HECI GCB para Geradores – Disjuntor Rápido SF₆

1. Definição e Função

1.1 Papel do Disjuntor de Circuito do Gerador

O Disjuntor de Circuito do Gerador (GCB) é um ponto de desconexão controlável localizado entre o gerador e o transformador de elevação, servindo como uma interface entre o gerador e a rede elétrica. Suas funções principais incluem isolar falhas do lado do gerador e permitir o controle operacional durante a sincronização do gerador e a conexão à rede. O princípio de funcionamento de um GCB não é significativamente diferente daquele de um disjuntor padrão; no entanto, devido ao alto componente DC presente nas correntes de falha do gerador, os GCBs são obrigados a operar extremamente rapidamente para isolar as falhas rapidamente.

1.2 Comparação Entre Sistemas Com e Sem um Disjuntor de Circuito do Gerador

A Figura 1 ilustra o cenário de interrupção da corrente de falha do gerador em um sistema sem um Disjuntor de Circuito do Gerador.

A Figura 2 mostra o cenário de interrupção da corrente de falha do gerador em um sistema equipado com um Disjuntor de Circuito do Gerador (GCB).

Como ilustrado na comparação acima, as vantagens de instalar um Disjuntor de Circuito do Gerador (GCB) podem ser resumidas da seguinte forma:

Durante a inicialização e desligamento normais da unidade geradora, não é necessária a troca de alimentação auxiliar—apenas a operação do disjuntor de circuito do gerador é necessária, aumentando significativamente a confiabilidade da energia de serviço da estação.

Em caso de falha interna no gerador (ou seja, do lado do gerador do GCB), apenas o disjuntor de circuito do gerador precisa ser disparado, reduzindo grandemente a complexidade operacional durante falhas da unidade.

Fornece melhor proteção para o transformador principal e o transformador de serviço de alta tensão. Quando ocorre uma falha interna em qualquer um desses transformadores, o gerador continua alimentando a corrente de falha durante o período de decaimento de sua corrente de campo (excitação)—mesmo após o disjuntor de alta tensão do transformador principal ter sido aberto pelo relé de proteção. Com um GCB instalado, o gerador pode ser desconectado rapidamente, minimizando danos ao transformador principal—um benefício crítico para unidades geradoras grandes.

Uma vantagem adicional significativa é a mitigação ou eliminação de danos ao gerador causados pela operação não simultânea (discrepância de pólos) do disjuntor de alta tensão. Nas conexões gerador-transformador, o disjuntor de alta tensão opera em alta tensão nominal, e em equipamentos de comutação abertos, a grande distância fase-a-fase impede o travamento mecânico de três fases. Consequentemente, a operação não simultânea pode ocorrer mesmo durante a comutação normal. Tais condições induzem correntes de sequência negativa no estator do gerador, e o rotor tem tolerância muito limitada a campos magnéticos de sequência negativa—potencialmente levando a danos graves no rotor. No entanto, os GCBs modernos são projetados e fabricados com travamento mecânico de três fases, efetivamente prevenindo a operação não simultânea.

Para falhas ocorrendo do lado do gerador do GCB, apenas o disjuntor de circuito do gerador precisa ser disparado—sem abrir o disjuntor de alta tensão do transformador principal—minimizando o impacto na estrutura geral da rede e beneficiando a estabilidade do sistema.

A disposição da usina torna-se mais simples e econômica, reduzindo o tempo de instalação, comissionamento e custos. O transformador de serviço da estação e seus equipamentos de comutação de média e alta tensão associados podem ser eliminados. Com a implementação do GCB, a disponibilidade média da usina aumenta de 0,3% a 0,6%, e maior disponibilidade do gerador se traduz diretamente em receita de energia aumentada.

2. Estrutura e Função

2.1 Estrutura Geral

O sistema de disjuntor essencialmente consiste nos seguintes componentes e equipamentos, todos montados em um suporte comum. Dependendo das especificações do pedido de compra, certos componentes listados podem ser excluídos.

O design padrão do equipamento HEC/HECI inclui:

• Disjuntor SF₆

• Desconector (interruptor isolante)

• Interruptor de aterramento (terra)

• Capacitores

• Transformadores de corrente (TCs)

• Transformadores de tensão (TTs)

Parar-raios, ligações de curto-circuito e o interruptor de partida (para Conversor de Frequência Estática, SFC) estão disponíveis como itens opcionais.

1 – Disjuntor 2 – Desconector (interruptor isolante) 3a – Interruptor de aterramento 3b – Interruptor de aterramento 4 – Ligação de curto-circuito 5 – Interruptor de partida (SFC) 6 – Capacitor

7 – Transformador de corrente 8 – Transformador de tensão 9 – Para-raios 10 – Caixa de proteção

O disjuntor é preenchido com gás SF₆ como meio de extinção do arco. Os contatos principais e os contatos de arco estão separados. Os contatos são operados por um mecanismo acionado por mola. As três polos do disjuntor estão interligados mecanicamente.

