Papel dos anéis expansíveis em interrompedores a vácuo

Introdução aos Interruptores a Vácuo e às Dobradiças

Com os avanços tecnológicos e a crescente preocupação com o aquecimento global, os disjuntores a vácuo têm se destacado como uma consideração significativa no domínio da engenharia elétrica.
As futuras redes de energia estão impondo demandas cada vez mais rigorosas no desempenho de comutação dos disjuntores, com ênfase particular em velocidades de comutação mais altas e longevidade operacional estendida. Nos disjuntores de média tensão, os interruptores a vácuo (VIs) ganharam preferência generalizada. Isso ocorre porque o uso do vácuo como meio de interrupção oferece vantagens inigualáveis nessa faixa específica de aplicação. O interruptor a vácuo serve como o componente central de um disjuntor a vácuo, e as dobradiças desempenham um papel crucial e eficaz dentro dos interruptores a vácuo.

As dobradiças metálicas são projetadas para manter um selo de ultra-alto vácuo, enquanto simultaneamente permitem o movimento translacional do contato elétrico móvel dentro da câmara do interruptor. No entanto, a vida útil mecânica de um interruptor a vácuo é predominantemente limitada pelas chamadas dobradiças a vácuo. No contexto dos futuros disjuntores, a busca por velocidades de comutação mais rápidas resultará inevitavelmente em cargas dinâmicas de impacto de maior intensidade. Essas cargas podem desencadear oscilações nas dobradiças com amplitudes maiores, reduzindo significativamente a vida útil das dobradiças. Além disso, dado o aumento previsto na frequência das operações de comutação nas futuras redes de energia, a simulação das dobradiças a vácuo torna-se indispensável para otimizar seu design e, consequentemente, aumentar a vida útil mecânica dos interruptores a vácuo.

O Papel das Dobradiças nos Interruptores a Vácuo

As dobradiças, geralmente fabricadas a partir de folhas finas de aço inoxidável, são projetadas para facilitar a abertura e fechamento dos contatos, garantindo a manutenção de um ambiente de vácuo dentro do interruptor.
A resistência à fadiga das dobradiças é um fator-chave que determina a vida útil mecânica de um interruptor a vácuo. Cada operação de abertura e fechamento dos contatos submete as dobradiças a tensões, especialmente as convoluções localizadas mais próximas das extremidades. Além da tensão mecânica direta proveniente do movimento operacional, as dobradiças também experimentam oscilações pós-operacionais uma vez que o movimento do contato cessa. Essas oscilações contribuem ainda mais para o desgaste das dobradiças, acelerando sua degradação ao longo do tempo.
A Figura 1 ilustra um tipo específico de dobradiça para interruptores a vácuo fabricada pela empresa Sigma-Netics.

Fig 1: Dobradiças de Interruptor a Vácuo da Companhia Sigma-Netics

A vida útil mecânica dos interruptores a vácuo é significativamente influenciada por vários parâmetros críticos de movimento dos contatos:

• Curso ou distância de separação dos contatos em estado estável: Isso determina a distância que os contatos se separam durante a operação, impactando a isolamento elétrico e as capacidades de extinção do arco.

• Velocidade de abertura e fechamento: Velocidades mais altas podem melhorar o desempenho de comutação, mas também impõem cargas dinâmicas maiores aos componentes, incluindo as dobradiças.

• Amortecimento no final do curso de abertura e fechamento: Um amortecimento adequado é essencial para minimizar as vibrações e reduzir a tensão mecânica nas dobradiças e outras partes.

• Sobrepassagem e rebote na abertura: Esses fenômenos podem causar desgaste adicional nos contatos e nas dobradiças, potencialmente encurtando a vida útil geral.

• Resiliência de montagem: A forma como o interruptor a vácuo é montado pode afetar a distribuição das forças durante a operação, influenciando a vida útil mecânica das dobradiças.

• Bate-rebate dos contatos no fechamento: O bate-rebate excessivo dos contatos pode levar a arcos e aumentar a tensão nas dobradiças, degradando seu desempenho ao longo do tempo.

As dobradiças desempenham um papel duplo nos interruptores a vácuo. Elas permitem o movimento do contato móvel, mantendo um selo hermético a vácuo. Construídas em aço inoxidável, geralmente com uma espessura de aproximadamente 150 µm, são projetadas para suportar as duras condições operacionais dentro do interruptor. Três tipos de dobradiças foram integrados com sucesso nos designs de interruptores a vácuo:

• Dobradiças hidroformadas sem emendas: Estas são formadas sem emendas visíveis, possivelmente oferecendo integridade e desempenho aprimorados.

• Dobradiças hidroformadas com emendas soldadas: Fabricadas soldando as emendas após a hidroformação, elas equilibram custo e requisitos de desempenho.

• Dobradiças feitas de arruelas de aço inoxidável finas soldadas nas bordas: Construídas soldando arruelas finas juntas, fornecem uma solução econômica para certas aplicações.

Detalhes abrangentes sobre o design e o desempenho das dobradiças podem ser encontrados nos Padrões EJMA.

Uma extremidade da dobradiça é fixada de forma segura através de brasagem à placa final do interruptor a vácuo, enquanto a outra extremidade é brasada ao terminal móvel e se move em conjunto com ele conforme os contatos abrem e fecham. Em um interruptor a vácuo, as dobradiças são submetidas a movimentos impulsivos durante as operações de contato. A velocidade de abertura do contato móvel pode aumentar rapidamente de 0 m/s para até 2 m/s em menos de 100 µs. No final do curso do contato, seja na abertura ou no fechamento, a extremidade móvel da dobradiça para abruptamente.

