Principais tipos de Disjuntores

Principais tipos de Disjuntores

(Parte 1 de 2)

Principais tipos de Disjuntores

Disjuntores a sopro magnético

Principio da extinção 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 consequentemente na sua tensão. Este aumento na resistência do arco é conseguido através de: a) Aumento do comprimento do arco; b) Fragmentação do arco em vários arcos menores, em série, nas várias fendas da câmara de excitação; c) 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 accionamento. 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.

Detalhes construtivos 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. 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). A figura seguinte, ilustra uma câmara de extinção de um disjuntor de sopro magnético com o circuito magnético dentro da própria câmara.

O arco, entre os contactos principais, é impelido por efeitos térmicos e magnéticos na direcção da câmara, guiado pelas placas cerâmicas (1). Ao atingir as pré – câmaras de extinção (8) ele insere a bobina geradora de campo magnético no circuito (7). Com o campo produzido por esta bobina o arco é dividido em dois e impelido para dentro das paredes múltiplas (1) da câmara, resfriando-se e extinguindo-se em subsequente passagem pelo zero. Por outro lado, a figura seguinte mostra um tipo de câmara onde o início do impulso sobre o arco é dado apenas por um sopro pneumático.

O arco passa dos contactos principais (a) para os auxiliares (b) através do sopro pneumático e destes para as inserções metálicas das placas (c). Neste ponto o arco é dividido em vários arcos em série que, então, são impelidos por efeito térmico a magnético para dentro das câmaras (d) e € alongando-se, resfriando-se e se extinguindo na subsequente passagem pelo zero. Este tipo de disjuntor também pode ser provido de bobinas de campo magnético, adicionalmente ao sopro pneumático.

Características e aplicações Uma das principais características dos disjuntores a sopro magnético é a grande resistência do arco voltaico. Isto deve-se ao facto de que nestes disjuntores o arco queima no ar e é impelido a se alongar consideravelmente, aumentando a sua resistência e consequentemente 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 média tensão até 24kV, principalmente montados em cubículos. O facto de não possuírem meio extintor inflamável como o óleo, torna-os seguros e aptos para certos tipos de aplicações específicas. O facto de queimarem o arco no ar, provoca rápida oxidação nos contactos exigindo uma manutenção mais frequente.

Quando operam produzem grande ruído, o que pode também, em certos casos, limitar o seu uso. A figura seguinte mostra uma vista completa de um disjuntor a sopro magnético.

Disjuntor a óleo

O óleo mineral com suas destacadas características de isolante e extintor, foi usado desde os primeiros tempos na fabricação de disjuntores. Nos disjuntores de óleo pode-se distinguir dois efeitos principais de extinção do arco voltaico: o efeito de hidrogénio e o efeito de fluxo liquido. O primeiro consiste no facto de que a altíssima temperatura o arco voltaico, decompõe o óleo, liberando de tal modo vários gases onde o hidrogénio predomina, a ponto de se poder dizer que o arco queima numa atmosfera de hidrogénio. Como este gás tem uma condutividade térmica bastante elevada comparado ao nitrogénio, por exemplo, a retirada de calor das vizinhanças do arco processa-se de maneira eficiente, resfriando o mesmo. O segundo efeito consiste em jogar óleo mais frio sobre o arco dando continuidade ao processo de evaporação aludido, de maneira que grandes quantidades de calor possam ser retiradas pelos gases resultantes. Este fluxo de óleo jogado sobre o arco pode ser produzido pelo mesmo (dependente da corrente) ou por dispositivos mecânicos adicionais como pistões, êmbolos, etc.… (geralmente, usam-se os dois processos simultaneamente).

Disjuntores a grande volume de óleo (GVO) Este é o tipo mais antigo de disjuntores a óleo. No passado consistia apenas de um recipiente metálico com os contactos simplesmente imersos no óleo sem nenhuma câmara de extinção. Hoje, os disjuntores GVO possuem câmaras de extinção onde se força o fluxo de óleo sobre o arco Os disjuntores GVO são usados em média e alta tensão até 230kV. A característica principal dos disjuntores GVO é a sua grande capacidade de ruptura em curto – circuito.