1 – Conexão flexível 2 – Disjuntor (interruptor seccionador) 3 – Câmera de extinção de arco 4 – Isolamento 5 – Invólucro 6 – Interruptor de aterramento (grounding) 7 – Conexão de barramento trifásico isolado

8 – Transformador de corrente

Os componentes internos dentro do invólucro do GCB são mostrados na figura abaixo.

2.2 Composição e Função dos Componentes

1) Mecanismo de Operação

O disjuntor do tipo HECI5 usa o mecanismo de operação AHMA 4. A foto física deste mecanismo de operação é a seguinte:

1 – Motor combinado (motor da bomba de óleo) 2 – Contatos auxiliares da válvula de controle 3 – Contatos auxiliares

① Módulo de Operação:

O módulo adota uma estrutura de diferença de pressão constante, onde o óleo de alta pressão atua continuamente no extremo superior do pistão. As velocidades de abertura e fechamento podem ser ajustadas separadamente através de parafusos de restrição correspondentes.

② Módulo de Armazenamento de Energia:

Sob a ação do óleo hidráulico, o pistão do acumulador comprime as molas em disco e armazena energia hidráulica de longo prazo no cilindro do pistão de armazenamento, fornecendo a reserva de energia necessária para as operações de abertura e fechamento.

③ Módulo de Controle:

Os sinais elétricos de comando do centro de controle principal ativam as válvulas solenoides de abertura/fechamento, que, por sua vez, deslocam a válvula de controle direcional para alcançar a abertura ou o fechamento do disjuntor.

④ Módulo Adaptador (Acoplamento):

Durante o movimento do pistão, um braço de manivela conectado impulsiona o interruptor auxiliar para girar, alternando assim os sinais de posição de abertura/fechamento.

⑤ Módulo de Bomba Hidráulica:

Um motor elétrico impulsiona a bomba hidráulica para injetar óleo no acumulador, convertendo energia elétrica em energia hidráulica.

⑥ Módulo de Monitoramento:

A compressão das molas em disco impulsiona um cam em um interruptor de limite, que gira para abrir ou fechar os contatos de um microinterruptor. Isso fornece sinais de alarme e funções de intertravamento automático para o centro de controle principal. (Quando a pressão excede o valor especificado, a válvula de alívio de pressão abre automaticamente para alcançar a proteção contra sobrepresão.)

2) Disjuntor

O disjuntor é o componente principal do GCB. Seu princípio estrutural não é complexo, e seu diagrama esquemático funcional é mostrado abaixo:

S1 – Interruptor de fim de curso da mola S0 – Interruptor auxiliar SA – Indicador de posição Y1 – Bobina de fechamento Y2, Y3 – Bobinas de abertura 1 e 2 M0 – Motor de armazenamento de energia R10 – Aquecedor DI – Indicador de densidade 

F6 – Monitor de densidade

3) Sistema de Gás SF₆

No GCB, o gás SF₆ está presente apenas no disjuntor, no relé de densidade, no medidor de densidade e nos tubos de conexão de gás interconectados.

O monitor de densidade é um dispositivo de monitoramento de pressão compensada pela temperatura usado para monitorar a densidade do gás SF₆ no disjuntor trifásico (trifásico). A pressão do gás pode ser observada diretamente pelo manômetro. Quando a pressão cai abaixo de um limiar especificado, o monitor de densidade envia um sinal de “REABASTECER O GÁS”. Se a pressão do SF₆ continuar a diminuir, dois microinterruptores independentes ativarão intertravamentos que impedirão quaisquer operações de comutação—o disjuntor fica bloqueado mecanica e eletricamente.

Os pontos de ajuste do monitor de densidade são especificados nos diagramas de controle relevantes e nas curvas características de densidade do gás SF₆.

O painel de controle do gabinete de controle consiste principalmente em quatro partes:

• Interruptor de intertravamento

• Contador de operações

• Indicadores de operação e alarme

• Botões de modo de operação local

4) Gabinete de Controle

Todas as funções do mecanismo operacional do disjuntor estão integradas no gabinete de controle. A configuração final e o layout funcional são detalhados nos diagramas de controle relevantes. Os seguintes componentes de controle estão todos alojados dentro do gabinete de controle:

S2 – Seletor Local/Remoto: O modo de operação é selecionado através do seletor S2.

Na posição Remota, os comandos só podem ser emitidos a partir da sala de controle principal.

Na posição Local, os comandos só podem ser iniciados a partir do gabinete de controle do disjuntor.

Quando na posição Local, a chave do seletor S2 não pode ser removida. Recomenda-se que a chave seja armazenada na sala de controle.

S11/S12 – Botões iluminados para operação do disjuntor.

5) Sistema de Alívio de Pressão (Proteção Contra Explosões)

Disco de Ruptura: Em caso de falha de arco interno (causada por corrente de curto-circuito prolongada), se a pressão do gás dentro da carcaça atingir o limiar de ativação, o disco de ruptura rompe-se para liberar a pressão excessiva instantaneamente. Esta ventilação rápida evita a falha catastrófica da carcaça, descarregando de forma segura o gás SF₆ sob pressão excessiva.