FACULDADE PIO DÉCIMO OUTUBRO, 2010

INTRODUÇÃO

Esse trabalho tem por objetivo mostrar o funcionamento e a constituição física dos disjuntores, tais como suas utilidades no campo da engenharia elétrica. O disjuntor é um componente essencial na atualidade e um importante mecanismo de segurança no para as instalações elétricas. Sempre que há uma elevação de corrente abrupta, ou um curto circuito nas instalações, o disjuntor interrompe o circuito até que alguém possa resolver o problema. Sem os disjuntores (ou, como alternativa, os fusíveis), a eletricidade seria impraticável, devido ao perigo potencial de incêndios, danos resultantes de problemas na fiação elétrica ou falhas de equipamento.

DISJUNTOR

Disjuntor é um sistema de segurança de um circuito elétrico, contra sobrecargas elétricas ou curtos-circuitos e tem a função de interromper a passagem de corrente elétrica no circuito, caso a intensidade da corrente ultrapassar a intensidade limite que, normalmente, vem especificada nos próprios disjuntores. Uma boa característica dos disjuntores, é que, além de proteger a corrente, ele também serve como dispositivo de manobra (NBR 5361).

Os disjuntores de interrupção ao ar livre são os mais simples e, historicamente, foram os primeiros equipamentos a serem utilizados. Para atender ao crescimento das potencias de interrupção, e a elevação dos níveis de tensão nos sistemas elétricos, surgiram os disjuntores a óleo mineral isolante.

Na década de 30, os disjuntores a ar comprimido apareceram como a melhor técnica de extinção do arco elétrico de alta tensão, resultando do seu emprego uma melhor segurança, tendo em vista que na época foram registrados muitos acidentes decorrentes da explosão e incêndio de disjuntores a óleo. Em 1953, os EUA construíram o primeiro protótipo do disjuntor a SF6.

Os disjuntores a vácuo foram fabricados nos inicio dos anos 70 com boa aceitação para utilização em media tensão. Atualmente as perspectivas são de utilização de disjuntores a semicondutores, que já estão sendo desenvolvidos em laboratórios.

Os disjuntores devem satisfazer as seguintes condições para um funcionamento ideal:

  • Abrir e fechar um circuito com um menos tempo possível;

  • Conduzir a corrente de carga das linhas;

  • Deve suportar termicamente a corrente de carga do sistema;

  • Suporta térmica e mecanicamente a corrente de curto circuito do sistema por um determinado tempo especificado;

  • Isolar a tensão do sistema, em relação à terra e entre seus pólos, sobre quaisquer condições do meio ambiente (sol, chuva, em atmosferas poluídas, etc);

  • Ter adequada resistência mecânica, não ser afetado por vibrações, ser compacto, requerer pouca manutenção e ser de fácil montagem.

Atualmente existem disponíveis no mercado várias tipos de disjuntores, sendo o que caracteriza cada um deles e sua técnica de extinção do arco elétrico. As principais técnicas são as seguintes:

  • Sopro magnético;

  • Disjuntores a Óleo,;

  • Ar comprimido;

  • SF6

  • Vácuo;

  • Semicondutores.

DISJUNTORES À SOPRO MAGNÉTICO

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 conseqüentemente na sua tensão.

Este aumento na resistência do arco é conseguido através de:

  • Aumento do comprimento do arco;

  • Fragmentação do arco em vários arcos menores, em série, nas várias fendas da câmara de excitação;

  • 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 acionamento. 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.

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.

Figura 1 – Disjuntor a Sopro magnético de baixa tensão

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).

Uma das principais características dos disjuntores a sopro magnético é a grande resistência do arco voltaico. Isto se deve ao fato de que nestes disjuntores o arco queima no ar e é impelido a se alongar consideravelmente, aumentando a sua resistência e conseqüentemente 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 baixa tensão e média tensão até 24 kV, principalmente montados em cubículos. O fato de não possuírem meio extintor inflamável como o óleo, torna-os seguros e aptos para certos tipos de aplicações específicas. O fato de queimarem o arco no ar provoca rápida oxidação nos contactos exigindo uma manutenção mais freqüente. Quando operam produzem grande ruído, o que pode também, em certos casos, limitar o seu uso.

DISJUNTORES A ÓLEO

Nestes equipamentos os dispositivos de interrupção são imersos em óleo isolante. Nestes disjuntores, a extinção do arco se dá através da geração de gases, principalmente hidrogênio, em virtude da decomposição das moléculas de óleo devida às altas temperaturas desenvolvidas na região do arco. O aumento da pressão interna das câmaras de interrupção cria um fluxo de óleo que ira disionar o dielétrico, resfriar e alongar o arco. São utilizados dois tipos de câmaras de extinção nos disjuntores a óleo: câmara de sopro transversal (cross blast) e câmara de sopro axial (axial blast).