Disjuntores a pequeno volume de óleo (PVO) Estes disjuntores representam o desenvolvimento natural dos antigos disjuntores GVO, na medida em que se procura projectar uma câmara de extinção com fluxo forçado de óleo sobre o arco aumentando-se a eficiência do processo de interrupção da corrente e diminuindo-se drasticamente o volume de óleo no disjuntor. As figuras seguintes mostram um disjuntor PVO para média tensão e uma vista em corte da sua câmara interruptora:

A seguir é apresentada esquematicamente a sequência de extinção, na câmara de interrupção, de pequenas e grandes correntes neste tipo de disjuntor:

A figura a) mostra o disjuntor na posição “ligado”. A figura b) mostra a interrupção de pequenas correntes com o fluxo de óleo independente da corrente. Este fluxo de óleo é obtido pelo movimento descendente da haste do contacto móvel (2) durante a operação de abertura. O óleo contido na carcaça inferior é forçado para cima, através da haste oca do contacto móvel (2), agindo imediatamente sobre a base do arco, localizado na ponta do contacto móvel. Para a interrupção de correntes mais elevadas é utilizado, adicionalmente, um fluxo de óleo gerado pela própria corrente de arco, c). Assim que a base do arco, localizada imediatamente abaixo da ponta de material isolante do contrato móvel ultrapassar o furo da base da câmara (6), forma-se, no compartimento inferior da câmara de excitação (7), uma bolha de gás, que só pode expandir-se para baixo. Essa bolha comprime o óleo através do canal anelar (4) formado pelo espaçamento entre a tampa da câmara (5) e a base da câmara (6). Os gases formados no compartimento superior envolvem o contacto fixo no cabeçote do pólo. O volume de ar no interior da carcaça superior, destina-se a equalizar o aumento o aumento da pressão do óleo resultante da operação de extinção. O vapor de óleo recondensa, depositando-se sobre o óleo, e os gases escapam lentamente pelas válvulas de expansão. O fluxo de óleo que atravessa o canal anelar actua na fase decisiva do deslocamento do contacto móvel, depois de alcançada a distância mínima de extinção. Com isso, o fluxo é orientado de forma tal que atinja o arco por todos os lados com um possante jato radial, sem provocar o seu alongamento. Este tipo de câmara é classificado como câmara axial, pois o arco recebe o fluxo transversal de óleo ao longo de toda a circunferência da câmara, sendo extinto sem abandonar a posição axial da câmara, como se pode ver em b) e c).

Outro tipo de câmara é a chamada câmara de jacto ou sopro transversal. Neste tipo de câmara, o óleo é também injectado transversalmente sobre o arco e este é forçado a sair por aberturas laterais abandonando, assim, a posição axial. Isto é mostrado esquematicamente a seguir:

Os disjuntores PVO cobrem em média tensão, praticamente, toda a gama de capacidades de ruptura de 63kA. No nível de 138kV a sua capacidade de ruptura por câmara está limitada a um máximo de 20kA, o que equivale a dizer que para maiores correntes de curto – circuito, (31,5; 40 e 50kA), que são comuns nesta tensão, deve-se empregar varias câmaras em série com o uso obrigatório de capacitores de equalização e accionamento mais possante com consequente aumento do uso e complexidade do equipamento. O desempenho deste tipo de disjuntor para correntes capacitivas em bancos de capacitores e linhas em vazio, objectivando uma operação “livre de reacendimento”, está também limitado a uma tensão máxima de 60 a 65kV por câmara. É necessário, portanto, dependendo das características do disjuntor e do circuito a ser chaveado, ter à disposição várias câmaras em série.

Disjuntores a vácuo

As propriedades do vácuo como meio isolante são, de há muito tempo, conhecidas e as primeiras tentativas de se obter a interrupção de uma corrente alternada em câmara de vácuo datam de 1926, quando foi interrompida com sucesso uma corrente de 900A em 40kV. No entanto, as dificuldades técnicas da época referentes à técnica de vácuo, disponibilidade de materiais e métodos de fabricação, que garantissem uma câmara com vácuo adequado, isenta de impurezas e vazamentos, fez com que a introdução destes disjuntores fosse postergada para ínicios da década de 60, sendo que a sua produção em grandes volumes para média tensão começou realmente no inicio dos anos 70.

O arco voltaico a vácuo Esta expressão, a principio, pode parecer contraditória, pois a existência de um arco voltaico pressupõe a existência iões positivos e electrões que, por assim dizer, lhe sirvam de veículo; e no vácuo não existe, em principio, a possibilidade de se encontrar estas partículas. No caso dos disjuntores a vácuo, os iões positivos e electrões são fornecidos pela nuvem de partículas metálicas provenientes da evaporação dos contactos formando o substrato para o arco voltaico. Após a interrupção de corrente, estas partículas depositam-se rapidamente na superfície dos contactos recuperando, assim, a rigidez dieléctrica entre os mesmos. Esta recuperação da rigidez dieléctrica é muito rápida nos disjuntores a vácuo, o que permite altas capacidades de ruptura em câmaras relativamente pequenas. O arco voltaico no vácuo, pode ser de dois tipos: difuso ou contraído.

