O que deve ser levado em consideração no projeto de disjuntores de postes de baixa tensão

Dyson

Campo: Padrões Elétricos

China

Os disjuntores de postes de baixa tensão são dispositivos críticos de proteção e controle em sistemas de energia, cujo design e operação afetam diretamente a segurança e a confiabilidade do sistema. Seu design deve abordar de forma abrangente a adaptabilidade ambiental, a coordenação de parâmetros elétricos e a seleção de atuadores para garantir uma operação estável em diversas condições. Durante a operação, é essencial a estrita aderência aos protocolos de segurança, manutenção regular e tratamento adequado de situações excepcionais para prevenir acidentes causados por operações incorretas. Este artigo sistematicamente esboça os princípios de design e padrões operacionais chave para disjuntores de postes de baixa tensão, fornecendo orientação profissional para o pessoal de engenharia.

1. Considerações de Design para Disjuntores de Postes de Baixa Tensão

O design dos disjuntores de postes de baixa tensão deve suportar ambientes externos severos enquanto cumpre os requisitos de proteção e controle.

1.1 Adaptabilidade Ambiental

Como equipamentos instalados ao ar livre, esses disjuntores devem suportar flutuações de temperatura, umidade, corrosão por névoa salina e vibração mecânica. De acordo com GB/T 2423.17, eles devem passar no teste de spray neutro de sal por 72 horas (Nível 5), adequado para áreas costeiras ou industriais, com Grau de Poluição 3 para resistir à poluição condutora ou condensação. Para altitudes elevadas (>2000m), os parâmetros de isolamento e aumento de temperatura devem ser ajustados conforme GB/T 20645-2021 (o limite de aumento de temperatura diminui 1% a cada 100m de aumento; redução da classificação de corrente necessária acima de 4000m).

Para baixas temperaturas, a operação a -40°C e armazenamento a -55°C devem ser garantidos, com desempenho confiável do atuador. A resistência aos raios UV requer revestimentos de superfície, como tinta de poliamida (ângulo de contato >90°) ou PVDF (resistência ao envelhecimento UV ≥ Nível 8). O selamento da caixa deve atender aos padrões IP54/55 para prevenir a degradação do isolamento.

1.2 Coordenação de Parâmetros Elétricos

O cálculo preciso da corrente de curto-circuito e a seleção adequada de parâmetros são cruciais. As correntes de curto-circuito devem ser calculadas usando o método absoluto, considerando as correntes de falha de três fases, duas fases e fase-terra. A corrente inicial de curto-circuito trifásico é calculada como:

onde é a tensão nominal de linha, e $, são a resistência total e reatância do circuito de curto-circuito. A capacidade nominal de interrupção de curto-circuito do disjuntor (Ics) não deve ser inferior à corrente de curto-circuito trifásico máxima. A verificação de sensibilidade exige que a corrente de curto-circuito mínima no final da linha seja pelo menos 1,3 vezes a configuração de disparo de sobrecorrente instantânea ou de curta duração: .$

Para a proteção contra sobrecarga, a configuração de disparo de longa duração deve satisfazer , onde é a capacidade de condução contínua do condutor e $I_{c}$ é a corrente de carga calculada. Para a proteção contra curto-circuito, a configuração de disparo instantâneo deve ser ≥1,2 vezes a corrente de partida total do motor mais grande (por exemplo, 20–35 vezes a corrente nominal para motores de rotor em gaiola), enquanto a configuração de curta duração deve evitar picos de carga transitórios, geralmente configurada em 1,2 vezes (corrente de partida máxima do motor + outras correntes de carga).

1.3 Seleção do Atuador

Mecanismos operados por molas são comumente usados, exigindo confiabilidade, antipulso, liberação livre e funções de amortecimento. Parâmetros de tempo: disjuntores moldados—fechamento ≤0,2s, abertura ≤0,1s; disjuntores moldados—vida mecânica ≥10.000 operações (disjuntores moldados ≥20.000). O atuador deve incluir detecção de armazenamento de energia e travamento para operação segura. Características dinâmicas exigem controle otimizado de velocidade e deslocamento de contato (por exemplo, controle em etapas para disjuntores a vácuo para minimizar o rebote de contato). As características de saída devem corresponder ao disjuntor para garantir o fechamento sob condições de curto-circuito. Em regiões frias, a ESR do capacitor aumenta a -40°C, prolongando o tempo de fechamento; testes de variação de temperatura são essenciais.

