Curto-circuito alta e baixa tensão Sistema Metroferroviário Pág. 2 - VI Prêmio Alstom de Tecnologia Metroferroviária
Resumo Este trabalho tem como objetivo mostrar as interfaces de alta e baixa tensão de sistemas elétricos metroferroviários, os problemas indesejáveis de curtos-circuitos e as propostas para se evitar os mesmos. Curtos-circuitos entre a alta e a baixa tensão, poderão ocorrer ao longo da malha ferroviária desde a fonte fornecedora de energia elétrica, que são as subestações de tração, seus alimentadores, chaves seccionadoras de rede aérea com os sistemas auxiliares, telecomando, telefonia, comandos das subestações, etc. Analisaremos alguns casos e sua proposta técnica de solução. Com isso promoveremos um sistema mais seguro e confiável, com menos impactos operacionais, menos custo de manutenção e menos passageiros prejudicados. Pág. 3 - VI Prêmio Alstom de Tecnologia Metroferroviária
I Objetivo Apresentar problemas constatados de curto- circuitos elétricos de alta e baixa tensão em sistemas metroferroviários e apresentar soluções técnicas para se evitar ao máximo tais ocorrências, que causam grandes prejuízos operacionais, insegurança técnica, além de muitos transtornos ao usuário que se utiliza do transporte sobre trilhos. II - Introdução: A alimentação elétrica de uma ferrovia é oriunda geralmente de várias subestações de tração que fornecem energia ao trecho por onde circulam os trens. Esta alimentação elétrica pode ser em corrente alternada ou contínua. No Brasil é mais utilizado o sistema de alimentação em corrente contínua, onde o positivo situa-se na catenária da rede aérea e o negativo são os próprios trilhos. Pela maior facilidade e segurança a interrupção destes circuitos se faz pelo seccionamento do circuito positivo, que é a própria rede aérea. Por este motivo é que ao longo de uma ferrovia há inúmeras chaves seccionadoras de rede aérea. Em todo sistema de alta tensão que abrange uma ferrovia a partir das subestações de tração (88 e 138 KVAC), há a presença de sistemas auxiliares em baixa tensão, telecomando, distribuição, comandos, telefonia, outros. Assim, o sistema deverá ser protegido para se evitar que situações indesejáveis de curto-circuitos ponham em risco a segurança do trabalhador, equipamentos e que por conseqüência os prejuízos operacionais, atrapalhando a vida de milhares de passageiros. Como dissemos acima, há um convívio muito grande de circuitos elétricos de alta e baixa tensão ao longo de uma malha metroferroviária e inevitavelmente ocorrências de curtos-circuitos entre eles acabam acontecendo por inúmeras causas; falhas do sistema, limitação técnica, proteção indevida e outras. Quando há a passagem de corrente elétrica da alta tensão para a baixa tensão, as conseqüências são muito grandes: queima de equipamentos eletro eletrônicos, perda parcial ou total dos equipamentos envolvidos, e o perigo de acidentes se alguém estiver trabalhando em sistemas de baixa tensão, mesmo longe do ponto onde houve o curto-circuito. Foi diante deste cenário, que as equipes de manutenção estão sempre atentas e analisam cada tipo de falha que ocorra no sistema, para se tomar medidas que evitem a reincidência da mesma. A seguir apresentaremos algumas destas ocorrências, e o que foi realizado para cada caso. III Estudo de casos: 1) Seccionadoras de rede Aérea São seccionadoras de rede aérea que situam ao longo de uma ferrovia, e por onde se faz as manobras da rede aérea (positivo 3KV), sempre quando se desejar energizar ou interromper um trecho elétrico da respectiva linha. Estas seccionadoras poderão ter vários tipos de comandos: A) Local a) Manual b) Elétrico Pág. 4 - VI Prêmio Alstom de Tecnologia Metroferroviária
B) Remoto a) Subestação b) Centro de Controle Para todos estes comandos deverá ter um cuidado especial e importante onde toda a interrupção de circuito elétrico realizado por chave seccionadora, deverá ser sem cargas no circuito, para se evitar o arco voltaico, que é a passagem da corrente elétrica pelo ar, entre as partes de contatos. Como vimos, estas seccionadoras estão situadas numa ferrovia e por ela circulam trens que por sua vez consomem valores altos de energia elétrica. Dependendo do número de trens que estiver num circuito, o valor da corrente elétrica poderá chegar com facilidade na casa de milhares de Ampéres 1. Daí a necessidade de se manobrar com o mínimo de carga no respectivo trecho. 1.1) Procedimentos de manobras: Nota-se que somente na condição Bb (descrito acima), remoto centro de controle, é que se tem uma visão completa do sistema, pelo fato do operador do sistema de energia elétrica, ficar junto com a operação do sistema operacional de trens.esta situação o auxiliará em caso de manobras elétricas de seccionadoras de rede aérea, onde os trens estão distantes do ponto de seccionamento. Para as demais situações, Aa, Ab, e Ba, ou seja Local manual, local elétrico e remoto subestação, não se tem a visão dos trens envolvidos no sistema. Quando uma seccionadora for comandada a Local ou Remoto subestação; a pessoa que estiver no campo deverá entrar em contato com o centro de controle e saber o momento certo de fazer tal seccionamento. O pessoal do centro de controle informará o melhor momento, ou seja, naquele em que no trecho correspondido não tenha nenhum trem no circuito. 