Parte 1 - teoria - final - Abraman · TEORIA DISPOSITIVOS DE MANOBRA - TEORIA - PARTE 1 teoria prefácio Os sistemas elétricos de potência e distribuição, estão sujeitos a sofrer

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DISPOSITIVOS DE MANOBRA - TEORIA - PARTE 1

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Os sistemas elétricos de potência e distribuição, estãosujeitos a sofrer falhas, que podem dar origem acorrentes elétricas de elevada intensidade as quais, porsua vez, podem danificar condutores de linhas elétricas,avariar e mesmo destruir máquinas e outrosequipamentos da área afetada pela falha, caso ela nãoseja isolada a tempo.

A proteção contra sobrecorrente de sistemas elétricosindustriais repousa sobre aparelhos como:transformador de corrente, relé de proteção, disjuntor ebanco de baterias, além dos condutores de interligação.Se um destes componentes falhar, o sistema deproteção torna-se inoperante.

A sua manutenção em condições confiáveis é, portanto,da maior importância. Destruição de equipamentos desubestações e usinas elétricas com elevados prejuízostem ocorrido, muitas vezes, por não terem sidoobservadas as recomendações de manutenção.

Neste momento estaremos focalizando nossa atençãopara os seguintes equipamentos: disjuntores, contatorese seccionadoras.

No desenvolvimento desta apostila, foram reunidasinformações e sugestões, que poderão ser aproveitadaspara a elaboração de recomendações e programas demanutenção de equipamentos de uso em subestaçõeselétricas.Elas refletem a experiência vivida por profissionais etécnicos da W-Service em trabalhos de manutençãodesses aparelhos, contêm dados de trabalhos depesquisadores, informações obtidas em seminários,bibliografia e conversas informais.

Noções sobre a interrupção da corrente elétrica, einformações relacionadas com a tecnologia aplicada eretrofit (modernização), tomando-se como referênciaaparelhos empregados em instalações de empresas emgeral, foram incluídas no texto, com a finalidade não sóde relembrá-las, mas, também, porque o seuconhecimento é de grande impor tância para oentendimento do funcionamento dos equipamentos.

Parte 1 - teoria - final.pmd 11/12/2006, 10:051

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Parte 1 - Teoria

O arco elétricoO processo de interrupçãoDesionizaçãoFormação e extinção do arco elétrico no óleo mineral isolanteFormação e extinção do arco elétrico no ar atmosféricoFormação e extinção do arco elétrico no gás SF6

Formação e extinção do arco elétrico no vácuo

Parte 2 - Disjuntores

Classificação dos disjuntoresTensão NominalTipo de execuçãoMecanismo de operação

Mecanismo de operação com fechamento e abertura a molasMecanismo de operação com fechamento a ar comprimido e abertura a molasMecanismo de operação com fechamento a bobina solenóide e abertura a molas

AcessóriosPrincipios de extinção do arco e detalhes construtivos

Disjuntor a secoDisjuntor a óleo mineral isolanteDisjuntor a sopro magnéticoDisjuntor a gás hexafluoreto de enxofre - SF6

Disjuntor a vácuoAplicações - Benefícios - Comparativo

Disjuntores a secoDisjuntores a óleo mineral isolanteDisjuntores a sopro magnéticoDisjuntores a vácuoDisjuntores a gás hexafluoreto de enxofre - SF6

Utilizando seu equipamentoInspeções e manutenções

Inspeção - ConceitoManutenção - ConceitoPeriodicidade dos intervalos de inspeção e manutenção - ConceitoTrabalhando com segurançaIdentificando o disjuntorInspeçãoRegistro das anormalidades encontradasManutençãoEquipamento alvoFalta de manutençãoManutenção preditivaManutenção preventivaManutenção corretiva

