teoria prefácio TEORIA

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1 Os sistemas elétricos de potência e distribuição, estão sujeitos a sofrer falhas, que podem dar origem a correntes elétricas de elevada intensidade as quais, por sua vez, podem danificar condutores de linhas elétricas, avariar e mesmo destruir máquinas e outros equipamentos da área afetada pela falha, caso ela não seja isolada a tempo. A proteção contra sobrecorrente de sistemas elétricos industriais repousa sobre aparelhos como: transformador de corrente, relé de proteção, disjuntor e banco de baterias, além dos condutores de interligação. Se um destes componentes falhar, o sistema de proteção torna-se inoperante. A sua manutenção em condições confiáveis é, portanto, da maior importância. Destruição de equipamentos de subestações e usinas elétricas com elevados prejuízos tem ocorrido, muitas vezes, por não terem sido observadas as recomendações de manutenção. Neste momento estaremos focalizando nossa atenção para os seguintes equipamentos: disjuntores, contatores e seccionadoras. prefácio No desenvolvimento desta apostila, foram reunidas informações e sugestões, que poderão ser aproveitadas para a elaboração de recomendações e programas de manutenção de equipamentos de uso em subestações elétricas. Elas refletem a experiência vivida por profissionais e técnicos da W-Service em trabalhos de manutenção desses aparelhos, contêm dados de trabalhos de pesquisadores, informações obtidas em seminários, bibliografia e conversas informais. Noções sobre a interrupção da corrente elétrica, e informações relacionadas com a tecnologia aplicada e retrofit (modernização), tomando-se como referência aparelhos empregados em instalações de empresas em geral, foram incluídas no texto, com a finalidade não só de relembrá-las, mas, também, porque o seu conhecimento é de grande importância para o entendimento do funcionamento dos equipamentos. Parte 1 - teoria - final.pmd 1 11/12/2006, 10:05

2 Parte 1 - Teoria O arco elétrico 4 O processo de interrupção 5 Desionização 6 Formação e extinção do arco elétrico no óleo mineral isolante 7 Formação e extinção do arco elétrico no ar atmosférico 8 Formação e extinção do arco elétrico no gás SF 6 9 Formação e extinção do arco elétrico no vácuo 10 Parte 2 - Disjuntores índice Classificação dos disjuntores 14 Tensão Nominal 14 Tipo de execução 14 Mecanismo de operação 14 Mecanismo de operação com fechamento e abertura a molas 15 Mecanismo de operação com fechamento a ar comprimido e abertura a molas 17 Mecanismo de operação com fechamento a bobina solenóide e abertura a molas 17 Acessórios 18 Principios de extinção do arco e detalhes construtivos 18 Disjuntor a seco 18 Disjuntor a óleo mineral isolante 19 Disjuntor a sopro magnético 23 Disjuntor a gás hexafluoreto de enxofre - SF 6 26 Disjuntor a vácuo 27 Aplicações - Benefícios - Comparativo 30 Disjuntores a seco 30 Disjuntores a óleo mineral isolante 30 Disjuntores a sopro magnético 31 Disjuntores a vácuo 31 Disjuntores a gás hexafluoreto de enxofre - SF 6 32 Utilizando seu equipamento 32 Inspeções e manutenções 33 Inspeção - Conceito 34 Manutenção - Conceito 34 Periodicidade dos intervalos de inspeção e manutenção - Conceito 34 Trabalhando com segurança 35 Identificando o disjuntor 36 Inspeção 37 Registro das anormalidades encontradas 40 Manutenção 40 Equipamento alvo 40 Falta de manutenção 41 Manutenção preditiva 44 Manutenção preventiva 45 Manutenção corretiva 46 Ensaios 47 Resistência ôhmica dos contatos 47 Resistência ôhmica da isolação dos contatos 48 Resistência ôhmica da isolação do circuito de acionamento 50 Tempo de fechamento e abertura dos contatos 50 Simultaneidade dos contatos 52 Tensão aplicada 53 Testes operacionais 54 Fator de potência do isolamento 55 Exemplo de relatório de inspeção e ensaios 55 Retrofit 58 Sistemas de proteção 59 Direto 59 Indireto 61 Retrofit da proteção 64 Transporte e armazenagem 65 Parte 1 - teoria - final.pmd 2 11/12/2006, 10:05

