Análise de Falhas do Disjuntor da Barra Neutra Durante o Bloqueio das Válvulas Conversoras de Ultra-Alta Tensão

1.Princípio de Bloqueio das Válvulas Conversoras de Ultra-Alta Tensão
1.1 Princípio de Funcionamento das Válvulas Conversoras
As válvulas conversoras de ultra-alta tensão (UHV) geralmente utilizam válvulas de tiristores ou válvulas de transistores bipolares de efeito de campo isolado (IGBT) para converter corrente alternada (AC) em corrente contínua (DC) e vice-versa. Tomando como exemplo a válvula de tiristor, ela consiste em múltiplos tiristores conectados em série e paralelo. Controlando a ativação (liga) e desativação dos tiristores, a válvula regula e converte a corrente elétrica. Durante a operação normal, a válvula conversora converte AC em DC ou DC em AC de acordo com uma sequência de disparo pré-definida e timing [1].

1.2 Causas e Processo de Bloqueio da Válvula Conversora
O bloqueio da válvula conversora pode ser acionado por diversos fatores, incluindo sobretensão, sobrecorrente, falhas de componentes internos e anormalidades no sistema de controle e proteção. Quando tais anomalias são detectadas, o sistema de controle e proteção emite rapidamente um comando de bloqueio, cessando o disparo de todos os tiristores ou válvulas IGBT, bloqueando assim a válvula conversora.

Durante o processo de bloqueio, ocorrem mudanças significativas nos parâmetros elétricos do sistema. Por exemplo, no lado retificador, após o bloqueio da válvula conversora, a corrente do lado AC diminui rapidamente. No entanto, devido à indutância da linha, a corrente do lado DC não cai imediatamente para zero e, em vez disso, continua a fluir através de caminhos como a barra neutra, formando uma corrente de rolagem. Nesse momento, o disjuntor da barra neutra deve operar rapidamente para interromper a corrente DC e proteger o equipamento do sistema de danos causados por corrente excessiva [2].

2.Condições de Operação do Disjuntor da Barra Neutra Durante o Bloqueio da Válvula Conversora
2.1 Mudanças nos Parâmetros Elétricos
Quando a válvula conversora é bloqueada, a tensão e a corrente através do disjuntor da barra neutra sofrem mudanças drásticas. No lado DC, já que a válvula conversora bloqueada impede o fluxo de corrente normal, ocorre sobrecorrente na barra neutra e no equipamento associado. Além disso, devido a processos transitórios eletromagnéticos no sistema, pode ocorrer sobretensão através do disjuntor da barra neutra.

Por exemplo, em certo projeto de transmissão DC de UHV, após o bloqueio da válvula conversora, a corrente da barra neutra instantaneamente subiu para 2–3 vezes a corrente nominal, e a tensão através do disjuntor da barra neutra exibiu flutuações significativas, atingindo 1,5 vezes a tensão de operação normal. A Tabela 1 ilustra visualmente as mudanças nos parâmetros elétricos durante o bloqueio da válvula conversora.

Tabela 1: Mudanças nos Parâmetros Elétricos Durante o Bloqueio da Válvula Conversora em Certa Projeto de Transmissão DC de UHV

2.2 Variações de Tensão
Quando a válvula conversora é bloqueada, o disjuntor da barra neutra deve suportar não apenas tensões elétricas, mas também mecânicas. A tensão elétrica surge principalmente de sobretensão e sobrecorrente, que intensificam a erosão elétrica dos contatos do disjuntor e reduzem sua vida útil. A tensão mecânica resulta principalmente das forças de impacto geradas pelo mecanismo de operação durante as operações rápidas de abertura e fechamento, bem como das forças eletromagnéticas causadas por mudanças rápidas de corrente. Por exemplo, em eventos frequentes de bloqueio da válvula conversora, componentes do mecanismo de operação do disjuntor da barra neutra podem se soltar ou desgastar, afetando adversamente seu desempenho normal de abertura e fechamento [3].

