É um mecanismo destinado a interromper correntes elétricas de forma eficaz:

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LACTEC

Instituto de Tecnologia

para o

Desenvolvimento

Disjuntores

16/11/2000

21/08/2001

Eng

o

Ricardo Luiz Araújo

O que é um disjuntor?

É um mecanismo destinado a interromper

correntes elétricas de forma eficaz:

•no menor tempo possível;

•causando pouco distúrbio no sistema;

•com segurança pessoal e patrimonial;

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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 !!!

Eng. Ricardo Luiz Araújo 21/08/2001

LACTEC

A formação do arco durante a interrupção de uma corrente

a) Circuito fechado, circulação normal

de corrente. A pressão entre os eletrodos

reduz acentuadamente a resistência de

contato.

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A formação do arco durante a interrupção de uma corrente

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.

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A formação do arco durante a interrupção de uma corrente

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.

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A formação do arco durante a interrupção de uma corrente

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 e).

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Características do arco

Tensão e corrente no arco

Um arco irá existir enquanto houver o equilíbrio térmico entre a

energia fornecida ao arco e a energia liberada para o meio

Formas de extinguir um arco:

•retirada de calor da região do arco;

•substituição do meio ionizado por dielétrico não ionizado;

•sopro magnético.

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Características do meio de extinção

Para que haja a desionização do meio e a conseqüente extinção do

arco, o interior de uma câmara deve conter principalmente as seguintes

características:

1 - Boa condutividade térmica para a retirada de calor da região do arco.

2 - Pressão adequada do meio, que resultará em alta densidade de dielétrico, sendo este

um fator inibidor da existência de ionização

Detalhes construtivos

Um disjuntor é constituído basicamente por: - Unidade de controle, comando e supervisão; - Sistema de acionamento ou mecanismo de operação;

- Unidades Interruptoras

.

O disjuntor é um dos componentes mais caros e críticos de um sistema elétrico, devendo possuir alta confiabilidade operacional aliada a custos reduzidos de aquisição,

reposição de peças e manutenção.

Deve haver garantia de qualidade da produção, desde o momento da aquisição de matéria prima, indo-se até os passos de construção, montagem de sistemas, transporte, instalação e

start-up.

Existe uma infinidade de aspectos construtivos que variam de

fabricante para fabricante, sendo estes por vezes grandes segredos

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Unidades de controle, comando e supervisão

É um componente dedicado a cada tipo de disjuntor, sedo construído com técnicas e

sistemas que variam de acordo com cada fabricante.

Normalmente é constituído por um painel instalado ao tempo, sendo geralmente abrigado

junto com o sistema de acionamento.

Possui funções de monitoramento das funções do disjuntor, controle da operação,

comunicação remota e etc

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Unidade de Acionamento

É o mecanismo responsável pela ação de movimento dos contatos do disjuntor, deve ser

robusto e confiável.

Deve prover ao disjuntor o armazenamento de energia, responsável pela abertura dos

contatos do mesmo.

Acionamento por solenóide:

É baseado no fechamento do disjuntor através do movimento de um braço fixado ao núcleo móvel de uma bobina. É pouco utilizado devido à pouca energia capaz de prover ao sistema de abertura de contatos do disjuntor.

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Unidade de Acionamento

É um mecanismo em que a energia tanto para o fechamento quanto para a abertura dos

contatos é proveniente de um motor ou um mecanismo manual de carga.

É um mecanismo simples, não necessitando de supervisão, o que o torna ideal para

médias tensões.

Não possibilita a verificação prévia de falhas de operação,o que o torna pouco confiável.

Apresenta um elevado nível de ruído durante a operação.

Utilizado em disjuntores com no máximo 145 kV de tensão nominal.

Acionamento a mola:

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Unidade de Acionamento

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Unidade de Acionamento

Acionamento a Ar Comprimido:

Acionamento muito utilizado em alta e extra-alta tensão, principalmente em disjuntores que empregam como meio extintor de arco o ar comprimido. Porém também é largamente

utilizado em disjuntores a óleo e SF6

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Unidade de Acionamento

Acionamento a Ar Comprimido:

Disjuntor a SF

₆

, 145 kV,

acionado por ar

comprimido

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Unidade de Acionamento

Acionamento Hidráulico:

Acionamento muito utilizado em extra-alta tensão, principalmente em disjuntores que empregam como meio extintor de arco SF_6,e que possuem requisitos especiais de funcionamento, como duplo ciclo e inserção de resistência de abertura e fechamento de

contatos.