O arco difuso Quando se interrompem pequenas correntes, até aproximadamente 10kA, tem-se a formação do arco difuso, ou seja um arco distribuído por toda a superfície dos contactos. O processo pode ser assim descrito: a superfície dos contactos apesar de lisa, possui uma micro – rugosidade, que é responsável pela formação de últimos pontos de contacto que irão aquecer-se na separação galvânica dos mesmos, devido à alta densidade de corrente (104A/cm a 109A/cm). Formam-se focos de emissão iónica que irão irradiar os iões e electrões, responsáveis pela formação de um pequeno arco voltaico. Em toda a superfície dos contactos temos, da mesma maneira, a formação de inúmeros arcos paralelos, dando origem ao chamado arco difuso. Nota: estes focos de emissão iónica têm uma superfície muito pequena ( 10µm de diâmetro) e regularmente distribuídos por toda a superfície dos contactos, de maneira que o efeito de erosão sobre os mesmos é desprezível. Isto significa, em termos práticos, uma capacidade de perfazer um enorme número de manobras sob cargas sem desgastes dos contactos. Além disso, devido à diminuta dimensão dos focos de emissão iónica, a constante de tempo de resfriamento dos mesmos é extremamente pequena (<1µs). e devido a isto a taxa de redução da emissão de vapor metálico na passagem da corrente pelo zero é bastante elevada e a redeposição do metal sobre os contactos após o zero de corrente é rapidíssima. Como consequência destes factos, a recuperação da rigidez dieléctrica entre os contactos é extremamente rápida, garantindo uma segura extinção do arco voltaico.

O arco contraído A partir de um certo valor de corrente (aproximadamente 10kA) o arco voltaico contraise, tornando-se possível localizar um foco de emissão iónica sobre os contactos de alguns milímetros de diâmetro. A transição do arco difuso para o arco contraído é provocada pelo aumento do campo magnético dos vários arcos paralelos com o aumento de corrente, cujas forças de atracção começam a superar as forças termodinâmicas do plasma que sustentavam estes arcos. Com isto, os focos de emissão iónica vão deslocando-se e juntam-se, formando um foco único e contraindo o arco. A acção deste foco sobre os contactos seria prejudicial, em termos de extinção, pois, um foco destas dimensões, fixo sobre os contactos, possui uma constante de tempo de resfriamento muito grande (de alguns milissegundos) devido à grande quantidade de vapor emitido e, portanto, uma redeposição muitíssimo mais lenta das partículas metálicas sobre os contactos, após o zero de corrente, com consequente redução da capacidade de ruptura até valores inadmissíveis. A fim de se evitar essa acção prejudicial do arco contraído, usa-se o efeito do campo magnético gerado pelo próprio arco, a fim de faze-lo percorrer todo o contacto, actuando, assim, sempre sobre a camada de metal frio. Com isto, elimina-se o efeito da erosão sobre os contactos e evita-se a formação de uma coluna de plasma estável, difícil de extinguir-se. Para obter este efeito, é comum efectuar o corte da base dos contactos em ângulos pré – determinados, como se mostra a seguir:

Características/Aplicações do Disjuntor a vácuo

• Grande segurança de operação, pois não necessitam de suprimento de gases ou líquidos e não emite chamas ou gases;

• Praticamente não requerem manutenção, possuindo uma vida extremamente longa em termos de números de operações a plena carga e em curto – circuito;

• A relação capacidade de ruptura/volume é bastante grande, tornando estes disjuntores bem apropriados para o uso em cubículos;

• Devido à ausência de meio extintor gasoso ou líquido, podem fazer religamentos automáticos múltiplos

A figura que se segue mostra uma câmara de interrupção de um disjuntor a vácuo:

Uma comparação entre a vida útil dos contactos de um disjuntor PVO e um disjuntor a vácuo pode ser feita através das seguintes figuras:

Contacto de um disjuntor a vácuo Deslocamento do arco contraído Arco difuso – intensidade de corrente 2kA Arco cortado – intensidade de corrente 20kA

Na figura a) vemos a curva característica de um disjuntor PVO, onde se tem o número de manobras n em função da corrente interrompida Ia em kA. Na figura b) ilustra a curva característica de um disjuntor a vácuo. Ambos os disjuntores com os mesmos

(Parte 1 de 2)

Comentários