EnsaiosResistência ôhmica dos contatosResistência ôhmica da isolação dos contatosResistência ôhmica da isolação do circuito de acionamentoTempo de fechamento e abertura dos contatosSimultaneidade dos contatosTensão aplicadaTestes operacionaisFator de potência do isolamentoExemplo de relatório de inspeção e ensaios

RetrofitSistemas de proteção

DiretoIndiretoRetrofit da proteção

Transporte e armazenagem

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Parte 3 - Contatores de Média Tensão

Classificação dos contatores de MT (Média Tensão)Mecanismo de operação

Mecanismo com retenção mecânicaMecanismo sem retenção mecânica

Tipo de execuçãoPrincípios de extinção do arco e detalhes construtivos

Contator a secoContator a sopro magnéticoContator a gás hexafluoreto de enxofre - SF6

Contator a vácuoAplicações - Benefícios - ComparativoUtilizando seu equipamentoInspeções e manutenções

Inspeção - ConceitoManutenção - ConceitoPeriodicidade dos intervalos de inspeção e manutenção - ConceitoTrabalhando com segurançaIdentificando o contatorInspeçãoRegistro das anormalidades encontradasManutençãoEquipamento alvoFalta de manutençãoManutenção preditivaManutenção preventivaManutenção corretiva

EnsaiosResistência ôhmica dos contatosResistência ôhmica da isolação dos contatosResistência ôhmica da isolação do circuito de acionamentoTestes operacionaisExemplo de relatório de inspeção e ensaios

RetrofitTransporte e armazenagem

Parte 4 - Seccionadoras de Média Tensão

Classificação das seccionadoras de MT (Média Tensão)Características de operação

Mecanismo de operaçãoAplicações - Benefícios - ComparativoUtilizando seu equipamentoInspeções e manutenções

Inspeção - ConceitoManutenção - ConceitoPeriodicidade dos intervalos de inspeção e manutenção - ConceitoTrabalhando com segurançaIdentificando a seccionadoraInspeçãoRegistro das anormalidades encontradasManutençãoEquipamento alvoFalta de manutençãoManutenção preditivaManutenção preventivaManutenção corretiva

EnsaiosResistência ôhmica dos contatosResistência ôhmica da isolação dos contatosExemplo de relatório de inspeção e ensaios

Transporte e armazenagem

Considerações finais

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teoriaO Arco elétrico

Dispositivos de manobra são os principais elementos de segurança bem comoos mais eficientes e complexos aparelhos de manobra em uso nas redes elétricas.

Possuem uma capacidade de fechamento e de ruptura que deve atender a todosos requisitos preestabelecidos de manobra sob todas as condições normais eanormais de operação.

Além dos estados estacionários de fechado (ou ligado) e ou aberto (desligado)definem-se ambos os estados de transição de manobra de fechamento ouligamento e manobra de abertura ou desligamento, manobras essas responsáveispela formação de arco elétrico.

No estado fechado ou ligado o disjuntor deve suportar a corrente nominal dalinha sem que venha a se aquecer além dos limites permissíveis. No estado abertoou desligado a distância de isolamento entre contatos deve suportar a tensão deoperação (diferença de potencial), bem como sobretensões internas, devido asurto de manobras ou descargas atmosféricas.

Quando da manobra de fechamento, o disjuntor de potência deve também, nocaso de um curto-circuito, atingir de maneira correta a sua posição fechada econduzir e suportar a corrente de curto-circuito.

Quando da manobra de abertura, o disjuntor deve atender a todos os casos demanobra possíveis da rede onde está instalado.

Um disjuntor moderno está em condições de interromper a corrente, sob todasestas condições, com um tempo de duração do arco voltaico de 5 a 20ms.Convém lembrar que os disjuntores, freqüentemente permanecem meses e mesesno estado estacionário ligado, conduzindo a corrente nominal sob condiçõesclimáticas das mais variadas.

Após todo esse tempo de inatividade operacional mecânica, devem estar prontopara interromper uma corrente de curto-circuito, sem o menor desvio dasespecificações, pois, qualquer falha de manobra resultaria em incalculáveis danosmateriais e eventualmente, pessoais.