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Câmaras de Extinção

É um conjunto de componentes responsável pela extinção do arco,como o próprio nome indica.

Pode conter diferentes meios construtivos e dielétricos de extinção e isolamento. São compostos por um conjunto de peças fixas e de peças móveis movimentadas pelo

mecanismo de acionamento. É a parte mais complexa de um disjuntor

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Disjuntor a sopro magnético

Neste tipo de disjuntor, o arco é forçado para dentro de câmaras de extinção, que são formadas de placas de material refratário, isolante especial ou ainda uma combinação dos

dois.

A arco é impelido na direção da câmara de extinção através de efeitos térmicos e magnéticos ou ainda por um sopro pneumático auxiliar.

O sopro magnético é realizado por uma bobina energizada pela própria corrente que forma o arco.

Por não possuir material inflamável é seguro, podendo ser montado em painéis abrigados. Tensões até 24 kV,

Grande ruído durante a operação.

Queima o ar durante a extinção do arco, o que oxida rapidamente os contatos, exigindo assim manutenção freqüente

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Disjuntor a sopro magnético

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Disjuntor a sopro magnético

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Disjuntor a Óleo

O óleo mineral foi utilizado desde o início da fabricação de

disjuntores com meio isolante e extintor.

Existem dois efeitos na interrupção do arco:

•O efeito do hidrogênio liberado durante o arco (condutividade

térmica);

•o fluxo líquido do meio, retirando calor do arco.

O hidrogênio surge durante o arco e o fluxo líquido

se dá naturalmente e de forma forçada, através de

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Disjuntor a Grande Volume de Óleo

São utilizados em tensões de até 230 kV;

Possuem grande capacidade de interrupção de correntes de curto

circuito;

São tecnicamente ultrapassados, mesmo assim devido a custos

competitivos ainda são largamente utilizados, sobretudo nos

Estados Unidos;

O óleo se decompõe, o que exige cuidado;

Não são bons para o chaveamento de bancos de capacitores e

linhas a vazio.

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Disjuntor a Grande Volume de Óleo

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Disjuntor a Pequeno Volume de Óleo

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Disjuntor a Pequeno Volume de Óleo

São utilizados para até 63 kA em médias tensões;

Para 138 kV possuem capacidade máxima de 20 kA;

Para evitar reacendimento, com linhas a vazio e bancos de

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Disjuntor a Vácuo

O disjuntor a vácuo representa a princípio um paradoxo, como pode o arco se formar sem um caminho de partículas !!!!

Na verdade este caminho de partículas que liberam íons positivos e elétrons é formado no memento da separação dos contatos, quando as superfícies destes se aquecem, evaporando e

formando uma nuvem metálica que vai servir de meio de propagação do arco. A recuperação do dielétrico é rápida,o que permite altas capacidades de ruptura e pequeno

período entre operações sucessivas.

O arco pode difuso e contraído em função da corrente a ser interrompida.

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Disjuntor a Vácuo

Características e aplicações: - Grande tendência mundial;

- Segurança de operação pois não necessitam de suprimento de gases ou líquidos que possam entrar em combustão;

- Praticamente não requer manutenção, possuindo vida extremamente longa para manobras a plena carga e curto;

- Requer pouca energia mecânica;

- Operação silenciosa com acionamentos leves;

- A relação ruptura/volume é elevada, tornando-se apropriado para uso em cubículos; -Requer muito cuidado na construção;

Comparado com um disjuntor PVO de 25 kA:

pode fazer 100 manobras com esta corrente enquanto o PVO realiza apenas 4. Possui problemas de reignição.

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Disjuntor a Ar Comprimido

É um princípio de interrupção bastante antigo, porém amplamente utilizado ainda nos dias de hoje.

O ar comprimido é utilizado com duas funções distintas, o acionamento e a extinção do arco. Para a extinção, o ar comprimido é jateado sobre o arco no momento da interrupção, isto repõe no meio matéria não ionizada, além de resfriar o arco.

A pressurização é é realizada através de centrais compressoras com características especiais como filtragem retirada de umidade do ar.

É utilizado principalmente em tensões elevadas, sobretudo 230 kV.

Gera uma grande quantidade de ruído o que o torna impraticável em instalações urbanas. A central geradora de ar comprimido é muito cara, bem como a distribuição de condutores de ar no pátio da SE.

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Disjuntor a Ar Comprimido

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Disjuntor a SF

₆

O SF6é gás inerte, incombustível, não venenoso, incolor, inodoro e devido composição

molecular simétrica é altamente estável, o que o torna estável e inerte até aproximadamente 500 graus celsius (comporta-se como um gás nobre).

