SF6 - Disjuntores e Barramentos

SF6 - Disjuntores e Barramentos

GÁS SF6 – APLICAÇÃO EM BARRAMENTOS E DISJUNTORES

Vitor T. Correia; Wellyngton Moralles Universidade Federal do Paraná

Resumo – Este trabalho tem por objetivo apresentar as aplicações do gás hexafluoreto de enxofre em equipamentos elétricos de alta tensão.

Palavras-chave: Hexafluoreto de Enxofre. Barramentos. Disjuntores. Alta e Média Tensão.

O GÁS – HEXAFLUORETO DE ENXOFRE (SF6)

O SF6 é um gás incombustível, incolor, inodoro, quimicamente estável e inerte até cerca de 500°C, tendo, portanto, um comportamento semelhante ao de um gás nobre. Isto significa que na temperatura ambiente não reage com qualquer outra substância. Esta estabilidade vem do arranjo simétrico de seis átomos de fluoreto ao redor do átomo de enxofre central (Figura 1) e é essa estabilidade que o torna um excelente dielétrico. É formado por uma reação química entre enxofre fundido e gás x.

Figura 1 – Estrutura Atômica do Gás SF6

O SF6 puro é não venenoso, não havendo perigo na sua inalação até em mistura de 20% de oxigênio e 80% de

SF6 (com uma menor fração de oxigênio pode causar asfixia). É, aproximadamente, seis vezes mais pesado que o ar.

À pressão atmosférica normal, o

SF6 tem uma constante dielétrica 2,5 vezes maior que a do ar. Normalmente o gás é usado a uma pressão de valor equivalente a 5 vezes a pressão atmosférica. Nesta pressão, a sua capacidade dielétrica é dez vezes maior que a do ar. A extinção do arco pelo SF6 ocorre devido à sua forte eletronegatividade. Isso significa que as moléculas do gás capturam elétrons livres e geram íons negativos pesados que não se movem rapidamente.

Aplicações do SF6 em Equipamentos Elétricos

O SF6 é usado como um gás isolante em subestações, como um isolador e meio refrescante em transformadores e como um isolador e extintor de arco elétrico em disjuntores para aplicações de alta e média tensão. Estes são sistemas fechados que estão extremamente seguros e livres de improváveis fugas.

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.

O processo de formação de um arco elétrico durante a interrupção de energia elétrica se dá seguinte forma: a) Circuito fechado, circulação normal de corrente. A pressão dos eletrodos reduz acentuadamente a resistência de contato.

Figura 2 – Circuito Fechado 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.

Figura 3 – Momento da separação 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.

Figura 4 – Momento logo após a separação dos eletrodos 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 6).

Figura 5 – Arco Elétrico

Figura 6 – Eletrodos após o Arco Elétrico

DISJUNTORES A SF6

O hexafluoreto de enxofre, SF6, foi sintetizado pela primeira vez em 1904 e somente em 1930 esse gás encontrou aplicação como meio isolante em transformadores. Foi no final da década de 1940 que teve início o desenvolvimento de disjuntores e chaves de abertura em carga utilizando o SF6 como dielétrico após intensivas pesquisas onde ficou comprovado que o mesmo possui propriedades físicas e químicas que o torna excelente meio isolante e extintor.

No momento, os disjuntores mais utilizados em extra-alta tensão são os que possuem o ar comprimido e o SF6 como meio de extinção. Esta posição de liderança se deve principalmente à sua rapidez de atuação (dois ciclos) e à alta capacidade de recuperação dielétrica do meio de extinção. Os disjuntores a SF6 estão tomando posição de destaque nas aplicações nos sistemas de potência devido à experiência operacional bem sucedida. Nas tensões de 138kV, 230kV, 326kV, 550kV e 800kV é onde esses disjuntores encontram as maiores aplicações. É importante enfatizar que a característica de eletronegatividade do SF6 favorece a ocorrência de uma rápida recuperação dielétrica, reduzindo a possibilidade de restabelecimento do arco. Devido a esta característica, disjuntores a SF6 são os mais indicados para abertura de linhas em vazio em alta e extra-alta tensão. Na manobra de bancos de capacitores, onde a característica do disjuntor ter muito baixa probabilidade de restabelecimento é muito importante, esse tipo de disjuntor também tem sido recomendado.

A figura abaixo apresenta uma comparação da tensão suportável do SF6 a 1 bar e 5 bar de pressão com a do ar e do vácuo em função da distância de isolamento. Nesta figura pode-se observar a superioridade do desempenho do SF6 como dielétrico a 5 bar de pressão em relação aos dois outros.