3.Tipos Comuns de Falhas e Análise de Causas dos Disjuntores da Barra Neutra Durante o Bloqueio da Válvula Conversora
3.1 Falha de Isolamento
3.1.1 Manifestações da Falha
A falha de isolamento é um dos tipos de falha mais comuns para os disjuntores da barra neutra durante o bloqueio da válvula conversora. Ela se manifesta principalmente como envelhecimento ou danos aos materiais de isolamento internos, levando a uma degradação do desempenho de isolamento e resultando em flashover ou ruptura. Por exemplo, em alguns projetos de transmissão DC de UHV (Ultra High Voltage) de longa duração, apareceram contaminação superficial e rachaduras nas cerâmicas isolantes internas do disjuntor da barra neutra, comprometendo severamente o desempenho de isolamento.

3.1.2 Análise de Causas
As causas da falha de isolamento incluem vários aspectos. Primeiro, a operação prolongada sob alta tensão e grande corrente gradualmente envelhece os materiais de isolamento, reduzindo sua capacidade de isolamento ao longo do tempo. Segundo, a sobretensão e sobrecorrente geradas durante o bloqueio da válvula conversora impõem uma tensão severa aos materiais de isolamento, acelerando o processo de envelhecimento. Além disso, ambientes de operação adversos, como alta umidade e alta poluição, fazem com que as superfícies de isolamento acumulem contaminantes, degradando ainda mais o desempenho de isolamento. Por exemplo, em um projeto de transmissão DC de UHV em uma região costeira com alta umidade e ar salgado, forma-se facilmente uma película condutiva na superfície das cerâmicas isolantes do disjuntor da barra neutra, reduzindo significativamente a força de isolamento e causando falhas de flashover frequentes.

3.2 Falha do Mecanismo de Operação
3.2.1 Manifestações da Falha
As falhas do mecanismo de operação se manifestam principalmente como tempos anormais de abertura/fechamento ou falha em abrir/fechar (recusa de operação). Por exemplo, durante o bloqueio da válvula conversora, o disjuntor da barra neutra pode apresentar tempos de abertura excessivamente longos, falhando em interromper a corrente DC prontamente, ou pode falhar em fechar corretamente, resultando em contato inadequado.

3.2.2 Análise de Causas
As causas das falhas do mecanismo de operação são complexas. De um lado, os componentes mecânicos se degradam ao longo do tempo devido a operações frequentes, sofrerem desgaste ou deformação que prejudicam o desempenho. Por exemplo, as molas no mecanismo podem perder elasticidade devido à fadiga, resultando em força insuficiente de abertura/fechamento. De outro lado, falhas no circuito de controle, como falha de relés ou cabos de controle quebrados, podem impedir que o mecanismo receba ou execute comandos corretamente. Além disso, a interferência eletromagnética durante o bloqueio da válvula conversora pode perturbar os sinais de controle, causando mal funcionamento ou recusa de operação. Por exemplo, em um determinado projeto de transmissão DC de UHV, cabos de controle roteados perto de barras de corrente elevada experimentaram forte interferência magnética durante o bloqueio da válvula, levando a recusa do disjuntor em abrir.

3.3 Falha de Contato
3.3.1 Manifestações da Falha
As falhas de contato incluem principalmente erosão do contato, aumento da resistência de contato e soldagem do contato. Durante o bloqueio da válvula conversora, quando o disjuntor da barra neutra interrompe grandes correntes, formam-se arcos de alta temperatura, causando erosão da superfície do contato. A erosão prolongada leva a superfícies de contato irregulares e maior resistência, prejudicando a operação normal. Em casos graves, os contatos podem se soldar, impedindo que o disjuntor abra.

3.3.2 Análise de Causas
A principal causa da falha de contato é a grande corrente e o arco de alta temperatura gerados durante o bloqueio da válvula conversora. O fluxo de grande corrente produz aquecimento Joule, elevando a temperatura do contato, enquanto o calor intenso do arco acelera a erosão. Além disso, as propriedades do material de contato e a qualidade de fabricação afetam a resistência ao arco. Contatos feitos de materiais com baixa resistência a altas temperaturas ou arcos, ou produzidos com processos subpadrões, são mais propensos à erosão. Por exemplo, em um projeto de DC de UHV, o disjuntor da barra neutra usou contatos com resistência inadequada ao arco; após múltiplos eventos de bloqueio, ocorreu erosão severa, aumentando significativamente a resistência de contato e interrompendo a operação normal.