Nas câmaras de sopro transversal, os gases formados pelo arco aumentam a pressão em seu interior, sendo obrigados a passar através de aberturas, para alivio desta sobre pressão. O arco é forçado contra as paredes resfriadas da câmara de extinção, sofrendo um alongamento. O arco é extinto quando a corrente, ao passar por zero, não libera mais energia.

Na câmara de sopro axial, a pressão dos gases gerados com o arco provoca o fluxo múltiplo de óleo ao longo de toda a circunferência da câmara, removendo os gases ionizados da região entre os contatos através de aberturas. Neste tipo de câmara, o arco é mantido em uma posição axial na câmara até ser extinto.

Existem duas categorias de disjuntores a óleo: os disjuntores de grande volume de óleo e os de pequeno volume de óleo.

DISJUNTORES A GRANDE VOLUME DE ÓLEO (GVO)

São disjuntores de alta capacidade de interrupção, compostos basicamente de um grande tanque metálico mantido no potencial de terra, cheio de óleo isolante, no qual estão imersos os contatos principais, câmara de extinção e parte do mecanismo de acionamento dos contatos móveis. Os disjuntores de alta tensão possuem unidades individuais por pólo, mecanicamente conectadas pelo mecanismo de acionamento dos contatos moveis responsável pelas operações de fechamento e abertura simultânea por três pólos. Cada pólo é composto por um tanque com duas buchas condensivas de saída na sua parte superior, duas câmaras de interrupção suspensas presas na parte inferior de cada bucha de saída, um elemento móvel, que faz a ligação entre as duas câmaras de interrupção e onde estão montados os contatos moveis, o mecanismo de acionamento dos contatos moveis e, se necessário, transformadores de corrente montados na parte inferior das buchas. Os disjuntores mais recentes utilizam câmaras de sopro axial.

Figura 2 – Disjuntor a Grande Volume de Óleo (GVO)

Do ponto de vista de manutenção, os disjuntores a grande volume de óleo requerem filtragem de óleo com razoável freqüência devido a carbonização do óleo durante as interrupções de corrente.

DISJUNTORES A PEQUENO VOLUME DE OLEO (PVO)

O desenvolvimento das câmaras de interrupção nos disjuntores GVO tornou possível a construção de disjuntores com quantidades bem menores de óleo isolante. As pesquisas dos diversos fabricantes resultaram em avanços que levaram a expressivas reduções nas dimensões e ao melhoramento das características elétricas e de desempenho destes disjuntores.

Um disjuntor PVO de baixa e media tensão (menor ou igual a 36kV) é composto de :

  • Três pólos constituídos de um depósito inferior e um superior, separados por um cilindro isolante no qual é colocada a parte ativa no disjuntor (câmara de interrupção, contatos fixos e moveis etc). Estes pólos são montados numa estrutura comum;

  • Um mecanismo de operação montado na outra face da estrutura e ligado aos pólos através de uma haste isolante;

  • Uma estrutura suporte, na qual pode ser montado um carrinho suporte ou não.

Figura 3 – Parte internas de Disjuntor a Pequeno Volume de Óleo (PVO)

A principal vantagem dos disjuntores PVO sobre os GVO é a sensível redução da quantidade de óleo isolante utilizado. Para disjuntores de mesma classe de tensão e de mesma capacidade de interrupção, um disjuntor PVO necessita cerca de 20% do óleo utilizado num disjuntor GVO. Outro ponto interessante é que o isolamento para a terra não é assegurado pelo óleo isolante das câmaras de interrupção. Este isolamento é feito por isoladores de porcelana cheios ou não de óleo isolante. Os disjuntores PVO são encontrados em todas as classes de tensão e nas mais variadas condições de serviço.

Alem disso, podemos comparar ainda as vantagens e desvantagens dos dois tipos de disjuntores:

TIPO

VANTAGEM

DESVANTAGEM

GVO

  • Grande capacidade de interrupção em curto-circuito

  • Grande volume de óleo;

  • Pouco adaptável para manobrar reatores e capacitores em certas faixas de corrente

  • Risco de incêndio;

  • Manutenção muito dispendiosa

PVO

  • Manutenção simples e prática

  • Maior Confiabilidade

  • Não é muito adaptado ao uso em sistemas de extra-alta tensão;

  • Quando aumenta a tensão, aumenta o numero de pontos de corte por pólo

  • Pouco adaptável para manobrar reatores e capacitores em certas faixas de corrente

DISJUNTORES A AR COMPRIMIDO

Os disjuntores a ar comprimido utilizam o ar comprimido como meio de extinção do arco elétrico e na maioria das vezes, para isolamento e acionamento dos contatos moveis.