1.2) Problema encontrado: Mesmo tendo todo o cuidado descrito no item anterior, quanto ao posicionamento dos trens na região próxima à manobra da seccionadora, foi verificado um problema muito grave, abertura indevida da seccionadora de rede aérea com carga no trecho. Para melhor compreensão, vamos mostrar o funcionamento da chave seccionadora da rede aérea. A seccionadora é composta:. Contatos principais, que seccionam a rede aérea em 3 KV. Varão de manobra Motor alimentação em 220 V. Caixa de Comando, alimentação em 125 Vcc. (oriunda da subestação ou cabine próxima). Como a energia elétrica de comando e de potência são de fontes diferentes, acontecia que quando era efetuado um comando para uma dada seccionadora, esta iria obedecer aos comandos obviamente se houvesse energia para o respectivo motor da mesma. Porém se no instante do comando, não houvesse energia alternada, utilizada para o motor da seccionadora, esta não iria obedecer ao comando, mas iria manter o respectivo relé de fechamento (F) atracado, vide anexo 1. Num dado instante qualquer que normalizasse a energia alternada do sistema, a seccionadora obedeceria ao último comando automaticamente. Esta situação causou vários acidentes graves em nosso sistema, pois a chave nesta condição, se movimentaria em situações indesejáveis, ou seja, com circulação de trens em sua região. Com isso era provocado um arco voltaico entre seus contatos, vindo a ocasionar a queima da seccionadora, bem como a queima de outros equipamentos auxiliares ao longo do trecho correspondente. Praticamente um curto circuito entre a alta tensão (3KV) com os circuitos auxiliares da subestação de tração ou cabine seccionadora, donde se origina a alimentação em 125 Vcc. Houve várias falhas desta natureza, que a conseqüência foi gravíssima, ocasionando queima de vários circuitos auxiliares da subestação, cabines, central telefônica, sistema de telecomando e outros.; além do grande prejuízo 1 (unidade de corrente elétrica; em homenagem a André Marie Ampère, 1775-1836). Pág. 5 - VI Prêmio Alstom de Tecnologia Metroferroviária
operacional, envolvendo paralisação da circulação de trens na região e perturbando a vida de milhares de usuários. 1.3) Solução do problema Foi inserido um relé de supervisão de tensão (RS) no circuito de 220V, alimentação do motor da chave seccionadora (vide anexo 2). Havendo tensão de 220 V, este relé é atracado, fechando seus respectivos contatos, onde aí sim permitirá que o comando elétrico seja efetivado. Se não houver 220 V, o relé RS não será atracado, e se um comando for enviado á seccionadora, esta não obedecerá ao comando e portanto não ficará selado o relé de fechamento (F) da mesma. Portanto com este dispositivo, só se consegue comandar a chave eletricamente, somente quando houver alimentação para o respectivo motor da seccionadora. 2) Disjuntor alimentador 3 KVcc Este disjuntor situa-se nas subestações e cabines de tração do sistema metroferroviário, e tem como função básica alimentar e proteger o trecho correspondido por ele. É o disjuntor de saída da subestação ou cabine. Sempre que houver um curto-circuito a sua frente ou uma sobrecorrente acima de sua calibragem, o mesmo irá desarmar, protegendo o respectivo circuito. Este disjuntor é constituído basicamente por: Contatos principais Bobinas de fechamento, de retenção Contator auxiliar Jogo de contatos auxiliares Molas Barreira abafadora Estrutura, fiação, isoladores e outros. Normalmente cada disjuntor deste, fica alojado em um compartimento separado, onde o mesmo é responsável por um trecho de rede aérea numa via. A seguir, vamos mostrar os problemas e soluções encontrados em cada parte deste disjuntor: 2.1) Problema dos contatos auxiliares Pela posição física deste jogo de contatos auxiliares situar-se no bloco do disjuntor e ficar próximo da parte de alta tensão 3KV, e em condições de fuga de corrente, acabava passando energia elétrica da alta para os circuitos auxiliares do disjuntor, que por conseguinte a queima do painel de comando da subestação e todos os demais circuitos auxiliares. 2.1.1) Solução dos contatos auxiliares Foram instalados dois prolongadores no bloco dos jogos de contatos auxiliares e uma placa de celeron como anteparo da parte de alta do disjuntor com a parte de baixa tensão, vide anexo 3 fig 3. Com isso conseguimos isolar melhor a parte de alta tensão do disjuntor com a parte de baixa tensão, evitando assim que numa fuga de corrente da parte alta do disjuntor percorresse o caminho até o painel da subestação, provocando uma queima generalizada. 2.2) Problema bobina de fechamento Como vimos acima, um dos componentes do disjuntor é o contator auxiliar, que tem como função fazer o contato de fechamento do circuito da bobina de fechamento do disjuntor. Após receber o Pág. 6 - VI Prêmio Alstom de Tecnologia Metroferroviária
