Breve História do Passado e Presente dos Disjuntores de Alta Tensão a Vácuo

Disjuntores de Alta Tensão a Vácuo: Uma Visão Geral

Introdução

Os disjuntores de alta tensão a vácuo (HV VCBs) surgiram como uma alternativa viável aos disjuntores isolados a gás SF6 tradicionais, especialmente em aplicações onde a comutação frequente e custos de manutenção reduzidos são cruciais. Desde 2014, os HV VCBs têm sido cada vez mais adotados como alternativa aos disjuntores de alta tensão a gás, oferecendo uma solução mais verde e sustentável ao eliminar o uso do SF6, um gás estufa potente.

O equipamento de comutação a vácuo tem sido extensivamente utilizado em sistemas de distribuição por mais de três décadas, principalmente para fazer e interromper correntes de defeito e comutar cargas de diversos tipos. A confiabilidade e o desempenho da tecnologia de comutação a vácuo na faixa de tensão média (até 52 kV) foram excepcionais, levando à sua dominância nos sistemas de distribuição. No entanto, esforços para estender a tecnologia de comutação a vácuo para níveis de tensão de transmissão começaram no início dos anos 1960, com marcos significativos alcançados por volta de 1980, quando os primeiros disjuntores de alta tensão a vácuo foram instalados no Japão. Até 2010, aproximadamente 10.000 HV VCBs estavam em operação, principalmente em ambientes industriais, mas também em aplicações de utilidade. A preferência pela tecnologia a vácuo sobre o SF6 foi impulsionada por sua capacidade de lidar com operações de comutação frequentes e requisitos de manutenção menores.

Nos Estados Unidos, interruptores de bancos de capacitores a vácuo vêm sendo utilizados há várias décadas em tensões de até 242 kV. Por volta de 2008, programas intensivos de pesquisa e desenvolvimento (P&D) na China e na Europa visavam desenvolver HV VCBs, com foco na redução ou eliminação do uso de SF6. Isso levou à introdução de produtos capazes de operar em tensões de até 145 kV. Na China, espera-se que a rápida adoção de HV VCBs em aplicações comerciais continue, com centenas de unidades já em serviço em níveis de tensão de até 126 kV. Na Europa, testes de campo estão em andamento para validar o desempenho de dispositivos tipo-testados antes de entrarem no mercado.

Tecnologia e Design

Todos os produtos HV VCBs são baseados na bem estabelecida tecnologia de interrupção a vácuo de tensão média, que foi refinada ao longo dos anos. Não foram necessárias características técnicas fundamentalmente novas para estender essa tecnologia a níveis de tensão mais altos. O principal desafio reside em dimensionar a geometria do interrupção para acomodar as classificações de tensão mais altas. Por exemplo, o diâmetro e o comprimento da lacuna de contato devem ser aumentados para lidar com tensões acima de 52 kV. Em alguns casos, para tensões superiores a 126 kV, são empregadas duas lacunas de vácuo em série para garantir a operação confiável.

Características Operacionais

• Manuseio de Corrente Normal: Para correntes normais de até 2.500 A, não há diferenças significativas entre HV VCBs e disjuntores a SF6. No entanto, alcançar classificações de corrente mais altas (acima de 2.500 A) em HV VCBs é desafiador devido à geração de calor pela estrutura de contato e à capacidade limitada de transferência de calor do interrupção.

• Monitoramento: É mais fácil monitorar a qualidade do meio de interrupção em disjuntores a SF6, pois o grau de vácuo em HV VCBs não pode ser praticamente monitorado durante o serviço.

• Operações de Comutação: Os HV VCBs podem realizar um número maior de operações de comutação em comparação com os disjuntores a SF6, devido à superior resistência do sistema de contato a vácuo ao arco. Isso torna a tecnologia a vácuo particularmente atraente para aplicações que requerem comutação frequente, como operações diárias.

• Energia de Acionamento: Em uma classificação típica de 72,5 kV, a energia de acionamento necessária para um disjuntor a vácuo é significativamente menor - aproximadamente 20% da necessária para um disjuntor a SF6 equivalente. Os tamanhos físicos dos dois tipos de dispositivos são comparáveis.

• Configuração do Interrupção: Acima de 145 kV, os HV VCBs podem exigir mais de um interrupção em série, enquanto a tecnologia SF6 implementou com sucesso disjuntores de única interrupção até 550 kV desde 1994, amplamente utilizados em muitos países.

• Características do Arco: A tensão do arco em HV VCBs é muito menor que em disjuntores a SF6, tipicamente variando de dezenas de volts em comparação com centenas de volts em SF6. Além disso, a duração do arco durante a comutação de defeito é menor em equipamentos de comutação a vácuo, com um tempo mínimo de arco de 5-7 ms, em comparação com 10-15 ms para disjuntores a SF6. Isso resulta em um número maior de operações de comutação possíveis para HV VCBs.

• Emissões de Raios-X: HV VCBs com tensões nominais de até 145 kV emitem raios-X dentro do limite padronizado de 5 µSv/h em condições normais de operação. Disjuntores a SF6 não emitem raios-X.

Características Elétricas

• Interrupção de Corrente de Defeito: Os HV VCBs se destacam na interrupção de correntes de defeito com taxas de subida muito acentuadas de tensão de recuperação transitória (TRV) devido à sua rápida recuperação dielétrica, que é mais rápida do que a de disjuntores a SF6.