3.4 Falha do Transformador de Corrente
3.4.1 Manifestações da Falha
As falhas do transformador de corrente incluem principalmente circuitos abertos no lado secundário, danos à isolação dos enrolamentos e saturação do núcleo. Durante o bloqueio da válvula conversora, a mudança abrupta na corrente DC submete o transformador de corrente a uma tensão significativa, tornando-o propenso a falhas. Por exemplo, um circuito aberto no lado secundário pode gerar tensões perigosamente altas, colocando em risco equipamentos e pessoal; danos à isolação dos enrolamentos podem causar curtos-circuitos internos, degradando a precisão de medição; e a saturação do núcleo aumenta erros de medição, potencialmente acionando proteções incorretamente.

3.4.2 Análise de Causas
As causas da falha do transformador de corrente incluem o seguinte: Primeiro, a sobrecorrente durante o bloqueio da válvula conversora submete os enrolamentos a tensões térmicas e eletromagnéticas elevadas, possivelmente danificando a isolação. Segundo, o desempenho de isolamento degrada naturalmente ao longo do tempo, tornando os transformadores mais vulneráveis a falhas em condições anormais, como o bloqueio da válvula. Além disso, o design ou seleção inadequados, como a corrente nominal ou classe de precisão incorretas, podem levar à saturação do núcleo durante eventos de bloqueio. Por exemplo, em um projeto de DC de UHV, a corrente nominal do transformador de corrente era muito baixa; durante o bloqueio da válvula, o núcleo se saturou rapidamente, falhando em medir a corrente com precisão e causando o mau funcionamento dos relés de proteção.

Para melhor compreender a proporção de cada tipo de falha entre as falhas do disjuntor da barramento neutro durante o bloqueio do conversor de válvulas, este artigo realizou uma análise estatística dos dados de falha de múltiplos projetos de transmissão DC UHV, com os resultados mostrados na Tabela 2.

Tabela 2: Proporção dos Tipos de Falha do Disjuntor do Barramento Neutro Durante o Bloqueio do Conversor de Válvulas UHV

4.Medidas de Prevenção e Tratamento de Falhas para Disjuntores de Barras Neutras Durante o Bloqueio do Válvula do Conversor UHV
4.1 Medidas de Prevenção de Falhas
4.1.1 Otimização da Seleção e Design de Equipamentos
Durante a fase de construção de projetos de transmissão DC UHV, deve-se considerar plenamente o impacto de condições anormais, como o bloqueio da válvula do conversor, nos disjuntores de barras neutras, e a seleção e design de equipamentos devem ser otimizados em conformidade. Componentes-chave, como disjuntores com alto desempenho de isolamento, contatos resistentes a arcos, mecanismos operacionais confiáveis e transformadores de corrente adequadamente dimensionados, devem ser selecionados. Por exemplo, isuladores de porcelana feitos de materiais avançados de isolamento e processos de fabricação podem melhorar a confiabilidade do isolamento; materiais de contato com forte resistência a arcos prolongam a vida útil dos contatos; e um mecanismo operacional bem projetado garante abertura/fechamento preciso e confiável em várias condições de operação.

4.1.2 Monitoramento e Manutenção Aumentados do Equipamento
Deve-se estabelecer um sistema abrangente de monitoramento de equipamentos para monitorar continuamente os parâmetros operacionais do disjuntor de barras neutras, incluindo parâmetros elétricos, temperatura, pressão, vibração e outros indicadores de estado. Através da análise de dados, riscos potenciais de falha podem ser identificados precocemente. Por exemplo, a termografia infravermelha pode ser usada para monitorar as temperaturas nos contatos e pontos de conexão; aumentos anormais de temperatura acionam inspeções e ações corretivas oportunas. O monitoramento online da resistência de isolamento e descargas parciais ajuda a avaliar a condição do isolamento. Além disso, a manutenção rotineira, incluindo limpeza, lubrificação e aperto, deve ser reforçada para garantir que o equipamento permaneça em condições ótimas de operação.