3 Parte 3 - Contatores de Média Tensão Classificação dos contatores de MT (Média Tensão) 68 Mecanismo de operação 68 Mecanismo com retenção mecânica 68 Mecanismo sem retenção mecânica 69 Tipo de execução 69 Princípios de extinção do arco e detalhes construtivos 70 Contator a seco 70 Contator a sopro magnético 70 Contator a gás hexafluoreto de enxofre - SF 6 72 Contator a vácuo 72 Aplicações - Benefícios - Comparativo 73 Utilizando seu equipamento 74 Inspeções e manutenções 75 Inspeção - Conceito 75 Manutenção - Conceito 75 Periodicidade dos intervalos de inspeção e manutenção - Conceito 75 Trabalhando com segurança 76 Identificando o contator 77 Inspeção 79 Registro das anormalidades encontradas 81 Manutenção 81 Equipamento alvo 81 Falta de manutenção 82 Manutenção preditiva 84 Manutenção preventiva 84 Manutenção corretiva 85 Ensaios 87 Resistência ôhmica dos contatos 87 Resistência ôhmica da isolação dos contatos 88 Resistência ôhmica da isolação do circuito de acionamento 89 Testes operacionais 89 Exemplo de relatório de inspeção e ensaios 89 Retrofit 92 Transporte e armazenagem 93 Parte 4 - Seccionadoras de Média Tensão índice Classificação das seccionadoras de MT (Média Tensão) 96 Características de operação 96 Mecanismo de operação 98 Aplicações - Benefícios - Comparativo 99 Utilizando seu equipamento 99 Inspeções e manutenções 100 Inspeção - Conceito 100 Manutenção - Conceito 100 Periodicidade dos intervalos de inspeção e manutenção - Conceito 101 Trabalhando com segurança 101 Identificando a seccionadora 102 Inspeção 103 Registro das anormalidades encontradas 104 Manutenção 104 Equipamento alvo 104 Falta de manutenção 105 Manutenção preditiva 106 Manutenção preventiva 106 Manutenção corretiva 107 Ensaios 108 Resistência ôhmica dos contatos 108 Resistência ôhmica da isolação dos contatos 110 Exemplo de relatório de inspeção e ensaios 110 Transporte e armazenagem 113 Considerações finais 115 Parte 1 - teoria - final.pmd 3 11/12/2006, 10:05

4 O Arco elétrico Dispositivos de manobra são os principais elementos de segurança bem como os mais eficientes e complexos aparelhos de manobra em uso nas redes elétricas. Possuem uma capacidade de fechamento e de ruptura que deve atender a todos os requisitos preestabelecidos de manobra sob todas as condições normais e anormais de operação. Além dos estados estacionários de fechado (ou ligado) e ou aberto (desligado) definem-se ambos os estados de transição de manobra de fechamento ou ligamento e manobra de abertura ou desligamento, manobras essas responsáveis pela formação de arco elétrico. No estado fechado ou ligado o disjuntor deve suportar a corrente nominal da linha sem que venha a se aquecer além dos limites permissíveis. No estado aberto ou desligado a distância de isolamento entre contatos deve suportar a tensão de operação (diferença de potencial), bem como sobretensões internas, devido a surto de manobras ou descargas atmosféricas. Quando da manobra de fechamento, o disjuntor de potência deve também, no caso de um curto-circuito, atingir de maneira correta a sua posição fechada e conduzir e suportar a corrente de curto-circuito. Quando da manobra de abertura, o disjuntor deve atender a todos os casos de manobra possíveis da rede onde está instalado. Um disjuntor moderno está em condições de interromper a corrente, sob todas estas condições, com um tempo de duração do arco voltaico de 5 a 20ms. Convém lembrar que os disjuntores, freqüentemente permanecem meses e meses no estado estacionário ligado, conduzindo a corrente nominal sob condições climáticas das mais variadas. Após todo esse tempo de inatividade operacional mecânica, devem estar pronto para interromper uma corrente de curto-circuito, sem o menor desvio das especificações, pois, qualquer falha de manobra resultaria em incalculáveis danos materiais e eventualmente, pessoais. 04 Parte 1 - teoria - final.pmd 4 11/12/2006, 10:05