• Estatísticas de Quebra: Embora as lacunas a vácuo teoricamente tenham tensões de quebra muito altas, existe uma pequena probabilidade de quebra em tensões relativamente moderadas. As lacunas a vácuo também podem experimentar quebras tardias espontâneas, ocorrendo até vários centésimos de milissegundos após a interrupção da corrente. No entanto, as consequências desses eventos são limitadas, pois a lacuna a vácuo imediatamente restaura sua isolação. As implicações do sistema de quebras tardias ainda não são totalmente compreendidas.

• Comutação de Carga Indutiva: Em aplicações envolvendo cargas indutivas, como a comutação de reatores shunt, os HV VCBs tendem a experimentar um número maior de re-ignições repetidas em um zero de corrente de frequência de rede. Isso é devido à capacidade do vácuo de interromper correntes de alta frequência que seguem a re-ignição. Os efeitos dessas transientes de re-ignição em equipamentos interagindo, como amortecedores RC e para-raios de óxido metálico, estão atualmente em investigação.

• Comutação de Bancos de Capacitores: Ao comutar bancos de capacitores, é crucial evitar correntes de inrush muito altas, pois elas podem degradar as propriedades dielétricas do sistema de contato através de arcos pré-strike. Este desafio se aplica tanto a HV VCBs quanto a disjuntores a SF6. Estratégias de mitigação incluem o uso de reatores em série ou comutação controlada, embora haja experiência limitada em campo com a última para HV VCBs.

Perspectivas Futuras e Percepção do Mercado

Uma pesquisa realizada entre usuários de equipamentos de alta tensão revelou que a ausência de SF6 é vista como a principal vantagem do equipamento de comutação a vácuo, desde que a isolamento externo também seja isento de SF6. No entanto, a falta de ampla experiência de serviço em níveis de tensão de transmissão permanece uma hesitação significativa para a adoção generalizada de HV VCBs. Apesar disso, os benefícios ambientais e as vantagens operacionais da tecnologia a vácuo estão impulsionando o interesse contínuo e o desenvolvimento nesta área.

Potenciais usuários de disjuntores de alta tensão a vácuo (HV VCBs) frequentemente levantam preocupações sobre a geração de sobretensões devido ao corte de corrente e a possibilidade de emissões de raios-X durante as operações de comutação. Essas questões são críticas para garantir a operação segura e confiável dos HV VCBs, especialmente à medida que eles são cada vez mais considerados para aplicações de tensão de transmissão.

Emissão de Raios-X

Para dispositivos de única interrupção, as emissões de raios-X de HV VCBs com tensões nominais de até e incluindo 145 kV permanecem bem abaixo do limite padronizado de 5 µSv/h em condições normais de operação. Dispositivos de múltiplas interrupções exibem níveis ainda menores de emissões de raios-X. Esta é uma consideração importante para a conformidade regulatória e segurança, pois garante que os HV VCBs possam ser implantados sem apresentar riscos significativos de radiação para o pessoal ou o ambiente.

Projetos Piloto

A grande maioria dos respondentes expressou forte interesse em iniciar projetos piloto para ganhar experiência prática com a tecnologia HV VCB. Tais projetos permitiriam que as concessionárias e operadores de sistemas avaliassem o desempenho, confiabilidade e características operacionais dos HV VCBs em condições reais. Redes solidamente aterradas são recomendadas para esses projetos piloto, pois as condições de rede em sistemas de tensão média nem sempre são comparáveis às de redes de tensão de transmissão, especialmente em relação às condições de aterramento. Essa abordagem ajudará a garantir que as experiências adquiridas sejam relevantes e aplicáveis a aplicações de nível de transmissão.

Padronização

O atual padrão IEC para disjuntores, IEC 62271-100, tem um forte foco na tecnologia de comutação a SF6, que pode não abordar completamente as características únicas e desafios da comutação a vácuo. Por exemplo, deveres de teste que são desafiadores para SF6, como testes de defeito em linha curta, podem não ser tão críticos para a tecnologia a vácuo. Por outro lado, a aplicação de tensão de recuperação contínua em testes sintéticos, que é menos relevante para SF6, pode ser mais importante para demonstrar a ausência de quebras tardias em interrupções a vácuo. À medida que os HV VCBs ganham mais tração, pode haver a necessidade de revisar ou complementar os padrões existentes para melhor acomodar a tecnologia a vácuo.

Implicações Técnicas do Design Livre de SF6

Quando o SF6 está ausente como meio de isolamento externo, outras implicações técnicas devem ser consideradas. Por exemplo, métodos alternativos de isolamento podem exigir pressão mais alta, peso maior, pegada maior ou considerações de design diferentes para garantir um desempenho adequado de isolamento. Os fabricantes estão ativamente explorando essas alternativas para desenvolver substitutos viáveis para o SF6, mas até que uma nova tecnologia que possa cobrir todas as classificações de tensão seja encontrada, o SF6 provavelmente continuará sendo essencial para certas aplicações de redes de transmissão.

Comprometimento dos Fabricantes

Os fabricantes estão comprometidos em desenvolver e disponibilizar alternativas industrialmente viáveis à tecnologia SF6. Embora o SF6 tenha sido o gás isolante dominante para aplicações de alta tensão devido às suas excelentes propriedades dielétricas, as preocupações ambientais associadas ao SF6, especialmente seu alto potencial de aquecimento global, impulsionaram a busca por soluções mais verdes. Os HV VCBs representam uma dessas soluções, oferecendo uma alternativa sustentável para aplicações que exigem comutação frequente e manutenção reduzida. No entanto, a transição para longe do SF6 será gradual, pois os fabricantes continuam a inovar e aprimorar novas tecnologias para atender às diversas necessidades da indústria de energia.