Disjuntor de Alta Tensão

Tensão do Arco em Disjuntores de Gás

Nos disjuntores de gás, a tensão do arco é um parâmetro crítico que influencia o processo de interrupção e o desempenho geral do disjuntor. A tensão do arco pode variar de algumas centenas de volts a vários quilovolts, dependendo de diversos fatores. Abaixo está uma explicação detalhada dos principais fatores que afetam a tensão do arco:

1. Comprimento do Arco

• Princípio: A queda de tensão através do arco é diretamente proporcional ao comprimento do arco. Conforme o comprimento do arco aumenta, a tensão necessária para manter o arco também aumenta.

• Explicação: Quando os contatos em um disjuntor de gás se separam, forma-se um arco entre eles. O comprimento do arco pode ser muito maior do que a lacuna inicial de contato devido ao movimento do arco (alongamento do arco) conforme ele é influenciado por campos magnéticos ou fluxo de gás. Quanto mais longo for o arco, maior será a queda de tensão através dele, tornando mais fácil extinguir o arco, pois mais energia é necessária para sustentá-lo.

2. Tipo de Gás

• Princípio: A tensão do arco depende das propriedades físicas do meio gasoso circundante, como sua pressão, temperatura e estado de ionização.

• Explicação: Diferentes gases têm diferentes resistências dielétricas e condutividades térmicas, o que afeta a facilidade com que o arco pode ser sustentado. Por exemplo, o hexafluoreto de enxofre (SF₆) é comumente usado em disjuntores de alta tensão devido às suas excelentes propriedades isolantes e capacidade de desionizar rapidamente após a corrente passar por zero. Gases com maior resistência dielétrica requerem tensões mais altas para manter o arco, o que auxilia na extinção do arco.

3. Material dos Contatos

• Princípio: O material dos contatos de arco tem uma influência menor na tensão do arco, principalmente afetando a queda de tensão nas regiões do ânodo e do cátodo.

• Explicação: A principal queda de tensão em um arco gasoso ocorre através do corpo do arco em si, não nas superfícies de contato. No entanto, o material de contato pode influenciar a queda de tensão local próxima ao ânodo e ao cátodo, conhecida como queda do cátodo e do ânodo. Materiais com menores funções de trabalho (por exemplo, cobre, prata) tendem a ter menores quedas do cátodo, mas este efeito é relativamente pequeno em comparação com a tensão total do arco. Portanto, a escolha do material de contato tem um impacto marginal na tensão total do arco.

4. Resfriamento do Arco

• Princípio: A potência interna do arco é o produto da corrente e da tensão do arco. Se o arco perder mais calor devido ao resfriamento, ele aumentará sua potência aumentando a tensão do arco.

• Explicação: O resfriamento do arco pode ocorrer através de condução, convecção e radiação. Nos disjuntores de gás, o fluxo de gás (muitas vezes induzido por mecanismos de sopro ou bobinas de sopração magnética) ajuda a resfriar o arco e reduzir sua temperatura. Conforme o arco esfria, ele se torna menos condutor, levando a um aumento na tensão do arco. Este aumento de tensão torna mais difícil para o arco se sustentar, auxiliando em sua extinção.

5. Corrente Através do Arco

• Princípio: Arcos gasosos exibem uma característica negativa de voltagem-corrente, o que significa que a tensão do arco aumenta à medida que a corrente diminui e vice-versa.

• Explicação: À medida que a corrente se aproxima de zero durante a travessia de corrente zero, a tensão do arco tende a aumentar bruscamente. Isso ocorre porque o arco se torna menos estável em correntes baixas, e o número reduzido de portadores de carga leva a uma resistência mais alta, resultando em uma maior queda de tensão. Por outro lado, em correntes mais altas, o arco é mais estável, e a queda de tensão é menor. Este comportamento é importante para entender como o arco se comporta perto do zero de corrente, onde a interrupção bem-sucedida é crucial.

6. Excursões Aleatórias e Colapsos da Tensão do Arco Próximo ao Zero de Corrente

• Princípio: Próximo à travessia de corrente zero, a tensão do arco exibe excursões aleatórias e colapsos, que são cruciais para a extinção do arco.

• Explicação: À medida que a corrente se aproxima de zero, o arco se torna cada vez mais instável. A tensão do arco pode flutuar aleatoriamente devido às mudanças rápidas no estado físico do arco, como a densidade de partículas carregadas e a temperatura. Essas flutuações podem causar picos súbitos na tensão do arco, levando ao colapso do arco. Se a tensão do arco aumentar suficientemente, ela pode exceder a tensão de recuperação do sistema, causando a extinção do arco. Este fenômeno é crucial para garantir que o arco seja interrompido com sucesso no zero de corrente.

Resumo

A tensão do arco nos disjuntores de gás é influenciada por vários fatores, incluindo o comprimento do arco, o tipo de gás, o material dos contatos, efeitos de resfriamento e a corrente através do arco. A tensão do arco desempenha um papel vital no processo de interrupção, particularmente próximo ao zero de corrente, onde as excursões e colapsos aleatórios podem determinar se o arco é extinto com sucesso. Compreender esses fatores é essencial para projetar e operar disjuntores de gás eficientes e confiáveis.