5 O Processo de interrupção Admitamos os contatos do disjuntor fechados sob pressão e conduzindo a corrente da linha. A resistência entre eles é resultado, entre outros fatores, da pressão mútua entre ambos. Com a diminuição da pressão, aumenta a resistência. No instante da separação dos contatos a pressão é praticamente nula e a resistência é correspondentemente alta. A corrente deve passar através das minúsculas superfícies de contato formadas Circuito fechado. Pontos de mínima pressão de contato (A,B) tem maior concentração da corrente. Pressão do contato se reduz. Estágio de pré-separação. Toda corrente no ponto A. Os contatos estão separados. Forma-se o arco entre os pontos a serem separados. A separação entre os contatos aumenta e o arco se alonga. Sopro magnético e convecção térmica aumentam o comprimento do arco. Um aumento adicional da distância entre contatos torna o meio ambiente, não condutor. A corrente é interrompida numa próxima passagem pelo zero. Interrupção de corrente alternada. Representação esquemática. 05 Parte 1 - teoria - final.pmd 5 11/12/2006, 10:05

6 pelas últimas irregularidades superficiais a se tocarem, concentrando como decorrência, enormes quantidades de calor, elevando assim, a temperatura dos contatos. Estas altas temperaturas concentradas nas peças dos contatos, produzem uma termoemissão de elétrons à partir do contato negativo ou catodo, iniciando-se assim, o processo de ionização, pelo qual irá se formar o arco voltaico e conseqüentemente, passagem da corrente nos contatos agora separados. Os elétrons assim emitidos são influenciados pelo campo elétrico atuante na distância entre os contatos já separados, acelerando-se e ionizando por choques com moléculas ou átomos do gás. A corrente do arco voltaico é constituida assim, por elétrons que saem do catodo dirigindo-se para o anodo. No caso de corrente alternada, este processo muda evidentemente de sentido a cada meia onda. A descarga do arco é iniciada quando a tensão sobre a distância entre os contatos e o grau de ionização da mesma, forem suficientemente grandes. Desionização A desionização consiste no processo inverso ao da ionização, ou seja, na inversão do plasma ou gás ionizado para suas condições iniciais, restabelecendo-se, assim, o estado de equilíbrio atômico. É, portanto, através do processo de desionização, que a distância entre os contatos de um disjuntor é convertida de um meio condutor gasoso de eletricidade em um isolante gasoso, interrompendo, assim, a corrente numa próxima passagem pelo zero. Pode-se dizer que a interrupção de circuitos de corrente alternada significa extinguir um arco instável em um meio onde a taxa de desionização é maior que a taxa de ionização. A desionização ao longo da trajetória do arco, aumenta a cada meio ciclo de corrente até que seu grau atinja um determinado estágio em que o arco possa ser extinto na próxima passagem da corrente pelo zero. O meio mais eficaz de desionização da zona do arco num disjuntor é a substituição do gás ionizado por novas quantidades de gás desionizado, geralmente através de um sopro produzido por um dispositivo adequado. Enquanto a ionização ou o grau de concentração de íons não é uniforme, as cargas elétricas tendem a fluir das regiões de alta para as regiões de baixa concentração de íons. Este efeito de difusão pode resultar numa rápida desionização da zona do arco, quando o gás nesta zona estiver em estado de agitação. A temperatura é outro 06 Parte 1 - teoria - final.pmd 6 11/12/2006, 10:05

