm uma superfície muito pequena (10μm de diâmetro) e regularmente distribuídos por toda a superfície dos contactos, de maneira que o efeito de erosão sobre os mesmos é desprezível. Isto significa, em termos práticos, uma capacidade de perfazer um enorme número de manobras sob cargas sem desgastes dos contactos. Além disso, devido à diminuta dimensão dos focos de emissão iónica, a constante de tempo de resfriamento dos mesmos é extremamente pequena (<1μs). e devido a isto a taxa de redução da emissão de vapor metálico na passagem da corrente pelo zero é bastante elevada e a redeposição do metal sobre os contactos após o zero de corrente é rapidíssima. Como consequência destes factos, a recuperação da rigidez dieléctrica entre os contactos é extremamente rápida, garantindo uma segura extinção do arco voltaico.
O arco contraído A partir de um certo valor de corrente (aproximadamente 10kA) o arco voltaico contrai- se, tornando-se possível localizar um foco de emissão iónica sobre os contactos de alguns milímetros de diâmetro. A transição do arco difuso para o arco contraído é provocada pelo aumento do campo magnético dos vários arcos paralelos com o aumento de corrente, cujas forças de atracção começam a superar as forças termodinâmicas do plasma que sustentavam estes arcos. Com isto, os focos de emissão iónica vão deslocando-se e juntam-se, formando um foco único e contraindo o arco. A acção deste foco sobre os contactos seria prejudicial, em termos de extinção, pois, um foco destas dimensões, fixo sobre os contactos, possui uma constante de tempo de resfriamento muito grande (de alguns milissegundos) devido à grande quantidade de vapor emitido e, portanto, uma redeposição muitíssimo mais lenta das partículas metálicas sobre os contactos, após o zero de corrente, com consequente redução da capacidade de ruptura até valores inadmissíveis. A fim de se evitar essa acção prejudicial do arco contraído, usa-se o efeito do campo magnético gerado pelo próprio arco, a fim de faze-lo percorrer todo o contacto, actuando, assim, sempre sobre a camada de metal frio. Com isto, elimina-se o efeito da erosão sobre os contactos e evita-se a formação de uma coluna de plasma estável, difícil de extinguir-se. Para obter este efeito, é comum efectuar o corte da base dos contactos em ângulos pré – determinados, como se mostra a seguir:
Características/Aplicações do Disjuntor a vácuo
- Grande segurança de operação, pois não necessitam de suprimento de gases ou líquidos e não emite chamas ou gases;
- Praticamente não requerem manutenção, possuindo uma vida extremamente longa em termos de números de operações a plena carga e em curto – circuito;
- A relação capacidade de ruptura/volume é bastante grande, tornando estes disjuntores bem apropriados para o uso em cubículos;
- Devido à ausência de meio extintor gasoso ou líquido, podem fazer religamentos automáticos múltiplos
A figura que se segue mostra uma câmara de interrupção de um disjuntor a vácuo:
Uma comparação entre a vida útil dos contactos de um disjuntor PVO e um disjuntor a vácuo pode ser feita através das seguintes figuras:
Contacto de um disjuntor a vácuo Deslocamento do arco contraído
Arco difuso – intensidade de corrente 2kA Arco cortado – intensidade de corrente 2 0 kA
Detalhes construtivos Praticamente todos os modelos actuais de disjuntores a ar comprimido usam o principio de sopro axial, ou seja, o arco é distendido e “soprado” axialmente em relação aos bocais e contactos, sendo que, dentro deste principio geral de projecto, pode-se classificar ainda o sistema de extinção (bocais) em duas categorias:
- O sistema de sopro unidirecional ( “mono blast” );
- O sistema de sopro bidireccional ( “dual blast” ); No primeiro, somente um dos contactos é oco, permitindo a saída do ar após a extinção somente em uma direcção. No segundo, ambos os contactos, fixo e móvel, são ocos, e o arco expande-se em ambas as direcções, como se pode observar nas figuras que se seguem:
A figura seguinte ilustra a Unidade interruptora de um disjuntor a ar comprimido para altas e muito altas tensões:
Unidade interruptora A haste principal de accionamento 1 é movimentada para cima, accionando a válvula de controlo 2 que liberta o ar comprimido para o êmbolo da válvula de sopro 3 e, para o tubo de comando 4. Esse tubo irá accionar o disco da válvula de escape 5, o qual é solidário ao contacto móvel 7 abrindo-o, e ao mesmo tempo libertando o ar comprimido do interior da câmara para a atmosfera através de 6. Neste mesmo período de tempo o êmbolo da válvula de sopro 3 também liberta o ar no interior da câmara para a atmosfera. Cria-se, assim, um diferencial de pressão dentro da câmara, que irá provocar um fluxo de ar desionizado e frio entre os contactos das duas direcções (pois ambos os escapes 2 e 3 estão em sentidos opostos), extinguindo-se o arco voltaico. Deste modo, o movimento de abertura dos contactos é feito em duas etapas, a primeira para a extinção do arco e, após um pequeno retardo e fecho das válvulas de escape e sopro, a segunda etapa, onde os contactos atingem a sua posição final de abertura.