É pesado, o que requer cuidado com o manuseio de grandes volumes que podem se depositar em poços ou trincheiras, podendo gerar mortes por asfixia.

O gás se decompõe no momento do arco em S e6F,o que é revertido quando a temperatura diminui. A reação inversa não é totalmente executada devido a combinação com metais vaporizados.

Pode existir a formação de fluoretos de cobre ou tungstênio, e compostos secundários de enxofre, não condutores.

Quando existe a presença de umidade no interior da câmara, existe a formação de ácido fluorídrico altamente corrosivo a materiais e também tóxico.

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Disjuntor a SF

₆

São utilizados principalmente em altas e extra-altas tensões. Para o chaveamento de altas tensões com linhas a vazio,

precisam de resistores de pré inserção. Possuem simplicidade de construção e operação.

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Disjuntor a SF

₆

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Transitórios

O sistema elétrico é composto de diversos componentes, cada qual com suas características físicas e elétricas e elétricas com capacitância, resistência e indutância.

Em momentos de modificação da configuração física do sistema elétrico (chaveamento de linhas, ligação de circuitos, etc) existem um grande trânsito de energias em acomodação, o que resulta em distúrbios comumente conhecidos como transitórios.

Os transitórios são caracterizados por oscilações de alta freqüência, com grandes valores de pico de tensão e corrente, o que pode danificar equipamentos, instalações ou mesmo causar acidentes.

Os transitórios são mais severos quanto maior for o tamanho e a potência do sistema elétrico.

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Transitórios

Correntes de Curto Circuito

Um curto circuito gera grandes distúrbios em um sistema elétrico, devendo ser rapidamente extinto pelo meio mais adequado, que é o disjuntor.

A corrente de curto caracteriza-se como sendo muito alta em determinados casos e predominantemente indutiva.

Durante a abertura de um curto circuito, devido ao defasamento de 1200_{elétricos existente entre}

as fases do sistema, isto faz com que um dos pólos do disjuntor seja submetido por um curto período de tempo a uma corrente maior que a própria corrente de curto, isto se deve ao grau de assimetria existente neste momento neste sistema.

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Transitórios

Efeitos das Correntes de Curto Circuito no Disjuntor

Efeitos dinâmicos de forças mecânicas que variam em função da corrente;

Efeitos térmicos que variam com o quadrado da corrente;

Efeitos locais do arco em função da magnitude e duração da corrente.

Os efeitos citados acima podem danificar o disjuntor por efeitos térmicos como

por exemplo a soldagem dos contatos e o empenamento de peças móveis.

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Transitórios

Efeitos Dielétricos das Correntes Interrompidas no Disjuntor

São efeitos que ocorrem no instante após a interrupção da corrente nos contatos do disjuntor. O principal fenômeno é a Tensão de Restabelecimento Transitório - TRT (TRV

Transient Recovery Voltage).

É caracterizado por uma grande sobre-tensão aplicada aos terminais do disjuntor. Como o disjuntor ainda está com seus contatos aquecidos e o gap ainda apresenta uma condutividade residual após alguns micro-segundos de sua operação, a alta tensão TRV pode vir a romper novamente o dielétrico por mais meio ciclo, com toda a intensidade da

corrente de curto.

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Transitórios

T R V

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Transitórios

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Transitórios

Abertura de bancos de capacitores Abertura de circuitos magnéticos

Pequenas correntes indutivas

Geram cortes prematuros da corrente, o que pode resultar em transitórios de alta freqüência !!!

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Especificação

Norma NBR 7118 Características nominais: - Tensão Nominal; - Freqüência Nominal; - Corrente Nominal; - Nível de Isolamento Nominal;

- Capacidade de Interrupção Nominal em Curto Circuito; - Tempo de Interrupção Nominal;

- Tensão de Restabelecimento;

- Capacidade de Estabelecimento Nominal em Curto Circuito; - Corrente Suportável Nominal de Curta Duração;

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Ensaios de Rotina

Norma NBR 7118

Ensaios de rotina, não destrutíveis efetuados durante o recebimento: - Ensaio de tensão suportável à freqüência industrial a seco no circuito

principal;

- Ensaio de tensão suportável à freqüência industrial nos circuitos de comando; - Medição de resistência ôhmica no circuito principal;

- Ensaio de Funcionamento Mecânico; - Verificação do funcionamento mecânico;

- Verificações gerais: pintura, placas de identificação, dimensões, etc.