Comportamento de Interruptores Desconectadores a Vácuo para Exteriores em Ambientes Simulados
Os disjuntores de vácuo externos são predominantemente utilizados no segmento de Média Alta Tensão (MAT). Eles servem como um componente crucial no setor de distribuição, especialmente nas redes de 11 kV e 33 kV. Uma variedade de materiais compostos é empregada na construção desses disjuntores. Entre eles, o interrompedor de vácuo se destaca como o componente mais vital. Para os disjuntores externos, o interrompedor de vácuo é geralmente encerrado em uma carcaça de porcelana.
Estes disjuntores estão conectados ao mecanismo de operação através de varas de operação moldadas em resina reforçada com fibra de vidro, que, por sua vez, estão ligadas a uma vara de operação comum feita de metal - aço. O mecanismo de operação dos disjuntores de vácuo externos geralmente adota um design de mola, alojado em uma carcaça de aço laminado. Dada a utilização de múltiplos materiais, é essencial avaliar a compatibilidade desses materiais, bem como o design e a execução, sob diversas condições ambientais onde os disjuntores são destinados a operar. Esta avaliação garante um desempenho sem problemas e, consequentemente, a estabilidade da rede elétrica de que fazem parte.
Os testes ambientais para disjuntores, especificamente os testes de baixa e alta temperatura, estão cobertos no item 6.101.3 da IEC 62271-100[1]. Para climas frios, a faixa de temperatura preferida para valores mínimos e máximos é de -50°C a +40°C, enquanto para climas muito quentes, é de -5°C a +50°C. Em altitudes de até 1000 metros, as temperaturas ambientais mínimas preferidas para o teste de baixa temperatura são -10°C, -25°C, -30°C e -40°C. Nas aplicações externas, o design dos disjuntores de vácuo deve levar em conta as mudanças rápidas de temperatura. Na Índia, numerosos locais em regiões como Caxemira, Himachal Pradesh, Uttarakhand e Sikkim enfrentam tais variações de temperatura.
As temperaturas podem cair até -25°C. Nestes locais, os problemas relacionados às condições frias são exacerbados pela ocorrência frequente de fenômenos como vento frio e nevascas. Durante o verão, em muitas partes da Índia, as temperaturas podem chegar a 50°C. Os fabricantes que exportam disjuntores para países que experimentam temperaturas extremamente baixas ou altas precisam determinar o desempenho de seus produtos nessas condições climáticas extremas.
Este artigo aborda o desempenho de disjuntores de vácuo externos de classe 36 kV sob condições ambientais simuladas conforme a IEC 62271-100. Os testes discutidos aqui incluem (a) o teste de baixa temperatura e (b) o teste de alta temperatura. Além disso, o artigo explora o tempo de operação, a diferença de tempo entre polos e o tempo de carga do mecanismo de operação para um VCB de classe 36 kV externo.
Teste de Baixa Temperatura
Para entender o desempenho dos VCBs externos sob condições de baixa temperatura, o procedimento especificado na IEC-62271-100 foi adotado como referência. Este padrão IEC estipula que, para disjuntores de uma única carcaça com um mecanismo de operação comum, devem ser realizados testes trifásicos. Para disjuntores de várias carcaças com polos independentes, é permitido o teste de um polo completo. Nos casos em que existem limitações de instalação de testes, disjuntores de várias carcaças podem ser testados usando uma ou mais das seguintes alternativas, desde que as condições mecânicas de operação do disjuntor no conjunto de testes não sejam mais favoráveis do que as condições normais:
Durante o teste, qualquer manutenção, substituição de peças ou readjuste do disjuntor é proibido. A menos que o design do disjuntor exija uma fonte de calor, os suprimentos de líquido ou gás para o disjuntor devem estar na temperatura do ar de teste.
As seguintes características operacionais do disjuntor devem ser testadas:
Tempo de fechamento
Tempo de abertura
Diferença de tempo entre polos
Dispersão de tempo entre unidades de um polo (se testado multipolo)
Tempo de recarga do dispositivo de operação
Consumo do circuito de controle
Consumo de dispositivos de disparo e gravação de liberadores de derivação
Duração dos impulsos de comando de fechamento e abertura
Teste de estanqueidade, se aplicável
Pressão do gás, se aplicável
Resistência do circuito principal
Gráfico de tempo-deslocamento
Essas características devem ser registradas em:
Parâmetros alterados por pressão não são aplicáveis para VCBs, pois o contato está alojado em recipientes de vácuo e esta montagem do interrompedor de vácuo está encapsulada em uma carcaça de porcelana isolada a ar para aplicações externas.