A frequência dessas operações de abertura e fechamento varia dependendo do ciclo de trabalho. Em alguns casos, podem ocorrer muitas vezes, enquanto em outros, são raras. O movimento imposto às dobradiças está longe de ser uniforme, e é comum que as dobradiças oscilem várias vezes durante uma única operação de abertura ou fechamento. Para aqueles interessados em analisar esse movimento das dobradiças, foi desenvolvida uma abordagem analítica geral para determinar as tensões dinâmicas experimentadas pelas dobradiças sob movimento impulsivo.

A maioria dos fabricantes de interruptores a vácuo obtém suas dobradiças de fabricantes de dobradiças bem estabelecidos e colabora com eles para alcançar a vida útil desejada das dobradiças. Isso geralmente é feito incorporando as dobradiças em um interruptor a vácuo prático e realizando testes de vida útil mecânica em um número estatisticamente significativo de amostras de interruptores a vácuo. Uma vida útil mecânica especificada pode então ser atribuída ao interruptor a vácuo com aquelas dobradiças usando análise Weibull. Geralmente, o limite de vida útil mecânica de um interruptor a vácuo é determinado pelo número de operações que as dobradiças podem suportar antes da falha por fadiga.

Quando se realiza testes mecânicos em um interruptor a vácuo, é crucial submeter as dobradiças aos mesmos parâmetros operacionais que elas encontrarão em um dispositivo de comutação. Esses parâmetros incluem o percurso total (distância de operação mais o excesso de percurso), a velocidade máxima de abertura, a velocidade máxima de fechamento e os efeitos da aceleração e desaceleração. Testar as dobradiças dentro do interruptor a vácuo garante que elas passem por todos os processos de fabricação que o dispositivo final experimentará. Por exemplo, deve ser exposta a todos os ciclos de aquecimento e resfriamento necessários para a fabricação de interruptores a vácuo. Esses processos inevitavelmente anealam o metal das dobradiças, alterando sua microestrutura granular e, consequentemente, suas características de desempenho.

A vida útil mecânica de uma dobradiça específica depende não apenas dos parâmetros operacionais mencionados acima, mas também de seus próprios atributos físicos. Esses incluem o tipo de aço inoxidável usado, seu comprimento, diâmetro, espessura, o número de convoluções e sua capacidade de amortecer o movimento uma vez que o contato pare de se mover. É viável projetar dobradiças que possam confiavelmente realizar as 30.000 operações normais exigidas para a maioria dos disjuntores a vácuo e reinterruptores a vácuo, e até mesmo ultrapassar 10^6 operações para contatadores a vácuo. No entanto, apesar dos esforços dos fabricantes de interruptores a vácuo para projetar seus produtos para atender à vida útil mecânica especificada de diversos dispositivos de comutação, a maioria dos interruptores a vácuo não alcança sua vida útil declarada quando implantados no campo.Para mais insights sobre as razões de falha dos Interruptores a Vácuo (VIs), consulte o artigo relevante.

O designer do interruptor a vácuo deve tomar precauções para evitar que o usuário torça as dobradiças ao instalar o interruptor a vácuo em um mecanismo. Uma dobradiça torcida pode ter sua vida útil mecânica severamente reduzida, potencialmente a menos de 1% de sua vida útil projetada. O torque que pode ser aplicado às dobradiças de parede fina em um interruptor a vácuo antes de uma torção permanente é relativamente baixo, aproximadamente 8,5–11,5 Nm. Para evitar a torção das dobradiças, o designer deve inserir um coxim anti-torção nelas. Este coxim pode ser fixado preso à placa final do interruptor. A superfície interna do coxim é formatada ou possui uma chave para impedir qualquer rotação do terminal de cobre móvel anexado às dobradiças (como mostrado na Figura 2). O material do coxim pode ser metálico ou um plástico como Nylatron. Quando se usam materiais plásticos como Nylatron e Valox, é necessário ter cautela. Esses materiais só podem ser usados em aplicações onde a temperatura máxima permitida que eles experimentarão é limitada. Por exemplo, para Nylatron, a temperatura na qual sua resistência à tração é reduzida a 50% após 100.000 horas é aproximadamente 125°C (pode suportar temperaturas mais altas por períodos curtos sem deformar devido ao seu conteúdo de fibra de vidro), e para Valox DR48, é cerca de 140°C. Há também plásticos de alta temperatura mais caros disponíveis, como o "Ultem 2310 R".

Fig 2: Exemplos de Coxins Anti-torção para Proteção de Dobradiças

O material usado para esses coxins anti-torção tem uma temperatura máxima permitida de aproximadamente 180°C. Pode suportar exposição de curto prazo (cerca de 1 hora) a temperaturas acima desse limite sem deformação significativa.

Para interruptores a vácuo operando em tensões mais altas de disjuntores, é necessário um curso de contato mais longo. Por exemplo, em 72,5 kV, é necessário um curso de aproximadamente 40 mm. Para acomodar esse curso estendido, as dobradiças devem ser proporcionalmente alongadas. No entanto, dobradiças muito longas não abrem e fecham de maneira uniforme. Em vez disso, tendem a se contorcer durante o movimento. Como resultado, as convoluções internas das dobradiças podem esfregar contra o terminal de cobre (Cu). Essa fricção pode substancialmente reduzir a vida útil das dobradiças.

Para resolver esse problema, foram desenvolvidas dobradiças especializadas com almofadas internas. Essas almofadas deslizam ao longo dos terminais de Cu, minimizando o desgaste. Um exemplo de tal design de dobradiça é ilustrado na Figura 3.