Tensão de Recuperação Transitória (TRV) na Interrupção de Correntes Indutivas Pequenas por Disjuntores
Análise de Fenômenos Transitórios em Sistemas Lineares Usando o Princípio da Superposição
Na análise de fenômenos transitórios causados por operações de comutação em sistemas lineares, o princípio da superposição é uma ferramenta poderosa. Combinando a solução de estado estacionário que existia antes da operação de circuito aberto com as respostas transitórias induzidas por fontes de tensão de curto-circuito e fontes de corrente de circuito aberto, e considerando a corrente injetada através dos contatos do interruptor, pode-se obter uma descrição abrangente do processo de comutação.
Análise Transitória de Operações de Circuito Aberto
Durante uma operação de circuito aberto, a corrente fluindo pelos terminais do interruptor deve se tornar zero após a operação. Portanto, a corrente injetada no sistema deve ser igual à corrente que estava fluindo pelos terminais do interruptor antes da operação de abertura. Conforme os contatos do interruptor começam a se separar, uma tensão de recuperação transitória (TRV) desenvolve-se imediatamente entre os contatos. A TRV aparece imediatamente após a corrente atingir zero e geralmente dura milissegundos em sistemas reais. Em sistemas de energia práticos, as características da TRV são cruciais para o desempenho e confiabilidade dos disjuntores.
Importância da Tensão de Recuperação Transitória (TRV)
Um entendimento profundo dos fenômenos transitórios associados às operações de disjuntores em sistemas de energia pode melhorar significativamente as práticas de teste e aumentar a confiabilidade dos equipamentos de comutação. Padrões especificam valores característicos recomendados para simular a TRV, que ajudam os engenheiros a prever e projetar melhor o comportamento dos dispositivos de comutação.
Diferentes Tipos de Comutação de Circuitos
O diagrama a seguir ilustra a TRV nos terminais do disjuntor ao interromper a corrente em circuitos muito simples. Cada caso resulta em formas de onda diferentes, dependendo da natureza do circuito:
Carga Resistiva: Para cargas puramente resistivas, a corrente cai rapidamente para zero após a operação de comutação, resultando em uma forma de onda de TRV relativamente suave.
Carga Indutiva: Para cargas indutivas, a tensão através do indutor atinge seu valor máximo quando a corrente se torna zero. Como o indutor armazena energia, que precisa ser dissipada através de outros componentes (como capacitores), ocorrem oscilações. Essas oscilações são causadas pela transferência de energia entre o indutor e o capacitor.
Carga Capacitiva: Para cargas capacitivas, a corrente diminui gradualmente após a operação de comutação, enquanto a tensão aumenta rapidamente. A forma de onda de TRV geralmente exibe um pulso de tensão em rápida ascensão.
Interrupção de Correntes Pequenas e Fenômenos de Corta-corrente
Em sistemas de energia, a interrupção de correntes pequenas pode levar a fenômenos conhecidos como corta-corrente e corta-corrente virtual. Esses fenômenos têm impactos significativos na tensão de recuperação transitória (TRV) e podem resultar em sobretensão e problemas de reacendimento.
Interrupção Normal vs. Corta-corrente
Interrupção Normal: Quando a corrente é interrompida naturalmente em seu ponto de cruzamento zero, esta é a operação de comutação ideal. Neste caso, a TRV geralmente permanece dentro dos limites especificados, e não ocorre sobretensão ou reacendimento.
Corta-corrente: Se a corrente for interrompida prematuramente antes de atingir zero, este fenômeno é chamado de corta-corrente. A interrupção súbita da corrente leva à geração de sobretensões transitórias, que podem causar reacendimento de alta frequência. Este tipo de interrupção anormal representa perigos potenciais para o disjuntor e o sistema.
Consequências do Corta-corrente
Quando um disjuntor interrompe a corrente perto de seu pico, a tensão quase instantaneamente aumenta. Se essa sobretensão excede a resistência dielétrica especificada para o disjuntor, ocorre reacendimento. Quando esse processo se repete várias vezes, a tensão continua a aumentar rapidamente devido ao reacendimento de alta frequência. Esta oscilação de alta frequência é controlada pelos parâmetros elétricos do circuito associado, a configuração do circuito e o design do disjuntor, levando a um cruzamento zero antes que a corrente de frequência de rede real atinja zero.
Diferença Entre Corta-corrente e Corta-corrente Virtual
Corta-corrente: Ocorre quando a corrente é interrompida antes de atingir zero, resultando em sobretensão transitória e reacendimento de alta frequência.
Corta-corrente Virtual: Acontece quando a corrente é interrompida logo antes de atingir zero, embora seja muito próxima de zero. Isso ainda pode causar sobretensão e reacendimento menores.
Comparação da Tensão do Lado da Carga e TRV
O seguinte diagrama compara a tensão do lado da carga e a TRV em dois cenários diferentes:
Interrupção no Ponto de Cruzamento Zero da Corrente: Neste caso, a tensão do lado da carga aumenta gradualmente, e a TRV permanece dentro dos limites especificados, garantindo o funcionamento normal do sistema.