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teoriaO Processo de interrupção

Admitamos os contatos do disjuntor fechados sob pressão e conduzindo a correnteda linha.

A resistência entre eles é resultado, entre outros fatores, da pressão mútua entreambos. Com a diminuição da pressão, aumenta a resistência.No instante da separação dos contatos a pressão é praticamente nula e aresistência é correspondentemente alta.

A corrente deve passar através das minúsculas superfícies de contato formadas

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Circuito fechado. Pontos demínima pressão de contato(A,B) tem maior concentraçãoda corrente.

Pressão do contato se reduz.Estágio de pré-separação.Toda corrente no ponto A.

Os contatos estão separados.Forma-se o arco entre ospontos a serem separados.

A separação entre os contatosaumenta e o arco se alonga.Sopro magnético e convecçãotérmica aumentam ocomprimento do arco.

Um aumento adicional dadistância entre contatos tornao meio ambiente, não condutor.A corrente é interrompida numapróxima passagem pelo zero.

Interrupção de corrente alternada. Representação esquemática.


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pelas últimas irregularidades superficiais a se tocarem, concentrando comodecorrência, enormes quantidades de calor, elevando assim, a temperatura doscontatos.

Estas altas temperaturas concentradas nas peças dos contatos, produzem umatermoemissão de elétrons à partir do contato negativo ou catodo, iniciando-seassim, o processo de ionização, pelo qual irá se formar o arco voltaico econseqüentemente, passagem da corrente nos contatos agora separados.Os elétrons assim emitidos são influenciados pelo campo elétrico atuante nadistância entre os contatos já separados, acelerando-se e ionizando por choquescom moléculas ou átomos do gás.A corrente do arco voltaico é constituida assim, por elétrons que saem do catododirigindo-se para o anodo. No caso de corrente alternada, este processo mudaevidentemente de sentido a cada meia onda.A descarga do arco é iniciada quando a tensão sobre a distância entre os contatose o grau de ionização da mesma, forem suficientemente grandes.

Desionização

A desionização consiste no processo inverso ao da ionização, ou seja, na inversãodo plasma ou gás ionizado para suas condições iniciais, restabelecendo-se, assim,o estado de equilíbrio atômico.

É, portanto, através do processo de desionização, que a distância entre os contatosde um disjuntor é convertida de um meio condutor gasoso de eletricidade em umisolante gasoso, interrompendo, assim, a corrente numa próxima passagem pelozero.

Pode-se dizer que a interrupção de circuitos de corrente alternada significa extinguirum arco instável em um meio onde a taxa de desionização é maior que a taxa deionização. A desionização ao longo da trajetória do arco, aumenta a cada meiociclo de corrente até que seu grau atinja um determinado estágio em que o arcopossa ser extinto na próxima passagem da corrente pelo zero.

O meio mais eficaz de desionização da zona do arco num disjuntor é a substituiçãodo gás ionizado por novas quantidades de gás desionizado, geralmente atravésde um sopro produzido por um dispositivo adequado. Enquanto a ionização ou ograu de concentração de íons não é uniforme, as cargas elétricas tendem a fluirdas regiões de alta para as regiões de baixa concentração de íons.

Este efeito de difusão pode resultar numa rápida desionização da zona do arco,quando o gás nesta zona estiver em estado de agitação. A temperatura é outro


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fator importantíssimo para a desionização, pois, a temperatura de um gás éinversamente proporcional ao quadrado de sua velocidade molecular.

Nas temperaturas do arco, as velocidades moleculares são tão altas, que oschoques entre as moléculas e entre os átomos ocasionam a sua decomposiçãoem íons e elétrons, processo este chamado de ionização por choque.

De uma maneira inversa, o resfriamento contribui para a desionização da zona doarco. Note-se que, quando injetamos gás desionizado sobre o arco num disjuntor,usamos na realidade, automaticamente, os processos acima descritos, ou seja,aumentamos a turbulência e diminuimos a temperatura.

