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

Explicação Detalhada do Fluxo de Corrente e Fenômeno de Pré-Choque em Equipamentos de Distribuição

Em equipamentos de distribuição, particularmente em disjuntores (CB) e interruptores de 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 tocam fisicamente, mas pode ocorrer alguns milissegundos antes devido a um fenômeno conhecido como pré-choque. Abaixo está uma explicação detalhada deste fenômeno e suas implicações.

1. Pré-Choque: 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 ultrapassa a resistência dielétrica do meio isolante, a lacuna quebra e um arco de comutação é iniciado.

• Construção do Campo Elétrico: O campo elétrico entre os contatos se constrói conforme eles se movem um em direção 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, ele causa a ionização das moléculas de gás na lacuna, levando à formação de um caminho condutor para a corrente fluir.

• 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-choque. Durante o pré-choque, 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-Choque

• Fusão Excessiva das Superfícies dos Contatos: Se a energia envolvida no pré-choque 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 distribuição 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, o 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-choque, levando a danos mais severos nos contatos e soldagem.

• Dependência da Tensão do Arco: A tensão sobre o arco (tensão do arco) é altamente dependente do meio de interrupção usado no equipamento de distribuição. Mesmo com comprimentos de arco muito curtos, podem haver quedas significativas de tensão 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 sob 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-choque permanece uma preocupação.

• Interruptores de Carga (LBS): Os interruptores de carga também são suscetíveis ao pré-choque durante a operação de fechamento, especialmente em aplicações de alta corrente. No entanto, os dispositivos LBS são tipicamente usados em aplicações de baixa tensão e baixa corrente em comparação com disjuntores, então o risco de danos graves nos contatos geralmente é menor.

4. Estágios da Operação de Fechamento em Equipamentos de Distribuição

A operação de fechamento de equipamentos de distribuição pode ser dividida em vários estágios, conforme mostrado na figura:

• Estágio 1: Aproximação Inicial dos Contatos: Os contatos começam a se mover um em direção ao outro, e o campo elétrico entre eles começa a se construir. Nesta etapa, nenhuma corrente flui, mas o potencial para pré-choque está aumentando.

• Estágio 2: Formação do Arco de Pré-Choque: À medida que os contatos se aproximam, o campo elétrico ultrapassa a resistência dielétrica do meio isolante, causando uma quebra dielétrica. Um arco de pré-choque é formado, e a corrente começa a fluir através do arco antes que os contatos toquem.

• Estágio 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.

• Estágio 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-choque 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-choque, exigindo um campo elétrico mais alto para iniciar a quebra.

• Materiais Avançados de Contato: Usar materiais de contato com altos pontos de fusão e boa condutividade térmica pode ajudar a reduzir o dano dos contatos durante o pré-choque. Materiais como ligas de cobre-tungstênio são comumente usados em equipamentos de distribuição de alta tensão.

• Mecanismos de Resfriamento: Incorporar mecanismos de resfriamento, como sistemas de sopro ou fluxo de gás forçado, 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 distribuição 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-choque, onde o arco é iniciado antes que os contatos toquem fisicamente, é um aspecto crítico da operação de fechamento em equipamentos de distribuição. Pode levar a danos excessivos nos contatos, soldagem e potencial falha do dispositivo de comutação. Compreender os fatores que contribuem para o pré-choque, como a construção do campo elétrico e as características do meio isolante, é essencial para o projeto e operação de equipamentos de distribuição 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-choque podem ser minimizados, garantindo a operação segura e confiável de equipamentos de distribuição, tanto em disjuntores quanto em interruptores de carga.