A figura que se segue mostra um disjuntor do tipo mencionado para 245kV com 4 unidades interruptoras por pólo:
Suprimento de ar comprimido A fim de que o ar comprimido possa cumprir com êxito as funções de meio accionador, de meio extintor e de meio isolante do disjuntor, ele deve ter características de pureza, ausência de unidade e pressão adequadas para tal. Isto é conseguido através de unidades centrais de ar comprimido, compostas de compressores, filtros, desumidificadores, etc. A figura seguinte ilustra uma central deste tipo:
Características/Aplicações dos disjuntores de ar comprimido
- Embora possam ser usados em toda a gama de tensões, os disjuntores de ar comprimido encontram a sua gama de aplicação na alta e na muito alta tensão, ou seja, acima de 245kV.
- As suas características de rapidez de operação (abertura e fecho) aliadas às boas propriedades extintoras e isolantes do ar comprimido, bem como a segurança de um meio extintor não inflamável, quando comparado ao óleo, garantiram uma posição de destaque a estes disjuntores nos níveis extremos de tensão
Vantagens dos disjuntores de ar comprimido
- Disponibilidade total do meio extintor;
- Disjuntores a SF 6 de dupla pressão Estes disjuntores constituem a 1ª geração de disjuntores a SF 6. Hoje, praticamente não são mais fabricados, cedendo o seu lugar aos disjuntores de pressão única (2ªgeração) de construção extremamente mais simples. Como o próprio nome indica, o disjuntor de pressão dupla incorpora no seu interior um circuito de alta pressão de SF 6 (20bar) e um de baixa pressão (2,5bar). Através da válvula de descarga (5), o gás é injectado do reservatório intermediário de pressão (4) para os bocais dos contactos, extinguindo-se assim o arco.
A injecção do gás SF 6 em alta pressão nos bocais é feita em sincronismo com a abertura dos contactos através do próprio mecanismo de transmissão. Após a abertura dos contactos, o gás SF 6 descarregado para o lado de baixa pressão é bombeado automaticamente por um compressor para o lado de alta pressão.
- Disjuntores de SF 6 de pressão única Nestes disjuntores o gás está num sistema fechado com pressão única de 6 a 8bar, conforme o tipo. O diferencial de pressão, sempre necessário nos disjuntores de meio gasoso para criar um fluxo de gás sobre o arco, é conseguido criando-se uma sobrepressão transitória durante a manobra de abertura dos contactos. A figura seguinte mostra, esquematicamente, esta operação:
A trajectória da corrente é formada pelas placas de contacto (1), o primeiro contacto fixo (2), os segmentos de contacto (3) montados anelarmente sob carga de molas, dentro do tubo de contacto móvel e o segundo contacto fixo (2). Os dois contactos fixos, quando ocorre a posição “fechado”, são ligados entre si pelos segmentos de contacto, ou seja pelo contacto móvel. Este é rigidamente acoplado ao cilindro de sopro (4) e entre ambos está um êmbolo fixo de forma anelar (5). Ao se dar o comando de abertura ao disjuntor, o contacto móvel e o cilindro começam a movimentar-se, comprimindo o gás contra o êmbolo fixo (figura b)). A pressão neste espaço vai aumentando com a diminuição do volume até ao momento em que os contactos se separam. Verifica-se, então, o aparecimento do arco e ao mesmo tempo a descarga da sobrepressão para o resto do sistema, ocasionando o fluxo de gás (figura c)), sobre o arco, extinguindo-o. Desta maneira torna-se desnecessário todos os implementos de geração de alta pressão e injecção temporizadora do gás sobre o arco, que existiam nos disjuntores a dupla pressão, ou seja, o sistema de compressor, válvulas e registros, mecanismos de válvula de sopro, reservatório de alta pressão, sistema de monitorização do lado de alta pressão, etc. A figura seguinte mostra a unidade interruptora em corte de um disjuntor a SF 6 para 138kV:
movimenta durante a fase de compressão do gás no sentido contrario ao do ciclo. No final da manobra de abertura, este contra – embolo desliza de volta para a sua posição inicial. Deste modo, consegue-se com este sistema, o tempo de 2ciclos para a interrupção das correntes de curto – circuito nos disjuntores a SF 6. Na figura seguinte podemos visualizar o esquema de um disjuntor de 2ciclos a SF 6 :
Características/Aplicações dos disjuntores a SF 6 Os disjuntores a SF 6 representam, sem dúvida, a tendência actual nas áreas de alta e muito alta tensão. O facto da técnica de ar comprimido ser bem anterior ao SF 6 , e também dos disjuntores a ar comprimido serem, por natureza rápidos, deu uma posição de destaque a estes disjuntores nas redes de muito alta tensão (MAT). A comprovação mais evidente disso, consiste no facto de todos os fabricantes de disjuntores de alta tensão, incluírem também na sua linha de produtos os disjuntores a SF 6. Aplicações em 138kV, bem como em 69kV, estão ainda predominantemente na faixa dos disjuntores PVO, principalmente por razões de preço.