Há dois tipos de câmaras de extinção utilizadas nos disjuntores a ar comprimido: as câmaras de sopro axial numa única direção e as de sopro axial em duas direções.

Nos disjuntores modernos, as câmaras de interrupção estão total e permanentemente pressurizadas. O sopro de ar inicia-se pela abertura das válvulas de sopro para a atmosfera, provocando o fluxo do ar comprimido no interior das câmaras. O fluxo de ar na região entre os contatos resfria e alonga o arco. Nos disjuntores de sopro numa única direção, o fluxo de ar comprimido para a atmosfera se da através do contato móvel.

Nos disjuntores de sopro em duas direções, uma válvula de sopro principal e uma auxiliar são abertas para a atmosfera, dando origem a um fluxo de ar através dos contatos moveis e fixo.

As boas características dielétricas do ar comprimido, e a possibilidade de aproveitamento de outras características que favorecem a interrupção dos disjuntores a ar comprimido (velocidade, intensidade do sopro) tornam estes disjuntores adequados a grande capacidade de interrupção.

Figura 4 – Disjuntor a Ar Comprimido em formação “T”

Os pólos dos disjuntores a ar comprimido são individuais e de construção modular. A combinação de idênticas unidades de câmara de interrupção permite sua utilização em diferentes classes de tensão, com diferentes capacidades de interrupção, com base no principio de múltipla interrupção com controle de distribuição da tensão, nas varias câmaras de interrupção do pólo. Este arranjo depende do numero de cabeças de interrupção suportadas por uma coluna isolante: formação “T”, no caso da coluna isolante suportar uma cabeça de interrupção com duas câmaras de extinção; ou formação “Y”, no caso da coluna isolante suportar duas cabeças de interrupção com duas câmaras de extinção, cada uma delas.

Algumas vantagens da construção modular;

      • Menor número de isoladores de porcelana, uma vez que uma coluna suporta duas ou quatro câmaras de extinção;

      • Peças sobressalentes idênticas para todos os disjuntores;

      • Facilidade de montagem;

      • Possibilidade de modificações para aumento da capacidade de interrupção ou da corrente nominal.

Os disjuntores a ar comprimido exigem uma supervisão permanente da pressão no interior do disjuntor, para assegurar que os mesmos só operem com segurança. Uma eventual queda de pressão nominal acionará chaves de pressão (pressostatos) de supervisão conectadas ao circuito pneumático do disjuntor, que acionarão os bloqueios, alarmes e comandos inerentes a esses pressostatos (acionamento da eletroválvula de reenchimento, bloqueio de abertura, abertura automática, bloqueio de fechamento, abertura dos seccionadores isoladores, fechamento automático de emergência). Um disjuntor somente poderá fechar, caso possa abrir imediatamente após a operação de fechamento, estando assegurada sua capacidade nominal de interrupção.

Outro ponto a se considerar é a grande capacidade de permanência de um valor mínimo de pressão de ar comprimido, com rigidez dielétrica suficiente para impedir reaparecimento do arco elétrico, mesmo em caso de ocorrência de um acidente grave, onde não seja mais possível impedir a queda da pressão interna do disjuntor e conseqüentemente, o vazamento do ar comprimido.

O suprimento de ar comprimido para o disjuntor deve proporcionar um desempenho confiável durante toda sua vida. O ar deve ser altamente seco e sem contaminação. Uma armazenagem individual deve garantir a realização do ciclo de operações que foi especificado.

DISJUNTORES A SF6

O SF6 é um gás incolor, inodoro e não combustível. Em condições normais, é quimicamente estável e inerte. No seu estado puro, é absolutamente não tóxico e não causa corrosão. As principais razões que determinam sua utilização em equipamentos de alta tensão são:

      • Ser um excelente meio isolante;

      • Possuir características favoráveis a interrupção da corrente elétrica.

A molécula do gás SF6 tem uma estrutura simétrica, sendo, por isso, muito estável. A distribuição do potencial interno e as propriedades de absorção de energia resultam da natureza eletronegativa da molécula de SF6 que capta os elétrons livres e retarda o fenômeno de avalanche que inicia a disrupção.

