Condição de operação sob corrente de curto-circuito para equipamentos de comutação

Explicação Detalhada do Fluxo de Corrente e Fenômeno de Pré-Disparo em Equipamentos de Comutação
Em equipamentos de comutação, particularmente em disjuntores (CB) e seccionadores sob carga (LBS), o fluxo de corrente de fechamento refere-se ao processo pelo qual um arco elétrico é iniciado quando os contatos começam a se fechar. Este processo não começa exatamente quando os contatos entram em contato físico, mas pode ocorrer alguns milissegundos antes devido a um fenômeno conhecido como pré-disparo. Abaixo está uma explicação detalhada deste fenômeno e suas implicações.
1. Pré-Disparo: Iniciação do Arco Antes do Contato Físico
•    Quebra Dielétrica: À medida que os contatos se aproximam durante a operação de fechamento, o meio isolante (como ar, SF6 ou vácuo) entre eles sofre uma quebra dielétrica. Isso ocorre porque o campo elétrico na lacuna entre os contatos aumenta à medida que eles se aproximam. Quando a intensidade do campo excede a resistência dielétrica do meio isolante, a lacuna quebra, e um arco de comutação é iniciado.
•    Acúmulo do Campo Elétrico: O campo elétrico entre os contatos se acumula à medida que eles se movem em direção um ao outro. Este campo é proporcional à tensão entre os contatos e inversamente proporcional à distância entre eles. Quando o campo se torna suficientemente forte, causa a ionização das moléculas de gás na lacuna, levando à formação de um caminho condutor para o fluxo de corrente.
•    Iniciação do Arco: O arco é iniciado antes que os contatos realmente toquem, tipicamente alguns milissegundos antes. Esta iniciação precoce do arco é chamada de pré-disparo. Durante o pré-disparo, o arco se forma na pequena lacuna entre os contatos, e a corrente começa a fluir através do arco, em vez de esperar que os contatos façam contato físico.
2. Implicações do Pré-Disparo
•    Fusão Excessiva das Superfícies dos Contatos: Se a energia envolvida no pré-disparo for grande, pode causar fusão excessiva das superfícies dos contatos. Isso é particularmente problemático em condições de curto-circuito, onde a corrente pode ser extremamente alta. O metal fundido nas superfícies dos contatos pode levar à soldagem dos contatos, onde as duas superfícies se fundem.
•    Soldagem dos Contatos: Contatos soldados podem impedir que o dispositivo de comutação responda adequadamente ao próximo comando de abertura. Se o mecanismo de operação do equipamento de comutação não fornecer força suficiente para quebrar os pontos soldados, o dispositivo pode falhar em abrir corretamente, levando a riscos potenciais de segurança e danos ao equipamento.
•    Características da Corrente de Curto-Circuito: As correntes de curto-circuito frequentemente contêm um componente DC, que pode fazer com que o valor pico da corrente seja muito maior do que o de uma corrente de curto-circuito puramente AC. Este aumento do pico de corrente pode agravar os efeitos do pré-disparo, levando a danos mais severos nos contatos e à soldagem.
•    Dependência da Tensão do Arco: A tensão através do arco (tensão do arco) é altamente dependente do meio de interrupção usado no equipamento de comutação. Mesmo com comprimentos de arco muito curtos, podem haver quedas de tensão significativas perto dos eletrodos. Isso ocorre porque a resistência do arco não é uniforme ao longo de seu comprimento, e as regiões próximas aos eletrodos tendem a ter maior resistência devido à concentração de calor e partículas ionizadas.
3. Fechamento em Condições de Curto-Circuito
•    Disjuntores (CB): Nos disjuntores, a operação de fechamento em condições de curto-circuito é particularmente desafiadora. Os níveis de corrente elevados e a presença de um componente DC podem levar a arcos intensos e danos nos contatos. Disjuntores modernos são projetados com materiais avançados e mecanismos de resfriamento para mitigar esses efeitos, mas o pré-disparo permanece uma preocupação.