7 fator importantíssimo para a desionização, pois, a temperatura de um gás é inversamente proporcional ao quadrado de sua velocidade molecular. Nas temperaturas do arco, as velocidades moleculares são tão altas, que os choques entre as moléculas e entre os átomos ocasionam a sua decomposição em íons e elétrons, processo este chamado de ionização por choque. De uma maneira inversa, o resfriamento contribui para a desionização da zona do arco. Note-se que, quando injetamos gás desionizado sobre o arco num disjuntor, usamos na realidade, automaticamente, os processos acima descritos, ou seja, aumentamos a turbulência e diminuimos a temperatura. Formação e extinção do arco elétrico no óleo mineral isolante Durante o processo de abertura do disjuntor a óleo, o contato móvel se desloca e há a diminuição progressiva da superfície de contato entre os contatos. Como consequência haverá um aumento da densidade de corrente nos contatos e da sua temperatura, acarretando também, o sobreaquecimento do óleo adjacente com a formação de vapor de óleo e íons. No instante da separação dos contatos, o gradiente de potencial que existe entre eles dará origem ao arco elétrico quando a tensão for maior do que a rigidez dielétrica do óleo que invade o espaço entre contatos. Devido à elevada temperatura do arco, o óleo se vaporiza e é decomposto, havendo a formação de gases, a liberação de elétrons e a formação de íons. Os elétrons livres colidirão com moléculas de óleo provocando o aparecimento de mais íons e a liberação de mais elétrons. Os elétrons se movimentam devido ao potencial acelerador existente e o seu fluxo constitui a chamada corrente do arco. Extinção do arco em câmara de disjuntor PVO (Pequeno volume de óleo) Como a tensão entre os contatos é de natureza cíclica, na parte ascendente do ciclo os elétrons são acelerados e a corrente se intensifica, e na parte descendente do ciclo, os elétrons são desacelerados e a recombinação dos elétrons com os 07 Parte 1 - teoria - final.pmd 7 11/12/2006, 10:06

8 íons aumenta. A ionização do espaço entre contatos, é produzida pelo calor e pelo potencial elétrico. Dentre os fatores que contribuem para a desionização daquele espaço, contamse o resfriamento da bolha de gás que se forma, a remoção do gás ionizado por meios intencionais adequados ou por turbulência, a recombinação de elétrons com íons e a dispersão de elétrons no óleo. O óleo mineral isolante é formado, principalmente, por moléculas de hidrocarbonetos, sob a ação do arco elétrico de potência elevada, cuja temperatura pode atingir valores acima de C. O óleo se decompõe formando uma mistura de gases cuja composição é variável, admitindo-se que a mais provável seja: hidrogênio 70%, acetileno 20 a 24%, metano, etileno e outros gases, 5 a 10%. O hidrogênio se desioniza rapidamente e as suas propriedades térmicas são muito favoráveis. Com a decomposição do óleo, além dos gases, formam-se partículas de carbono que podem permanecer em suspensão por tempo prolongado ou sedimentar em alguns dias, conforme as características do óleo. Quanto mais baixa a temperatura do óleo, maior a sua viscosidade e maior será a quantidade de partículas que se formarão. Portanto, o arco deve ser resfriado, desionizado, alongado e fracionado para que, quando o valor instantâneo da corrente a ser interrompida estiver próximo ao zero natural, ela possa ser interrompida. Formação e extinção do arco elétrico no ar atmosférico Nos disjuntores a ar, os contatos principais estão envolvidos pelo ar atmosférico. Quando na operação de abertura, os contatos se afastam entre si e surge o arco elétrico, porque a tensão entre eles é maior do que a rigidez dielétrica do ar que ocupa o espaço que ficou entre eles. 08 Devido à ação do arco sobre os átomos dos gases do ar atmosférico, formam-se íons e elétrons livres, isto é, há a sua ionização. Extinção do arco no ar atmosférico Parte 1 - teoria - final.pmd 8 11/12/2006, 10:06