A sequência de teste para o teste de baixa temperatura é definida no item 6.101.3.3 da IEC 62271-100. As características operacionais iniciais [1.4] são caracterizadas após expor o disjuntor a 20 ± 5°C. Após o exame inicial com o disjuntor na posição fechada, a temperatura será diminuída para a temperatura ambiente mínima conforme a categoria de temperatura. O disjuntor permanecerá na posição fechada por 24 horas com aquecedores anti-condensação ligados. Após 24 horas, o disjuntor é aberto e fechado com valores nominais de tensão de alimentação. O tempo de abertura e fechamento são registrados para estabelecer as características operacionais de baixa temperatura. Em seguida, o fornecimento de energia aos aquecedores anti-condensação é desconectado por um período de tempo (t₁) conforme especificado pelo fabricante, sujeito a um mínimo de duas horas. Durante este intervalo, alarmes são admissíveis, mas bloqueios não são admissíveis. Após o tempo t₁, o disjuntor é aberto e o tempo de abertura é registrado. Se possível, as características de deslocamento mecânico também são medidas para permitir a avaliação da capacidade de interrupção.
O disjuntor permanecerá na posição aberta por 24 horas, após o qual o disjuntor será fechado e aberto. Então, 50 operações CO são realizadas, com as três primeiras operações CO realizadas sem qualquer atraso. As operações CO restantes são realizadas como C - tₑ - O - tₑ. O tempo tₑ é o período de tempo entre as operações. Um intervalo de 3 minutos será permitido para cada ciclo ou sequência. Após a conclusão de 50 operações CO, a temperatura da câmara de teste climático é elevada a uma taxa de 10 K/hora. Durante o período de transição, as operações C - tₑ - O - tₑ e O - tₑ - C - tₑ - O são realizadas de modo que o disjuntor permaneça na posição fechada e aberta por 30 minutos entre as sequências de operação. Após o disjuntor estabilizar à temperatura ambiente, uma medição repetida das características operacionais é realizada a 20 ± 5°C para comparação com as características iniciais a 20 ± 5°C.
O CPRI tem realizado testes de baixa e alta temperatura em equipamentos de média alta tensão (MAT) de até 36 kV há mais de dez anos. A Figura 1 mostra um arranjo típico de teste para um disjuntor de vácuo externo de 36 kV (VCB) instalado na câmara de teste para testes de alta e baixa temperatura.
São apresentados os resultados experimentais para um VCB de classe 36 kV externo durante testes de baixa e alta temperatura. Os VCBs testados estavam equipados com mecanismos de operação a mola.
O teste de alta temperatura foi realizado a +55°C, e os testes de baixa temperatura foram realizados a -10°C e -25°C. As seguintes características foram examinadas para analisar o desempenho do VCB:
Tempo de Fechamento e Abertura (Tempo de Operação):O tempo de fechamento é definido como o intervalo de tempo entre a energização do circuito de fechamento, com o disjuntor na posição aberta, e o instante em que os contatos entram em contato em todos os polos.O tempo de abertura de um disjuntor é definido como o intervalo de tempo entre o instante de energização do acionador de abertura, com o disjuntor na posição fechada, e o instante em que os contatos de arco separam em todos os polos.
Para obter dados volumétricos, o valor médio dos tempos de operação de todos os três polos é considerado para fins de comparação. Como a dispersão de tempo entre polos foi comparada, a mudança máxima entre o tempo máximo e mínimo de polos individuais é automaticamente representada.
a) Dispersão de tempo entre polos
b) Características do dispositivo de recarga, como tempo de recarga e consumo de corrente.
c) Mudança nas características de operação em referência às características de operação iniciais.
O desempenho dos disjuntores durante os testes de alta e baixa temperatura foi comparado em referência às características mencionadas acima, e os resultados são discutidos nas seções subsequentes.
Avaliação de desempenho em alta temperatura
Os resultados do teste de alta temperatura são apresentados na Tabela 1. As características iniciais foram medidas a 20°C. A IEC 62271-100 não especifica nenhum valor para o tempo de operação ou o tempo de fechamento. Os tempos de abertura iniciais medidos são cerca de 36 ms, e o tempo de fechamento é em torno de 44 ms. Da mesma forma, o tempo de recarga do dispositivo de operação varia de 9,6 segundos a 11,3 segundos, e a corrente de recarga está na faixa de 2,8 A a 3,1 A.