4.1.3 Melhoria da Qualidade do Ambiente Operacional
O ambiente operacional do disjuntor de barras neutras deve ser melhorado para mitigar os impactos adversos do meio ambiente. Por exemplo, sistemas de purificação de ar podem ser instalados nas subestações para reduzir contaminantes atmosféricos e gases corrosivos; medidas eficazes de controle de umidade, como desumidificadores, podem manter condições secas ao redor do equipamento. Em áreas costeiras ou fortemente poluídas industrialmente, tratamentos protetores especiais, como revestimentos anticorrosivos, podem ser aplicados para aumentar a resistência do equipamento à degradação ambiental.

4.2 Medidas de Tratamento de Falhas
4.2.1 Aplicação de Tecnologias de Diagnóstico Rápido de Falhas
Quando uma falha é detectada no disjuntor de barras neutras, tecnologias de diagnóstico rápido de falhas devem ser empregadas para identificar com precisão o tipo de falha e a causa raiz. Sistemas de diagnóstico inteligentes, combinados com dados operacionais em tempo real e características de falhas, permitem a localização rápida de falhas através da análise de dados e cálculos baseados em modelos. Por exemplo, o monitoramento e análise em tempo real de parâmetros de corrente e tensão podem ajudar a determinar se ocorreu falha de isolamento, dano nos contatos ou mal funcionamento do transformador de corrente; a análise de vibração pode revelar problemas mecânicos no mecanismo operacional.

4.2.2 Estabelecimento de Procedimentos Racionais de Tratamento de Falhas
Devem ser desenvolvidos procedimentos detalhados e racionais de tratamento de falhas para garantir uma resposta rápida e eficaz quando ocorrem falhas. Esses procedimentos devem incluir relatório de falhas, inspeção no local, diagnóstico de falhas, planejamento de reparos, implementação de reparos, teste de equipamentos e verificação de aceitação. Ao longo do processo, é essencial a estrita observância dos protocolos de segurança para proteger o pessoal e o equipamento. Por exemplo, ao lidar com falhas de isolamento, a energia deve ser desconectada e a energia armazenada descarregada antes da inspeção e reparo; após a substituição de componentes, testes rigorosos e verificações de aceitação devem confirmar que o desempenho atende aos padrões exigidos.

4.2.3 Equipamentos de Backup Emergencial e Planos de Contingência
Para minimizar o impacto das falhas dos disjuntores de barras neutras na operação do sistema, devem estar disponíveis equipamentos de backup emergencial e devem ser formulados planos de contingência abrangentes. Em caso de falha grave que não possa ser reparada prontamente, o equipamento de backup pode ser rapidamente implantado para restaurar a operação normal do sistema. A manutenção e testes regulares do equipamento de backup são necessários para garantir que ele permaneça em boas condições de espera. O plano de contingência deve especificar procedimentos de resposta de emergência, responsabilidades do pessoal, protocolos de comunicação e outros elementos-chave para permitir o tratamento de emergências ordenado e eficiente.

5.Conclusão
Durante o bloqueio da válvula do conversor UHV, os disjuntores de barras neutras enfrentam múltiplos riscos de falhas, incluindo falha de isolamento, mal funcionamento do mecanismo operacional, dano nos contatos e falhas no transformador de corrente, todos os quais podem comprometer significativamente a operação segura e estável dos sistemas de transmissão DC UHV. Através da análise minuciosa do mecanismo de bloqueio das válvulas do conversor e do estado operacional dos disjuntores de barras neutras nessas condições, foram claramente identificados os tipos comuns de falhas e suas causas, respaldados por estudos de casos detalhados. Para prevenir e tratar eficazmente essas falhas, medidas preventivas devem ser implementadas na seleção e design de equipamentos, monitoramento e manutenção operacional, e melhoria do ambiente. Simultaneamente, estratégias de tratamento de falhas, incluindo tecnologias de diagnóstico rápido, procedimentos de reparo padronizados e sistemas de backup de emergência, devem ser adotadas para ainda mais aumentar a confiabilidade operacional dos sistemas de transmissão DC UHV.