Comutação de Resistência em um Disjuntor
Comutação Resistiva
A comutação resistiva refere-se à prática de conectar um resistor fixo em paralelo com a lacuna de contato ou o arco de um disjuntor. Esta técnica é aplicada em disjuntores com alta resistência pós-arco no espaço de contato, principalmente para mitigar as tensões de reestabelecimento e as sobretensões transitórias.
As flutuações severas de tensão nos sistemas de energia resultam de dois cenários principais: a interrupção de correntes indutivas de baixa magnitude e a quebra de correntes capacitivas. Tais sobretensões representam riscos para a operação do sistema, mas podem ser gerenciadas efetivamente através da comutação resistiva - alcançada conectando um resistor entre os contatos do disjuntor.
O princípio subjacente envolve o resistor paralelo desviando uma parte da corrente durante a interrupção, limitando assim a taxa de variação da corrente (di/dt) e suprimindo a elevação da tensão de recuperação transitória. Isso não apenas reduz a probabilidade de reacendimento do arco, mas também dissipa a energia do arco de forma mais eficiente. A comutação resistiva é particularmente crítica em sistemas de extra-alta-tensão (EAT) para aplicações sensíveis a sobretensões de comutação, como a desenergização de linhas de transmissão sem carga ou a comutação de bancos de capacitores.
Quando ocorre um defeito, os contatos do disjuntor se abrem, iniciando um arco entre eles. À medida que o arco é desviado pela resistência R, uma fração da corrente do arco se desvia pelo resistor, reduzindo a corrente do arco e acelerando a taxa de deionização do canal do arco.
Isso desencadeia um ciclo de reforço: à medida que a resistência do arco aumenta, mais corrente flui pelo resistor paralelo R, privando ainda mais o arco de energia. Este processo continua até que a corrente caia abaixo do limiar crítico para a manutenção do arco (como ilustrado na figura abaixo), momento em que o arco se extingue e o disjuntor interrompe o circuito com sucesso.
O mecanismo depende do resistor paralelo regular dinamicamente a distribuição da corrente, forçando o arco a entrar em um ciclo vicioso de "decadência de corrente → deionização acelerada → aumento da resistência do arco". Isso permite a rápida recuperação da resistência dielétrica no canal do arco - muitas vezes antes do cruzamento zero da corrente - tornando-o particularmente eficaz para suprimir sobretensões de reacendimento de alta frequência. Tal funcionalidade é crítica em disjuntores EAT durante a interrupção de correntes capacitivas ou a quebra de pequenas correntes indutivas.
Alternativamente, a resistência pode ser engajada automaticamente transferindo o arco dos contatos principais para os contatos de sonda - como visto em disjuntores de explosão axial - com esta ação ocorrendo em um tempo extremamente curto. Ao substituir o caminho do arco por um caminho metálico, a corrente fluindo pela resistência é limitada, permitindo a interrupção fácil.
O resistor paralelo também desempenha um papel crucial na atenuação do crescimento oscilatório das transientes de tensão de reestabelecimento. Matematicamente, pode-se provar que a frequência natural (fn) das oscilações no circuito mostrado é governada por: introduzir um elemento resistivo melhora as características de amortecimento do circuito, reduzindo a amplitude de oscilação e retardando as taxas de elevação de tensão. Isto é análogo à incorporação de um ramo dissipativo em um loop oscilatório LC, transformando oscilações não amortecidas em decrescentes e melhorando significativamente a estabilidade da interrupção do disjuntor.
Em configurações de explosão axial, a rápida transferência do arco garante que o resistor seja engajado antes do zero da corrente, fornecendo controle de amortecimento no início do processo transitório. Este design é particularmente adequado para aplicações EAT que requerem limitação de sobretensões de comutação, pois o efeito sinérgico da resistência e do arco permite a dissipação ordenada da energia eletromagnética durante a interrupção.
Resumo das Funções da Comutação Resistiva
Em resumo, um resistor entre os contatos do disjuntor pode realizar uma ou mais das seguintes funções:
Reduz a TRV (Taxa de Elevação da Tensão de Reestabelecimento) no Disjuntor
Ao desviar a corrente do arco e acelerar a deionização do canal do arco, o resistor suprime a taxa de elevação da tensão de recuperação transitória (TRV), aliviando a carga de recuperação da resistência dielétrica no interruptor do disjuntor.
Mitiga Transientes de Tensão de Reestabelecimento de Alta Frequência Durante a Comutação de Cargas Indutivas/Capacitivas
Ao interromper correntes indutivas (por exemplo, transformadores sem carga) ou correntes capacitivas (por exemplo, cabos de carga), o resistor paralelo limita as amplitudes de sobretensões oscilatórias através da dissipação de energia, prevenindo riscos de quebra de isolamento.
Equaliza a Distribuição da TRV em Disjuntores Multipoles
Em disjuntores com múltiplas lacunas de interrupção, o resistor garante a distribuição uniforme da TRV entre as lacunas de contato através da divisão de tensão, evitando o reacendimento devido à concentração de tensão em qualquer lacuna única.
Cenários Onde a Comutação Resistiva Não é Necessária
Disjuntores convencionais com baixa resistência pós-arco no espaço de contato (por exemplo, disjuntores de ar de média/baixa tensão) não requerem resistores paralelos adicionais. Seus canais de arco se deionizam naturalmente rápido o suficiente para atender aos requisitos de interrupção sem resistência externa.
Análise do Princípio Técnico
O valor central da comutação resistiva reside em seu mecanismo sinérgico de "correspondência de impedância - dissipação de energia - amortecimento de oscilação", que controla as transientes de comutação dentro dos limites de resistência do equipamento. Esta tecnologia é particularmente crítica em sistemas EAT (110kV e acima), efetivamente abordando:
Estas soluções superam as limitações dos métodos tradicionais de extinção de arco no controle de sobretensões transitórias.