9 No ar comprimido, o processo de desionização, que é a recombinação de elétrons e íons, se realiza rapidamente, porque a sua constante de tempo de desionização tem um valor muito baixo. Portanto, o ar comprimido que é soprado longitudinalmente contra o arco, oferece condições adequadas para extinguí-lo, porque o seu alongamento, o seu resfriamento, a sua desionização e a sua extinção, se realizam rapidamente. Dessa forma, o disjuntor a ar comprimido consegue interromper correntes de alta intensidade. Formação e extinção do arco elétrico no gás SF 6 O processo de interrupção da corrente elétrica por um disjuntor a hexafluoreto de enxofre - SF 6 - inicia-se com a formação de um arco entre os contatos principais, assim que tiver início a sua separação. A elevada temperatura do arco causa a decomposição do gás, havendo a formação de SF 2 e SF 4, principalmente e, em pequena quantidade, S 2, F 2, S e F, além de outras substâncias. Ao mesmo tempo, há a vaporização do metal dos contatos que reage com partes dos produtos da decomposição do SF 6, formando-se um pó esbranquiçado com boas propriedades isolantes e que se deposita nas paredes e contatos da câmara de extinção, sendo também, em parte, absorvido pela alumina ativada no interior da câmara. Uma parte dos produtos da decomposição do SF 6 pode reagir com a água eventualmente presente, e formar substâncias que são corrosivas para a porcelana e o vidro. No entanto, grande parte dos produtos da decomposição do SF 6, se recombina em tempo muito curto após a extinção do arco. Devido à ausência de ar no SF 6, a oxidação e a abrasão dos contatos praticamente não se verifica e, por isso, o seu desgaste é muito pequeno. Na região bem próxima do eixo do arco, onde a temperatura é muito elevada, a condutibilidade térmica do gás é baixa e a dissipação do calor se fará obedecendo a um gradiente muito acentuado de temperatura. Como conseqüência, a sua condutibilidade elétrica se torna praticamente 09 Parte 1 - teoria - final.pmd 9 11/12/2006, 10:06

10 inexistente, uma vez que o gás SF 6, por ser eletronegativo, tem grande facilidade em absorver elétrons livres. Por outro lado, em temperaturas baixas, a sua condutibilidade térmica é muito alta. Conclui-se que, quando o valor instantâneo da corrente elétrica estiver bem próxima do seu zero, o arco fica reduzido a uma fina coluna cilíndrica com elevada temperatura, ao redor da qual existirá uma massa gasosa não condutora de eletricidade e cuja temperatura é relativamente baixa. Neste ponto, a rigidez dielétrica do gás no espaço entre contatos se recupera rapidamente, o arco se extingue e as tensões de restabelecimento com taxas elevadas de crescimento que venham a surgir, não terão possibilidade de ocasionar o reacendimento do arco. Formação e extinção do arco elétrico no vácuo Num interruptor a vácuo, no instante em que os contatos iniciam a sua separação com corrente elétrica, formam-se arcos que têm a tendência de ficar contraídos devido à ação de fortes campos magnéticos produzidos pela corrente. A elevada temperatura dos focos em que os arcos se originam, causa a emissão de metal dos contatos em estado líquido, estabelecendose pontes metálicas pelas quais passa a corrente elétrica. Na medida em que a distância que separa os contatos aumenta, as partes metálicas tendem Deslocamento do arco contraído. a ser substituídas por arcos que, para correntes de baixa intensidade (até cerca de 10KA), entram em condições de instabilidade, quando o seu valor instantâneo estiver próximo do zero natural, finalizando por se interromper. 10 Correntes de intensidade mais elevadas somente poderão ser interrompidas se o arco for fracionado e esfriado por meio de contatos com forma geométrica adequada. Parte 1 - teoria - final.pmd 10 11/12/2006, 10:06

11 A intensidade da corrente no instante da interrupção não deve ter um valor elevado, para que não se formem sobretensões indesejáveis e inadmissíveis. Correntes de baixa intensidade podem não produzir vapores metálicos suficientes para manter a corrente até que ela atinja valores admissíveis de instabilidade do arco e ele possa ser então interrompido. Para evitar que isso aconteça, são preparados contatos que possuem em sua área de contato, camadas de ligas metálicas de baixo ponto de fusão, que produzem vapores metálicos em quantidade suficiente para manter a corrente até que o arco entre em condições de instabilidade, quando o seu valor instantâneo estiver próximo do zero natural. 11 Parte 1 - teoria - final.pmd 11 11/12/2006, 10:06

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