Como funciona a ampola de Vácuo

Transcrição

1 Como funciona a ampola de Vácuo Artigo 004/15 31/05/2015 As ampolas de vácuo como são conhecidos os interruptores de vácuo no Brasil, são contatos elétricos imersos em um ambiente confinado de baixíssima pressão atmosférica, praticamente vácuo mesmo. Os contatos ficam dentro de uma camara de vidro temperado ou cerâmica que promove o isolamento final dos polos do lado externo e o vácuo fica na parte interna. Tal conjunto construído desta forma permite interromper correntes elétricas relativamente elevadas, mesmo quando submetidas a tensões altas como as faixas da media tensão. Seu desenvolvimento permitiu a construção dos modernos disjuntores a vácuo que vem substituindo os antigos disjuntores de pequeno volume de óleo. A principal vantagem e que o arco uma vez interrompido não gera subproduto no meio extintor, assim não há necessidade de manutenção como ocorre no óleo e no SF6. Ademais a confiabilidade e grande uma vez que a ampola e hermeticamente fechada e não permite a possibilidade de vazamentos e explosão da camara. Modernamente a interrupção com sublimissao parcial do material do contato, permite um ambiente de baixa condutividade, onde se consegue arcos com tensão de no Maximo 200 a 250V. Assim a potencia dissipada no arco e baixa e uma ampola relativamente pequena consegue interromper grandes correntes de falta. Constrututivamente faltando, a ampola de vácuo e bem simples, um contato fixo e um contato móvel no lado oposto ao eixo longitudinal de ambos. A ampola isolante de vidro temperado ou cerâmica isola os polos e cria o ambiente para manter o vácuo. Para permitir a movimentação do contato, um fole metálico permite a movimentação do contato móvel, ao mesmo tempo que isola a o ambiente interno e externo da ampola. Este fole e soldado entre o contato e a tampa externa. Não há nenhum contato entre os ambientes. Não há vedação, nem válvula ou bico para extrair o ar. A ampola já e construída em uma camara de vácuo com sua pressão de trabalho e portanto uma vez fechada não pode mais ser aberta. Alem do vácuo, uma outra parte fundamental e a liga do contato. Atualmente uma liga de Cu-Cr e usada, alem da propriedade da condutividade elétrica, deve ter uma boa resistência a abrasão uma vez que o arco estabelecido atinge facilmente temperaturas de sublimação o que permitiria a erosão muito rápida do contato. Essa sublimação e importante para manter a tensão de arco baixa e para evitar os picos de tensão causados pela interrupção precoce e abrupta da corrente, chamadas de correntes de chopping. Esse controle e feito pela dosagem correta da liga Cu-Cr e pela geometria do polo que permite a movimentação do arco por todo o polo, promovendo um desgaste por igual.

2 Abaixo temos um corte da ampola e a identificação de seus componentes.

3 As blindagens tem função secundaria de receber os impactos de íons de cobre e dos elétrons disparados na direção do isolante e também de confinar a emissão de radiação que costumam ocorrer nas interrupções, pois arco Eletrico a ser interrompido e um fio de plasma, que pode estar condensado ou não. A ideia por trás da ampola de vácuo esta na curva de Paschen onde verificamos que a rigidez dielétrica do gás sobe com a pressão do mesmo, porem, para pressões próximas do vácuo a rigidez passa a subir novamente e praticamente estabiliza em 390kV/cm. A explicação decorre do fato de que deve haver ionização em avalanche do meio para ocorrer um arco elétrico.

4 No vácuo as partículas são muito poucas e a probabilidade de um efeito em avalanche ocorrer e bem remota, dada a separação entre os átomos, assim a rigidez dielétrica cresce muito e por isso o vácuo funciona bem como isolante. Um arco elétrico no vácuo somente e possível por meio de altas correntes que aquecem o contato ao ponto de vaporizar partículas do mesmo formando uma nuvem de material condutivo. Isto explica a baixa de tensão de arco das ampolas de vácuo. Basicamente e necessário apenas aguardar a corrente ir a zero naturalmente, pois a corrente zera, o material resublima sobre o polo e a rigidez dielétrica e quase que instantaneamente alcançada. O gráfico abaixo ilustra a interrupção da corrente fase a fase. Arco elétrico também e possível desde que a tensão seja alta o suficiente para vencer a função de trabalho do metal do contato e arrancar elétrons do mesmo permitindo o surgimento de uma carga espacial que viajaria no vácuo tal qual uma carga elétrica obtida por efeito termoionico. Isto pode ocorrer em tensões impulsivas. Esta segunda forma de interrupção difere da primeira por não impor danos significativos ao contato da ampola, pois praticamente não há material erodido. Assim ela afeta bem menos a vida útil da ampola.

5 Praticamente a vida útil da ampola e determinada pelo numero de correntes interrompida e de sua intensidade. Quanto maior a intensidade da corrente, maior a sublimação do material do contato. Assim o numero de correntes interrompidas de alta intensidade são menores que as de pequena intensidade. Praticamente correntes de menos de 700 amperes causam dano similar na ampola por não permitirem a estabilização de arco elétrico e portanto, tem praticamente a mesma vida útil. Para assegurar desgastes por igual no contato, a geometria do mesmo e feita de forma tal a favorecer o deslocamento do arco por todo o polo, usando o próprio campo magnético da corrente de falta. As figuras abaixo ilustram isto. Dessa forma o fio de plasma rodopia pelo polo, causando desgate por igual e prolongando a sua vida útil. A tecnologia do vácuo em interrupção de correntes elétricas esta em desenvolvimento, a ampliação dos limites de uso do vácuo nestas aplicações com certeza ocorrerão com o desenvolvimentos de novas ligas, métodos de operaco que deverão levar a um novo estado da arte nesta área do conhecimento. Referencias Bibliograficas Eletronic Cahier Techiniques numero 198 Schneider Electric Vacuum Interrupters - Falkingham, Dr Leslie T Falkingham