•    Seccionadores Sob Carga (LBS): Os seccionadores sob carga também são suscetíveis ao pré-disparo durante a operação de fechamento, especialmente em aplicações de alta corrente. No entanto, dispositivos LBS são geralmente usados em aplicações de baixa tensão e baixa corrente em comparação com disjuntores, então o risco de dano severo nos contatos é geralmente menor.
4. Etapas da Operação de Fechamento em Equipamentos de Comutação
A operação de fechamento de equipamentos de comutação pode ser dividida em várias etapas, conforme mostrado na figura:
•    Etapa 1: Aproximação Inicial dos Contatos: Os contatos começam a se mover em direção um ao outro, e o campo elétrico entre eles começa a se acumular. Nesta etapa, nenhuma corrente flui, mas o potencial de pré-disparo está aumentando.
•    Etapa 2: Formação do Arco de Pré-Disparo: À medida que os contatos se aproximam, o campo elétrico excede a resistência dielétrica do meio isolante, causando uma quebra dielétrica. Um arco de pré-disparo é formado, e a corrente começa a fluir através do arco antes que os contatos toquem.
•    Etapa 3: Contato Físico e Transferência do Arco: Os contatos finalmente fazem contato físico, e o arco é transferido da lacuna entre os contatos para as superfícies dos contatos. A corrente continua a fluir através do circuito agora fechado.
•    Etapa 4: Operação em Estado Estacionário: Após os contatos estarem completamente fechados, o sistema entra em operação em estado estacionário, e a corrente flui através dos contatos fechados sem qualquer arco.
5. Estratégias de Mitigação
Para minimizar os efeitos do pré-disparo e da soldagem dos contatos, várias estratégias de design e operacionais podem ser empregadas:
•    Uso de Meios Isolantes de Alta Resistência Dielétrica: Usar meios isolantes com alta resistência dielétrica, como gás SF6 ou vácuo, pode reduzir a probabilidade de pré-disparo, exigindo um campo elétrico mais alto para iniciar a quebra.
•    Materiais Avançados de Contato: Usar materiais de contato com pontos de fusão elevados e boa condutividade térmica pode ajudar a reduzir o dano nos contatos durante o pré-disparo. Materiais como ligas de cobre-tungstênio são comumente usados em equipamentos de comutação de alta tensão.
•    Mecanismos de Resfriamento: Incorporar mecanismos de resfriamento, como sistemas de sopro ou fluxo forçado de gás, pode ajudar a dissipar o calor do arco e reduzir a temperatura das superfícies dos contatos, minimizando o risco de soldagem.
•    Melhorias no Design Mecânico: Garantir que o mecanismo de operação forneça força suficiente para quebrar quaisquer pontos soldados durante a operação de abertura pode evitar que o equipamento de comutação falhe em abrir corretamente.
•    Sistemas de Proteção: Implementar sistemas de proteção, como relés de sobrecorrente e mecanismos de detecção de falhas, pode ajudar a detectar e responder a condições de curto-circuito mais rapidamente, reduzindo a duração e a intensidade do arco.
Conclusão
O fenômeno de pré-disparo, onde o arco é iniciado antes que os contatos entrem em contato físico, é um aspecto crítico da operação de fechamento em equipamentos de comutação. Pode levar a danos excessivos nos contatos, soldagem e potencial falha do dispositivo de comutação. Entender os fatores que contribuem para o pré-disparo, como o acúmulo do campo elétrico e as características do meio isolante, é essencial para o projeto e operação de equipamentos de comutação confiáveis. Ao empregar estratégias de mitigação apropriadas, como o uso de meios isolantes de alta resistência dielétrica, materiais avançados de contato e mecanismos de resfriamento, os efeitos do pré-disparo podem ser minimizados, garantindo a operação segura e confiável de equipamentos de comutação, tanto em disjuntores quanto em seccionadores sob carga.