A rigidez dielétrica do SF6 é cerca de 2,5 vezes a do ar a 1 atm de pressão e em um campo elétrico homogêneo. Essa relação aumenta com o aumento da pressão. A grande capacidade de transferência de calor e a baixa temperatura de ionização dão ao SF6 excelentes propriedades para extinção de arcos elétricos. Comparados com o ar, possui uma eficiência para suprimir arcos cerca de 10 vezes maior. O tempo em que um arco é extinto no SF6 é 100 vezes menor que no ar, sob condições similares.

Apresenta ainda as características de ser auto-regenerável e de não formar depósitos de material condutor, após a extinção do arco.

O SF6 é um gás extremamente estável em temperaturas normais. Nas temperaturas superiores a 1500K, tais como as geradas por arco nas interrupções de correntes ou de descargas parciais, ele se dissocia rapidamente, formando fluoretos de enxofre, tais como SF5, SF4 etc, e flúor livre. A estabilidade do SF6 pode ser perturbada quando a quantidade de umidade no gás estiver acima de determinado nível. O decréscimo da tensão suportável ao longo da superfície dos materiais isolantes no gás, e a formação de produtos que atacam os materiais usados nos disjuntores, são fenômenos que devem ser considerados.

As excelentes qualidades de isolamento e de extinção do arco do SF6 permitiram um significativo avanço na construção de disjuntores. Os dois tipos de disjuntores a SF6 são extremamente simples. São eles: disjuntores de dupla pressão e disjuntores de única pressão ou puffer type. Ambos são selados para a atmosfera, a fim de evitar a perda do SF6.

DISJUNTORES DE DUPLA PRESSÃO

São caracterizados por sua alta potencia de ruptura e curto tempo de interrupção. Seu projeto é mecanicamente complexo, por possuir mais peças moveis que os disjuntores de simples pressão. Possui um compressor de gás responsável pela manutenção de um volume de gás SF6 a alta pressão, armazenando num reservatório interno ao disjuntor. Numa interrupção, no instante em que os contatos separam-se e há a formação do arco, o gás do reservatório de alta pressão é soprado, durante determinado tempo, diretamente na região entre contatos, no sistema de baixa pressão. Após cessar o fluxo de gás, a pressão do sistema de alta pressão é reposta pela transferência do gás do sistema de baixa para o sistema de alta pressão, através do compressor de gás. Estes disjuntores também possuem resistores de aquecimento em seus reservatórios de alta pressão, a fim de se reduzir riscos de liquefação do SF6 em baixas temperaturas ambientes.

Figura 5 – Disjuntor SF6 de Dupla Pressão

DISJUNTORES DE ÚNICA PRESSÃO

Possuem um projeto mais recente e, por terem apenas uma pressão, dispensam a utilização do compressor de gás. A pressão requerida para o sopro, e conseqüentemente extinção do arco, é produzida durante a operação de abertura do disjuntor por meio de um pistão solidário a haste de contato móvel que, ao movimentar-se, comprime o gás dentro de uma câmara. Outra vantagem é que, utilizando-se o gás a um baixo valor de pressão, torna-se possível utilizar os disjuntores a SF6 em temperaturas ambientes de até -20°C sem ser necessário um sistema auxiliar para aquecimento do gás. Alem destas características, a disjuntores a simples pressão apresenta:

      • Alta capacidade de interrupção com mecanismo de operação de relativa baixa energia;

      • Curto tempo de interrupção (2 a 3 ciclos);

      • Interrupção de corrente capacitiva sem reacendimento do arco, devido às propriedades de extinção do SF6;

As características elétricas dos disjuntores a SF6 dependem da densidade do SF6, isto é, da quantidade de moléculas de gás existente num determinado volume. Com temperatura e volume constantes, um acréscimo de densidade significa um aumento de pressão do gás. Num compartimento, desde que a densidade seja mantida constante, a pressão varia de acordo com a variação da temperatura ambiente. Essa variação de pressão, contudo, não implica em alteração nas características elétricas do gás, já que não houve acréscimo ou decréscimo da quantidade de gás. Sendo difícil monitorar-se diretamente a densidade do gás, este controle é feito por chaves de pressão em que as variações de temperatura são automaticamente compensadas. Estas chaves de pressão são conhecidas por monitores de densidade de gás.

Os disjuntores a SF6 deste tipo têm como característica requerer menor freqüência de manutenção do que os disjuntores a óleo e a ar comprimido.