Formação e extinção do arco elétrico no óleo mineral isolante

Durante o processo de abertura do disjuntor a óleo, o contato móvel se desloca ehá a diminuição progressiva da superfície de contato entre os contatos.

Como consequência haverá um aumento da densidade de corrente nos contatose da sua temperatura, acarretando também, o sobreaquecimento do óleo adjacentecom a formação de vapor de óleo e íons.

No instante da separação dos contatos, ogradiente de potencial que existe entre elesdará origem ao arco elétrico quando atensão for maior do que a rigidez dielétricado óleo que invade o espaço entre contatos.

Devido à elevada temperatura do arco, oóleo se vaporiza e é decomposto, havendoa formação de gases, a liberação deelétrons e a formação de íons.

Os elétrons livres colidirão com moléculasde óleo provocando o aparecimento de maisíons e a liberação de mais elétrons. Oselétrons se movimentam devido aopotencial acelerador existente e o seu fluxoconstitui a chamada corrente do arco.

Como a tensão entre os contatos é de natureza cíclica, na parte ascendente dociclo os elétrons são acelerados e a corrente se intensifica, e na parte descendentedo ciclo, os elétrons são desacelerados e a recombinação dos elétrons com os

Extinção do arco em câmara de disjuntorPVO (Pequeno volume de óleo)


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teoriaíons aumenta. A ionização do espaço entre contatos, é produzida pelo calor epelo potencial elétrico.

Dentre os fatores que contribuem para a desionização daquele espaço, contam-se o resfriamento da bolha de gás que se forma, a remoção do gás ionizado pormeios intencionais adequados ou por turbulência, a recombinação de elétronscom íons e a dispersão de elétrons no óleo.

O óleo mineral isolante é formado, principalmente, por moléculas dehidrocarbonetos, sob a ação do arco elétrico de potência elevada, cuja temperaturapode atingir valores acima de 1.0000C. O óleo se decompõe formando uma misturade gases cuja composição é variável, admitindo-se que a mais provável seja:hidrogênio 70%, acetileno 20 a 24%, metano, etileno e outros gases, 5 a 10%.

O hidrogênio se desioniza rapidamente e as suas propriedades térmicas são muitofavoráveis.

Com a decomposição do óleo, além dos gases, formam-se partículas de carbonoque podem permanecer em suspensão por tempo prolongado ou sedimentar emalguns dias, conforme as características do óleo.

Quanto mais baixa a temperatura do óleo, maior a sua viscosidade e maior será aquantidade de partículas que se formarão.

Portanto, o arco deve ser resfriado, desionizado, alongado e fracionado para que,quando o valor instantâneo da corrente a ser interrompida estiver próximo ao zeronatural, ela possa ser interrompida.

Formação e extinção do arco elétrico no ar atmosférico

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Nos disjuntores a ar, os contatos principaisestão envolvidos pelo ar atmosférico.Quando na operação de abertura, oscontatos se afastam entre si e surge o arcoelétrico, porque a tensão entre eles émaior do que a rigidez dielétrica do ar queocupa o espaço que ficou entre eles.

Devido à ação do arco sobre os átomosdos gases do ar atmosférico, formam-seíons e elétrons livres, isto é, há a suaionização. Extinção do arco no ar atmosférico


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teoriaNo ar comprimido, o processo de desionização, que é a recombinação de elétronse íons, se realiza rapidamente, porque a sua constante de tempo de desionizaçãotem um valor muito baixo.

Portanto, o ar comprimido que é soprado longitudinalmente contra o arco, oferececondições adequadas para extinguí-lo, porque o seu alongamento, o seuresfriamento, a sua desionização e a sua extinção, se realizam rapidamente.

Dessa forma, o disjuntor a ar comprimido consegue interromper correntes de altaintensidade.