Interrupção Antes do Ponto de Cruzamento Zero da Corrente (Corta-corrente): Aqui, a tensão do lado da carga aumenta rapidamente, e a TRV aumenta significativamente, potencialmente levando a sobretensão e reacendimento. É claro a partir deste exemplo que o segundo cenário é mais severo.
Importância de Entender o Corta-corrente
Para entender melhor o impacto do corta-corrente, considere ignorar os efeitos das perdas do lado da carga. Após a interrupção da corrente no ponto zero, a energia armazenada no lado da carga está principalmente nos capacitores, onde a tensão atinge seu valor máximo. No entanto, se a corrente for cortada antes de atingir zero, a energia nos capacitores não pode ser totalmente dissipada, levando a um aumento rápido da tensão e subsequentes problemas de sobretensão e reacendimento.
(a) Circuito Equivalente. (b) Interrupção do Arco no Ponto de Cruzamento Zero da Corrente. (c) Interrupção do Arco Antes do Ponto de Cruzamento Zero da Corrente.
Corta-corrente e Fenômenos Transitórios de Alta Frequência
No caso de corta-corrente, a instabilidade do arco próximo ao ponto de cruzamento zero da corrente pode levar a correntes transitórias de alta frequência fluindo para componentes de rede adjacentes. Esta corrente de alta frequência sobreposta à corrente de frequência de rede menor, que é efetivamente cortada para zero. Especificamente:
Instabilidade do Arco Próximo ao Ponto de Cruzamento Zero da Corrente: Conforme a corrente se aproxima de zero, o arco pode se tornar instável, gerando correntes transitórias de alta frequência. Essas correntes se superpõem à já pequena corrente de frequência de rede, complicando ainda mais a resposta transitória do sistema.
Impacto das Correntes Transitórias de Alta Frequência: A presença de correntes transitórias de alta frequência pode causar sobretensão e reacendimento, especialmente em cargas indutivas. Devido às mudanças rápidas nessas correntes, elas podem produzir picos de tensão extremamente altos em um curto período, representando uma ameaça aos materiais de isolamento do sistema.
Corta-corrente Virtual e Seus Efeitos
No caso de corta-corrente virtual, a instabilidade do arco é exacerbada por oscilações com fases adjacentes, levando à geração de correntes de alta frequência mesmo antes da corrente atingir zero. Especificamente:
Mecanismo do Corta-corrente Virtual: O corta-corrente virtual geralmente ocorre quando a corrente está próxima, mas ainda não atingiu zero. Nesse momento, o arco pode interagir com oscilações de fases adjacentes, resultando na geração de correntes de alta frequência. Isso ainda mais desestabiliza o sistema e aumenta o risco de reacendimento.
Fenômeno Observado: O corta-corrente virtual foi observado em arcos gasosos no ar, SF6 e óleo. Arcos no vácuo também são altamente sensíveis ao corta-corrente porque o arco em um ambiente de vácuo é mais suscetível a condições externas, levando a uma maior instabilidade.
Causas do Corta-corrente e Reacendimento
Os fenômenos de corta-corrente e reacendimento, juntamente com as sobretensões oscilatórias de alta frequência associadas, são atribuídos principalmente ao design do disjuntor. Especificamente:
Design para Correntes de Falha Altas: Os disjuntores são tipicamente projetados para lidar com correntes de falha altas. Se o design se concentra apenas no desempenho eficaz para correntes altas, ele também pode ser igualmente eficaz para correntes pequenas, tentando interrompê-las antes de seu cruzamento natural zero.
Consequências Negativas: Esta abordagem de design pode levar a corta-corrente e reacendimento, resultando em sobretensão e outros efeitos indesejáveis. Por exemplo, a sobretensão pode danificar o isolamento do sistema, levando a falhas de equipamento ou redução da vida útil.
Otimização do Design do Disjuntor
Para abordar efetivamente tanto correntes pequenas quanto grandes, o design do disjuntor deve incorporar múltiplas características para garantir um desempenho confiável em várias condições. Recomendações específicas incluem:
Equilíbrio de Desempenho para Correntes Pequenas e Grandes: O design do disjuntor deve considerar tanto correntes pequenas quanto grandes, evitando a otimização excessiva para um tipo em detrimento do outro. Por exemplo, ajustar materiais de contato, design da câmara de extinção de arco e estratégias de controle pode ajudar a equilibrar o desempenho em diferentes níveis de corrente.
Redução de Oscilações de Alta Frequência: O design deve visar minimizar as oscilações de alta frequência, especialmente próximo ao ponto de cruzamento zero da corrente. Isso pode ser alcançado introduzindo elementos de amortecimento apropriados ou otimizando parâmetros do circuito para suprimir correntes transitórias de alta frequência.
Melhoria do Desempenho de Isolamento: Para lidar com possíveis sobretensões, o design de isolamento do disjuntor deve ter resistência dielétrica suficiente. Selecionar materiais isolantes de alto desempenho e otimizar a estrutura de isolamento pode garantir isolamento confiável, mesmo em condições extremas.
