Fenômenos criados durante a comutação de transformadores sem carga por disjuntor de alta tensão AIS
Introdução aos Isoladores de Alta Tensão
Diferença entre Disjuntores de Alta Tensão e Chaves de Aterramento
Disjuntor de Alta Tensão (Disjuntor) e Chave de Aterramento são dois dispositivos de comutação mecânica diferentes, cada um desempenhando um papel crucial nos sistemas de energia.
Disjuntor de Alta Tensão: É usado principalmente para indicar se um circuito está aberto ou fechado. O disjuntor tem a capacidade de interromper a corrente, permitindo que ele corte grandes correntes sob condições de carga e mantenha a estabilidade quando os pontos de contato estão separados e uma tensão de recuperação é estabelecida. Os disjuntores de alta tensão são tipicamente usados para proteger os sistemas de energia de falhas como curto-circuito e sobrecarga.
Chave de Aterramento: Sua função principal é aterrar várias partes de um circuito, incluindo equipamentos, garantindo o contato seguro. Uma chave de aterramento não tem a capacidade de interromper a corrente, portanto, não pode ser usada para cortar correntes de carga. Geralmente é usada em conjunto com um disjuntor de alta tensão para garantir que, após o disjuntor ser aberto, todas as partes do circuito possam ser confiavelmente aterradas, evitando choques elétricos acidentais.
Limitações Operacionais dos Disjuntores de Alta Tensão AIS
No Quadro de Comando e Proteção Aéreo (AIS), um disjuntor de alta tensão não pode interromper a corrente enquanto conduz ou após os contatos serem separados e uma tensão de recuperação ser estabelecida entre eles. Isso significa que, se o disjuntor operar sob condições de carga, ele só pode interromper efetivamente pequenas correntes. Especificamente, quando a tensão nominal aparece entre os contatos, o disjuntor pode interromper pequenas correntes, mas não pode lidar com correntes altas ou cargas pesadas.
Função das Chaves de Aterramento
O papel principal de uma chave de aterramento é aterrar várias partes de um circuito, garantindo segurança durante manutenção ou inspeção. Pode ser usada em conjunto com um disjuntor de alta tensão ou independentemente. Ao aterrar o circuito, a chave de aterramento elimina efetivamente a acumulação de carga estática, previne choques elétricos acidentais e fornece segurança para trabalhos de manutenção subsequentes.
Visão Geral da Comutação de Transformadores Sem Carga e Capacitiva
Capacidade de Comutação de Corrente Capacitiva de Disjuntores de Alta Tensão
De acordo com os padrões IEC, os disjuntores de alta tensão não são especificamente projetados para interromper correntes de falha, mas, como operam sob condições de carga, são esperados para interromper pequenas correntes. A definição IEC de isoladores (disconectores) afirma que um disjuntor (isolador) pode abrir ou fechar um circuito onde a corrente interrompida ou conectada é negligenciável, ou onde a tensão entre os terminais dos polos do disjuntor não muda.
Embora não seja explicitamente declarado, esta descrição pode ser interpretada como referência a pequenas correntes de carga capacitiva e comutação de laço (também conhecida como comutação paralela), que, em aplicações específicas, são chamadas de chaves de transferência de barramento. O IEC 62271-102 confirma isso e define um limite superior de 0,5 A para correntes de carga capacitiva "negligenciáveis", com valores mais altos requerendo acordo entre o usuário e o fabricante.
Corrente Nominal de Transferência de Barramento
De acordo com o IEC 62271-102, a corrente nominal de transferência de barramento é especificada da seguinte forma:
Para níveis de tensão 52 kV < Ur < 245 kV, a corrente de transferência de barramento é 80% da corrente normal nominal do disjuntor, mas limitada a 1600 A.
Para níveis de tensão 245 kV ≤ Ur ≤ 550 kV, a corrente de transferência de barramento é 60% da corrente normal nominal do disjuntor.