DISJUNTORES A VÁCUO

A técnica de interrupção da corrente no vácuo consiste na separação de um contato móvel de um contato fixo, dentro de um recipiente com vácuo da ordem de 0,00001 Torr (0,01133N/m2). O objetivo do processo de interrupção é como nos demais tipos de disjuntores, extinguir o arco na passagem da corrente por zero. O arco será extinto se a energia do sistema for menor que a dissipada no processo de desionização, e assim permanecerá se o estabelecimento da suportabilidade dielétrica entre os contatos for suficientemente rápido para suportar a tensão de restabelecimento transitória. Nos disjuntores a vácuo a ionização do dielétrico é caracterizada por um vapor metálico proveniente dos contatos. A eficiência do processo de interrupção é determinada pela rapidez da condensação deste vapor metálico nas superfícies dos contatos e barreiras de proteção.

Os disjuntores a vácuo são constituídos por um corpo cilíndrico isolante, normalmente cerâmico, onde num dos lados, é montado um fole de expansão responsável pela estanqueidade do vácuo da parte interna das câmaras para o ambiente.

Figura 6 – Disjuntor a Vacuo

Como vantagem, os DV apresentam curto tempo de arco para qualquer capacidade de interrupção, são capazes de executar rápidos religamentos, não apresentam qualquer risco de incêndio e sofrem um mínimo desgaste dos contatos principais. ;e possível associar-se varias câmaras de interrupção em serie, para utilização em maiores classes de tensão tal como se faz com os disjuntores a pequeno volume de óleo a SF6 e a ar comprimido. Possuem como característica uma longa vida útil, com uma mínima necessidade de manutenção.

DISJUNTORES A SEMICONDUTORES

O panorama das técnicas de interrupção da corrente elétrica não estaria completo, caso não fosse mencionada a utilização dos semicondutores, a única alternativa tecnicamente viável a se contrapor aos atuais processos de interrupção do arco elétrico.

A técnica de interrupção a semicondutores permite desempenhos próximos daqueles teoricamente atribuídos ao disjuntor ideal, muito mais que os das outras técnicas de interrupção do arco elétrico, isto ocorre principalmente pela ausência de manifestações externas.

A resistência dos semicondutores tem como característica passar rapidamente de um valor muito baixo, para um valor considerável, quando a corrente elétrica passa pelo valor zero, como acontece no arco elétrico. Porem, neste caso, o fenômeno ocorre em temperatura ambiente.

Infelizmente os semicondutores possuem, por sua natureza, uma inércia térmica extremamente baixa, o que caracteriza sua conhecida incapacidade de suportar grandes sobrecargas, n=mesmo durante curtos intervalos de tempo.

Apesar do fato dos semicondutores se encontrarem melhor situados na escala de energia requerida para interrupção, um pouco acima de um utópico disjuntor ideal (energia de interrupção igual a zero), os disjuntores a semicondutores não apresentam uma correspondente redução de custo, não sendo, no momento, economicamente utilizáveis em substituição às atuais técnicas de interrupção do arco elétrico.

Entretanto, o desenvolvimento de dispositivos de sincronização suficientemente precisos poderá torná-los competitivos, ao permitir reduzir as solicitações térmicas a que são submetidos.

Devemos também considerar outras vantagens significativas do emprego de semicondutores na técnica de interrupção de correntes, tais como:

      • Obtenção de condições ideais de interrupção, sem provocar sobretensões de manobras;

      • Ausência de desgastes e manutenção (de contatos, de partes mecânicas);

      • Possibilidade de determinar previamente o desempenho dos equipamentos.

São significativas as vantagens que as técnicas de interrupção por elemento estático poderá trazer aos futuros disjuntores, sendo possível garantir, sem grande risco de erro, que os disjuntores a semicondutores serão comumente empregados num futuro próximo.

CONCLUSÃO

Por meio da pesquisa realizada sobre disjuntores, concluiu-se que setor de engenharia elétrica vem desenvolvendo várias técnicas para melhorar o desempenho destes equipamentos elétricos, buscando obter dispositivos que atendam os requisitos de segurança e rapidez na de interrupção dos circuitos no momento de um arco elétrico devido aos curtos circuitos. Vale destacar também que busca-se obter também equipamentos que necessitem o mínimo possível de manutenção e que com peças relativamente baratas.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

      • Mamede, João. Instalações elétricas industriais, 6ed., LTC, Rio de Janeiro, RJ, 2002

      • Carvalho, Antonio Carlos Cavalcanti de [et al]. Chaves e Disjuntores, EDUFF, Niteroi, RJ, 1995

Página 1

Comentários