2. Design de Funções de Proteção e Seleção de Configurações

2.1 Proteção Contra Sobrecarga

Geralmente implementada através de unidades térmicas-magnéticas ou eletrônicas. As unidades térmicas-magnéticas utilizam tiras bimetálicas com características de tempo inverso (tempo de disparo inversamente proporcional ao quadrado da corrente de sobrecarga). As unidades eletrônicas oferecem controle preciso, com configurações de disparo de longa duração variando de 0,4 a 1 vezes a corrente nominal . As configurações devem satisfazer e . Sensibilidade: , onde $I_{kmin}$ é a corrente de curto-circuito monofásico mínima no final da linha. Para cargas críticas, a proteção contra sobrecarga pode acionar alarmes em vez de disparos.

2.2 Proteção Contra Curto-Circuito

Inclui proteção de curta duração e instantânea. A proteção de curta duração garante seletividade: $×$ (corrente de partida máxima do motor + outras cargas), com atrasos de tempo (0,1–0,4s) coordenados com disjuntores upstream (≥0,1–0,2s de diferença de tempo). A proteção instantânea visa falhas graves: $×$ corrente de partida total do motor (por exemplo, 12–18 vezes $I_{n}$ para motores). Para alimentadores de distribuição, preferem-se unidades eletrônicas com proteção instantânea atrasada. Seletividade: configuração de curta duração upstream ≥1,3 × configuração instantânea downstream, com ≥0,1–0,2s de diferença de tempo.

2.3 Proteção Contra Subtensão

Previne danos ao equipamento devido a quedas de tensão. Intervalo de disparo: 35%–70% da tensão nominal. Os tipos instantâneos disparam imediatamente, mas podem causar disparos indesejados; os tipos atrasados (0–5s) ignoram flutuações transitórias, adequados para uso industrial. A tensão nominal da unidade de disparo de subtensão deve corresponder à tensão da linha, e sua função não deve interferir com outras proteções. Recomendam-se tipos atrasados (0,2–3s) para aplicações industriais.

3. Coordenação de Seletividade e Proteção em Cascata

Zonas de Seletividade

Zona 1 (Isc < Icu downstream): Realizada através de graduação de corrente e tempo (por exemplo, upstream $×$ downstream $I_{se t 3}$ , atraso de tempo ≥ downstream + 0,1s).
Zona 2 (Icu downstream < Isc < Icu upstream): Depende de características limitadoras de corrente ou dados do fabricante. Limite de seletividade $I_{s}$ pode ser menor que o Icu downstream (seletividade parcial).
Zona 3 (Isc > Icu upstream): Requer testes; os contatos upstream podem abrir momentaneamente (≤30ms) sem disparo, desde que não ocorra soldagem.

3.2 Proteção em Cascata

Utiliza a limitação de corrente do disjuntor upstream para permitir o uso de disjuntores downstream com capacidade de interrupção menor, reduzindo custos. Exige configurações instantâneas correspondentes e evitar cargas críticas em circuitos em cascata. A seletividade baseada em energia (por exemplo, em disjuntores tipo A) pode melhorar os limites de seletividade, mas a verificação através de dados do fabricante é essencial.

3.3 Métodos de Seletividade

Seletividade de Corrente: Configuração instantânea upstream ≥1,3 × downstream.
Seletividade de Tempo: Atraso de curta duração upstream ≥ downstream + 0,1–0,2s.
Seletividade de Energia: Baseada nos requisitos de energia do sistema de contatos.
Seletividade Lógica: A detecção de falhas downstream envia um sinal de bloqueio para upstream, permitindo um disparo rápido downstream enquanto upstream permanece fechado—garantindo proteção "estável, precisa, rápida".