comando de fechamento do disjuntor, o contator auxiliar se fecha alimentando a bobina de fechamento do disjuntor e se abrirá novamente com o fechamento efetivo do disjuntor. Porém se os contatos principais do contator ficarem enroscados em sua barreira, a bobina de fechamento ficará energizada o tempo todo. Esta bobina trabalha com uma corrente elétrica de aproximadamente 70 Amperes. Sua função é de apenas fechar o disjuntor e sairá do circuito após seu fechamento. O disjuntor se manterá pelas molas e pela bobina de retenção. Porém se a bobina de fechamento do disjuntor ficar energizada por um período longo, irá haver um grande aquecimento, e se sua isolação não for de boa qualidade, especificada pelo fabricante, irá haver um derretimento da isolação e fatalmente o contato da baixa tensão com a alta tensão do disjuntor, vindo a danificar todo o painel de comando e seus circuitos auxiliares vizinhos, comprometendo toda a subestação ou cabine, bem como sistemas auxiliares que por sua vez estejam alimentados por circuitos auxiliares deste. 2.2.1) Solução da bobina de fechamento Só utilizar bobina de fechamento original ou fabricada de acordo com a especificação do fabricante da mesma, vide anexo 3 fig 4. Pois foi observada pela manutenção, que a bobina original sobre condições de alta temperatura, rompe seus enrolamentos de maneira a não derreter sua isolação; com isso não compromete a possibilidade de contato de energia elétrica entre a alta e baixa tensão do referido disjuntor. 2.3) Problema de roedores Pela situação geográfica das subestações e cabinas, é praticamente impossível eliminar a presença de ratos, que adentram estes locais geralmente pelas canaletas de cabos que fazem a interface com as áreas externas.estes roedores procuram regiões mais quentes, e o cubículo dos disjuntores são muito atrativos para eles. O problema é que quando entram no disjuntor, curto-circuita a alta e a baixa tensão do disjuntor com seu corpo; tendo como conseqüência, tensão de 3KV no circuito de 125 Vcc, resultando queima do disjuntor, queima do painel de comando da subestação, e dependendo da proporção queima de outros circuitos vitais da subestação. 2.3.1) Solução para o combate dos roedores Além dos tradicionais produtos químicos utilizados, foi feito uma vedação com estopa e gesso por todos os dutos e canaletas que fazem a interface com os cubículos dos disjuntores. Praticamente este problema não houve mais. 2.4) Problema de descargas atmosféricas As subestações e cabinas seccionadoras, são protegidas com para-raios em seus circuitos e em suas instalações. O trecho de rede aérea, também deverá ser protegido por descargas atmosféricas por toda sua extensão. Basta um trecho estar desguarnecido para que ele ponha em risco diversos sistemas auxiliares, que estão ao seu redor. 2.4.1) Solução Pág. 7 - VI Prêmio Alstom de Tecnologia Metroferroviária
Implantar sistema de para-raio com cabos guardas por toda a extensão ferroviária, com as descidas estratégicas, para que uma possível descarga elétrica não percorra uma grande extensão destes cabos, atingindo equipamentos e sistemas ao longo do trecho. Uma rede aérea bem protegida contra descargas atmosféricas, garantirá maior segurança e confiabilidade ao sistema de tração e a todos os sistemas auxiliares que o acompanham. VI - Conclusão: O convívio dos circuitos elétricos de alta e baixa tensão num sistema metroferroviário é inevitável.cabe aos técnicos responsáveis pelos diversos sistemas, observarem possíveis pontos frágeis, que possam levar às falhas de grandes proporções, aquelas provocadas por curtoscircuitos entre a alta e baixa tensão, estudar cada caso e propor alternativas para se evitar ao máximo tais ocorrências. Com a correção apresentada nestes circuitos elétricos, conseguimos: Melhorar a operacionalidade do sistema Minimizar o número de avaria provocada por curto-circuito Melhorar a segurança nas manobras Diminuir o número de passageiros prejudicados no sistema Eliminar falhas de outros sistemas, impactadas por curto-circuito Diminuir o custo de manutenção corretiva Aumentar a segurança do pessoal envolvido, manutenção e operação Pág. 8 - VI Prêmio Alstom de Tecnologia Metroferroviária
Anexo 1 Fig 1 esquema de comando elétrico (original) seccionadora rede aérea Pág. 9 - VI Prêmio Alstom de Tecnologia Metroferroviária
Anexo 2 Fig 2 esquema de comando elétrico (alterado) seccionadora rede aérea Pág. 10 - VI Prêmio Alstom de Tecnologia Metroferroviária
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Anexo 3 Fig 3 Disjuntor com isolamento dos contatos auxiliares Fig 4 Bobina de Fechamento do Disjuntor Pág. 12 - VI Prêmio Alstom de Tecnologia Metroferroviária