Formação e extinção do arco elétrico no gás SF6

O processo de interrupção da corrente elétrica por um disjuntor a hexafluoreto deenxofre - SF

6 - inicia-se com a formação de um arco entre os contatos principais,

assim que tiver início a sua separação.

A elevada temperatura do arco causa a decomposição do gás, havendo a formaçãode SF

2 e SF

4, principalmente e, em pequena quantidade, S

2, F

2, S e F, além de

outras substâncias.

Ao mesmo tempo, há a vaporização do metal dos contatos que reage com partesdos produtos da decomposição do SF

6, formando-se um pó esbranquiçado com

boas propriedades isolantes e que se deposita nas paredes e contatos da câmarade extinção, sendo também, em parte, absorvido pela alumina ativada no interiorda câmara.

Uma parte dos produtos da decomposição do SF6 pode reagir com a água

eventualmente presente, e formar substâncias que são corrosivas para a porcelanae o vidro.

No entanto, grande parte dos produtos da decomposição do SF6, se recombina

em tempo muito curto após a extinção do arco.Devido à ausência de ar no SF

6, a oxidação e a abrasão dos contatos praticamente

não se verifica e, por isso, o seu desgaste é muito pequeno.

Na região bem próxima do eixo do arco, onde a temperatura é muito elevada, acondutibilidade térmica do gás é baixa e a dissipação do calor se fará obedecendoa um gradiente muito acentuado de temperatura.

Como conseqüência, a sua condutibilidade elétrica se torna praticamente

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inexistente, uma vez que o gás SF6, por ser eletronegativo, tem grande facilidade

em absorver elétrons livres.

Por outro lado, em temperaturas baixas, a sua condutibilidade térmica é muitoalta.

Conclui-se que, quando o valor instantâneo da corrente elétrica estiver bem próximado seu zero, o arco fica reduzido a uma fina coluna cilíndrica com elevadatemperatura, ao redor da qual existirá uma massa gasosa não condutora deeletricidade e cuja temperatura é relativamente baixa.Neste ponto, a rigidez dielétrica do gás no espaço entre contatos se recuperarapidamente, o arco se extingue e as tensões de restabelecimento com taxaselevadas de crescimento que venham a surgir, não terão possibilidade de ocasionaro reacendimento do arco.

Formação e extinção do arco elétrico no vácuo

Num interruptor a vácuo, no instante em queos contatos iniciam a sua separação comcorrente elétrica, formam-se arcos que têm atendência de ficar contraídos devido à ação defortes campos magnéticos produzidos pelacorrente.

A elevada temperatura dos focos em que osarcos se originam, causa a emissão de metaldos contatos em estado líquido, estabelecendo-se pontes metálicas pelas quais passa a

corrente elétrica.

Na medida em que a distância que separa os

contatos aumenta, as partes metálicas tendemDeslocamento do arco contraído.

a ser substituídas por arcos que, para correntes de baixa intensidade (até cerca

de 10KA), entram em condições de instabilidade, quando o seu valor instantâneo

estiver próximo do zero natural, finalizando por se interromper.

Correntes de intensidade mais elevadas somente poderão ser interrompidas se o

arco for fracionado e esfriado por meio de contatos com forma geométrica

adequada.


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teoriaA intensidade da corrente no instante da interrupção não deve ter um valor elevado,

para que não se formem sobretensões indesejáveis e inadmissíveis.

Correntes de baixa intensidade podem não produzir vapores metálicos suficientes

para manter a corrente até que ela atinja valores admissíveis de instabilidade do

arco e ele possa ser então interrompido.

Para evitar que isso aconteça, são preparados contatos que possuem em sua

área de contato, camadas de ligas metálicas de baixo ponto de fusão, que

produzem vapores metálicos em quantidade suficiente para manter a corrente

até que o arco entre em condições de instabilidade, quando o seu valor instantâneo

estiver próximo do zero natural.

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