Para níveis de tensão Ur > 550 kV, a corrente de transferência de barramento é 80% da corrente normal nominal do disjuntor, mas limitada a 4000 A.
Aplicação da Comutação de Transformadores Sem Carga
Na prática, especialmente na América do Norte, disjuntores a ar são comumente usados para comutar transformadores sem carga. A corrente de magnetização de um transformador sem carga é geralmente muito baixa, normalmente 1 A ou menos. Nesse caso, o transformador pode ser representado como um circuito RLC em série (como mostrado na Figura 1), com oscilações relacionadas subamortecidas, e o fator de amplitude sendo 1,4 ou menos por unidade.
Comutação de Laços em Transmissões Paralelas
Outra prática comum é estender a transferência de barramento para a comutação entre laços de transmissão paralelos, embora a corrente seja menor devido à maior impedância do laço. Esta abordagem pode reduzir efetivamente a geração de arco e flutuações de tensão durante a comutação.
Aplicação de Dispositivos Auxiliares de Comutação
Uma prática amplamente utilizada na América do Norte, mas menos comum em outras regiões, é a adição de dispositivos auxiliares de comutação para mitigar a severidade dos eventos de comutação. Por exemplo, esses dispositivos podem minimizar a ocorrência de reestritos ou alcançar maior capacidade de interrupção. O uso de dispositivos auxiliares de comutação pode melhorar a confiabilidade e a segurança do sistema, especialmente ao lidar com correntes altas ou circuitos complexos.
Comutação de Transformadores Sem Carga Usando Isoladores de Alta Tensão AIS
Para a comutação de transformadores sem carga na faixa de 72,5–245 kV, os isoladores de alta tensão AIS são comumente usados. Como a corrente de magnetização de um transformador sem carga é geralmente muito baixa (normalmente 1 A ou menos), os isoladores podem realizar a operação de comutação de forma segura. O transformador pode ser simplificado como um circuito RLC em série, com oscilações relacionadas subamortecidas, e o fator de amplitude sendo 1,4 ou menos por unidade.
Neste cenário, a tarefa principal do isolador é garantir que a corrente de magnetização do transformador não cause arcos significativos ou flutuações de tensão durante a comutação. Através de um projeto e operação adequados, os isoladores de alta tensão AIS podem cumprir efetivamente essa tarefa, assegurando a operação segura e estável do sistema de energia.
Um traçado de um evento real de comutação no campo é mostrado na Fig. 2.
A tensão de recuperação transitória (TRV) através da chave de desconexão é, portanto, a diferença entre a tensão da fonte e a oscilação do lado do transformador, conforme ilustrado na Fig. 3.
Interrupção de Corrente: Um Evento Dielétrico
A interrupção de corrente ocorre fundamentalmente quando a lacuna entre os contatos se torna suficientemente grande para suportar a tensão de recuperação transitória (TRV). Este processo é intrinsecamente um evento dielétrico, onde a resistência dielétrica do ar ou vácuo entre os contatos supera a tensão aplicada, extinguido efetivamente o arco e interrompendo o fluxo de corrente.
Interrupção da Corrente de Magnetização de um Transformador Sem Carga
A interrupção da corrente de magnetização de um transformador sem carga é um evento repetitivo de abertura e fechamento que pode resultar em múltiplos reestritos. Cada reestrito pode induzir correntes de surto, prolongando a duração do arco, estendendo o tempo total de comutação e causando desgaste nos contatos do arco. A natureza repetitiva desses eventos pode levar a um estresse significativo no equipamento de comutação e potencialmente degradar seu desempenho ao longo do tempo.
Para mitigar esses efeitos, é crucial garantir que o dispositivo de comutação seja capaz de lidar com as características específicas da corrente de magnetização, como seu comportamento de inrush e as tensões transitórias associadas. Um projeto e seleção adequados do equipamento de comutação, juntamente com o uso de dispositivos auxiliares como parafusos de surto ou resistores de amortecimento, podem ajudar a reduzir a probabilidade de reestritos e minimizar o impacto no sistema.