Após 24 horas de exposição a 55°C com o disjuntor na posição fechada, o tempo de abertura e o tempo de fechamento aumentaram uniformemente em cerca de 5%. Após uma exposição adicional de 24 horas a 55°C com o disjuntor na posição aberta, o tempo de fechamento aumentou em cerca de 2,5%, e o tempo de abertura aumentou em 4%.
Não houve mudança significativa na dispersão de tempo entre polos para todas as três amostras de teste durante todo o teste. Portanto, pode-se inferir que o comportamento é semelhante em todos os polos do VCB.O tempo de recarga diminuiu de 11,3 segundos para 9,6 segundos, mas a corrente mudou de 2,9 A para 3,4 A.
Ao comparar os tempos de abertura e fechamento entre os valores iniciais e finais a temperaturas ambientes, observou-se uma mudança inferior a 1% no tempo de operação, que é negligenciável.
As características operacionais iniciais foram medidas a 20°C. Os valores iniciais medidos do tempo de abertura foram em torno de 36 ms, e o tempo de fechamento foi de 44 ms. Da mesma forma, o tempo de recarga do dispositivo de operação foi de 10,6 segundos, e a corrente do dispositivo de recarga foi de 2,8 A.
Após 24 horas de exposição a -10°C com o disjuntor na posição fechada, o tempo de abertura diminuiu em cerca de 0,7%, e o tempo de fechamento aumentou em cerca de 2%, sem mudança significativa.
Durante o período de duas horas sem aquecedores anti-condensação, o tempo de abertura diminuiu em 1,36%.Após uma exposição adicional de 24 horas a -10°C com o disjuntor na posição aberta, o tempo de fechamento aumentou em cerca de 3%, e o tempo de abertura diminuiu em cerca de 2%.
Durante o teste final a temperatura ambiente, a mudança foi inferior a 1%. Durante todo o período de teste de baixa temperatura a -10°C, não houve mudança significativa na dispersão de tempo entre polos.
O desempenho do disjuntor em várias temperaturas, começando em +55°C, -10°C e -25°C, é apresentado na Tabela 1.
Mudanças significativas no tempo de operação foram observadas quando o disjuntor operou a uma baixa temperatura de -25°C. Os resultados na Tabela 3 indicam que o disjuntor exibiu lentidão durante a abertura e fechamento a -25°C. A mudança percentual no tempo de operação a -25°C foi notavelmente diferente. Após 24 horas de exposição, o tempo de abertura aumentou em 30%, e o tempo de fechamento aumentou em aproximadamente 25%. Da mesma forma, após os elementos de aquecimento anti-condensação serem desligados por duas horas, o tempo de abertura aumentou em 46%. Uma exposição adicional de 24 horas a -25°C com o disjuntor na posição aberta e o fornecimento de energia aos elementos de aquecimento anti-condensação restaurado resultou em um aumento de 44% no tempo de abertura e de 21% no tempo de fechamento. Os gráficos de tempo para o tempo de fechamento e abertura registrados durante o teste mostram claramente essas mudanças.
O teste a uma temperatura ambiente de 20°C é mostrado na Figura 2. Os gráficos de tempo do tempo de fechamento registrados após 50 horas de exposição a -25°C são fornecidos na Figura 3. Ao comparar, a lentidão do disjuntor a -25°C é claramente evidente.
Ao comparar com seu desempenho a -10°C, onde a mudança no tempo de operação foi apenas em torno de 0,5% a 3%, as características do disjuntor a -25°C se deterioraram significativamente. A -25°C, as mudanças no tempo de operação durante várias etapas do teste atingiram aproximadamente 45%.
Este artigo apresenta os resultados experimentais da comparação do desempenho de disjuntores de vácuo externos de classe 36 kV (VCBs) durante testes de baixa e alta temperatura conforme a IEC 62271-100.
As principais conclusões deste artigo são as seguintes:
Durante o teste de alta temperatura a 55°C, os VCBs externos apresentaram um desempenho satisfatório. As mudanças observadas no tempo de operação e na dispersão de tempo entre polos foram insignificantes.
Durante o teste de baixa temperatura a -10°C, as mudanças no tempo de operação e na dispersão de tempo entre polos foram insignificantes.
Mudanças significativas no tempo de operação foram observadas quando o disjuntor operou a uma baixa temperatura de -25°C. As mudanças observadas no tempo de abertura variaram de 20% a 46%, e as mudanças no tempo de fechamento variaram de 25% a 43%.
Os testes realizados indicam que, mesmo se um VCB externo puder operar normalmente a -10°C, não há garantia de que ele terá o mesmo desempenho em condições mais frias, como -25°C. Assim, é essencial verificar seu desempenho na baixa temperatura requerida.