Figura 7 – Característica dielétrica de diferentes isolantes

Os disjuntores de dupla pressão formaram a primeira geração dos disjuntores a SF6. Em virtude de suas dificuldades operacionais e da complexidade mecânica do seu projeto, hoje estão praticamente fora de linha de produção. Este tipo de disjuntor é constituído de dois circuitos de pressão. Um de alta pressão de SF6, aproximadamente 16 bars, geralmente localizado na parte superior do equipamento e outro de baixa pressão, aproximadamente 3 bars. O gás é injetado a alta pressão, através de válvulas, do reservatório intermediário de pressão para os locais de contato extinguindo o arco, o que é feito em sincronismo com a abertura destes contatos pelo mecanismo de transmissão. O gás, agora localizado no lado de baixa pressão, é bombeado para o lado de alta pressão através de um compressor. Devido às suas características construtivas, este tipo de disjuntor possui uma alta potência de interrupção.

Os disjuntores de pressão única constituem uma simplificação dos disjuntores de dupla pressão e foram desenvolvidos em fins da década de 60. Nesta concepção, o gás fica confinado em um sistema fechado com pressão única variando entre 6 e 8 bar, a depender dos requisitos de abertura especificados.

Nos disjuntores tipo puffer – autocompressão, quando os contatos começam a abrir, o pistão provoca, por causa do movimento de abertura, uma ligeira compressão de SF6 dentro da câmara de compressão. O arco se forma entre os contatos. O pistão continua seu curso. Uma pequena quantidade de gás, canalizado pelo duto isolante, é injetado sobre o arco. A distância entre os dois contatos de arco desvia-se então o suficiente para que na passagem de corrente pelo zero esta seja interrompida de modo definitivo em função das qualidades dielétricas do gás.

As partes móveis terminam seu curso enquanto que a injeção de gás frio continua até o momento da abertura completa dos contatos. A figura 8 ilustra o princípio de funcionamento desse disjuntor.

Figura 8 – Princípio de funcionamento do disjuntor puffer - autocompressão

Fazendo uma comparação de desempenho do resfriamento do arco elétrico de disjuntores que utilizam outro meio de resfriamento e os disjuntores SF6, observa-se que em disjuntores comuns (a gás ou a óleo) utilizam-se meios para resfriar o arco elétrico. Com este processo, o arco elétrico tem sua energia retirada, a fim de evitar o estabelecimento da tensão após a passagem da corrente pelo zero.

Nesse procedimento, o arco elétrico, devido à alta temperatura, altera o meio de extinção a cada nova manobra. Em disjuntores a SF6, o gás decomposto pode reagir com as partes internas dos terminais de chaveamento. Deve-se tomar cuidado para que o vapor d’água não chegue ao interior do pólo do disjuntor, pois a combinação de materiais do pólo, vapor d’água e SF6 em decomposição possibilita a formação de ligações corrosivas como ácido fluorídrico, que, sob certas circunstâncias, causa alterações prejudiciais das superfícies de contato e de alguns isoladores.

Figura 9 – Partes componentes do disjuntor tipo SF6

Em resumo, a recuperação dielétrica do dissjuntor, durante a interrupção de correntes anormais, principalmente as de natureza capacitiva, tem uma forte dependência com o meio de extinção de arco. Portanto, para garantir o sucesso da abertura de uma linha sem carga, pelo menos dois aspectos deverão estar bem quantificados e conhecidos: a suportabilidade dielétrica do disjuntor e as solicitações impostas pelo sistema a esse equipamento durante o chaveamento. A escolha do tipo de disjuntor mais adequado para essa manobra está ligada ao sistema onde o mesmo é aplicado e aos esforços que devem surgir durante o chaveamento. As variáveis importantes a serem levadas em consideração na escolha deste disjuntor são principalmente o custo e a confiabilidade do sistema.

Se for possível assegurar uma boa performance do equipamento nas manobras as quais o disjuntor está destinado, com um tipo menos dispensoso, porém seguro, este equipamento deve ser escolhido de modo a garantir também a modicidade tarifária para o consumidor final.

Aplicação em barramentos

Uma outra aplicação do SF6 é o isolamento de subestações blindadas que permite consideravel redução da área ocupada a instalação de uma subestação blindada pode ser determinada pela inexistencia de área suficientemente ampla em um centro urbano.

Fotografia aérea da região onde está instalada a SE Centro (SP)

Numa subestação blindada todas as partes energizadas são protegidas por uma blindagem metálica, que conterá os disjuntores, chaves, TC's, TPs, barramentos, etc. As partes energizadas são isoladas da blindagem por isoladores de resina sintética (ou outro material adequado) e SF6 à pressão de cerca de 3 bars. Válvulas especiais permitem detectar escapamento de gás, e possibilitam efetuar manutenção nos equipamentos sem necessidade de remover grandes quantidades de gás.

Barramento da SE Miguel Reale, isolado a gás SF6

[1] D’AJUZ, Ary. Equipamentos Elétricos especificação e aplicação em subestações de alta tensão. Furnas,1985.

[2]http://w.estv.ipv.pt/PaginasPessoai s/lpestana/textos%20de%20alunos%5CS F6.htm

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