Disjuntor de Corrente Contínua de Alta Tensão
Interruptores de Circuito HVDC: Funcionalidade, Desafios e Soluções
Um interruptor de circuito HVDC (Corrente Contínua de Alta Tensão) é um dispositivo de comutação especializado projetado para interromper o fluxo de corrente contínua anormal em um circuito elétrico. Quando ocorre uma falha no sistema, os contatos mecânicos do interruptor de circuito separam-se, efetivamente abrindo o circuito. No entanto, interromper o circuito em um sistema HVDC é uma tarefa desafiadora em comparação com seu equivalente AC (Corrente Alternada). Isso ocorre principalmente porque a corrente em um circuito HVDC flui em uma única direção e não passa naturalmente por valores de corrente zero, que são cruciais para a extinção do arco em interruptores de circuito AC.
A função principal de um interruptor de circuito HVDC é interromper os fluxos de corrente contínua de alta tensão na rede de energia. Em contraste, os interruptores de circuito AC podem interromper facilmente o arco quando a corrente atinge seu ponto natural de zero na forma de onda AC. Nesse instante de corrente zero, a energia que precisa ser interrompida também é zero, permitindo que a lacuna entre os contatos recupere sua resistência dielétrica e suporte a tensão de recuperação transitória natural.
Nos interruptores de circuito HVDC, a situação é muito mais complexa. Como a forma de onda DC não possui zeros naturais de corrente, a interrupção forçada do arco pode levar à geração de tensões de recuperação transitórias extremamente altas. Sem a interrupção adequada do arco, existe o risco de reestritos, que podem resultar na destruição dos contatos do interruptor. Ao projetar interruptores de circuito HVDC, os engenheiros devem abordar três desafios-chave:
Criação de Zeros de Corrente Artificiais: Isso é essencial para a extinção do arco, pois a ausência de zeros naturais de corrente em DC torna difícil interromper o arco.
Prevenção de Arcos de Reestrito: Uma vez que o arco é interrompido, medidas devem ser tomadas para evitar que ele se reinicie, o que poderia causar danos ao interruptor e perturbar o sistema.
Dissipação da Energia Armazenada: A energia armazenada nos componentes do sistema precisa ser dissipada de forma segura para evitar perigos potenciais.
Para superar a falta de zeros naturais de corrente, os interruptores de circuito HVDC empregam o princípio de criar zeros de corrente artificiais para a extinção do arco. Uma abordagem comum envolve a introdução de um circuito paralelo L-C (indutor-capacitor). Quando esse circuito é ativado, ele causa a oscilação da corrente do arco. Essas oscilações são intensas e geram múltiplos zeros de corrente artificiais. O interruptor de circuito então extingue o arco em um desses pontos de zero de corrente artificial. Para que este método seja eficaz, a corrente de crista da oscilação deve exceder a corrente contínua que precisa ser interrompida.
Uma implementação mais detalhada envolve a conexão de um circuito ressonante em série, consistindo de um indutor (L) e um capacitor (C), através do contato principal (M) de um interruptor de circuito DC convencional, via um contato auxiliar (S1). Além disso, um resistor (R) é conectado através do contato (S2). Em condições normais de operação, o contato principal (M) e o contato de carregamento (S2) permanecem fechados. O capacitor (C) é carregado à tensão da linha através da alta resistência (R). Enquanto isso, o contato (S1) permanece aberto, com a tensão da linha nele. Esta configuração estabelece as condições necessárias para interromper a corrente DC durante um cenário de falha, gerando zeros de corrente artificiais e gerenciando os processos elétricos associados.
Quando se trata de interromper a corrente principal Id, o mecanismo de operação inicia uma sequência de ações. Primeiro, ele abre o contato S2 e fecha simultaneamente o contato S1. Esta configuração aciona a descarga do capacitor C através da indutância L, do contato principal M e do contato auxiliar S1. Como resultado, estabelece-se uma corrente oscilatória, como ilustrado na figura abaixo. Esta corrente oscilatória gera zeros de corrente artificiais, que são cruciais para o funcionamento adequado do interruptor de circuito. O contato principal M do interruptor de circuito é então aberto precisamente em um desses pontos de zero de corrente artificial. Uma vez que o contato principal M tenha interrompido a corrente com sucesso, o contato S1 é aberto e o contato S2 é fechado, redefinindo o sistema para operações futuras e garantindo a integridade do processo de interrupção de circuito HVDC.
Método Alternativo para Interrupção da Corrente Contínua Principal
Uma abordagem alternativa para interromper a corrente contínua principal em um sistema de corrente contínua de alta tensão (HVDC) envolve desviar a corrente para um capacitor, o que efetivamente reduz a magnitude da corrente que os interruptores de circuito precisam interromper. Este método é ilustrado na figura abaixo e começa com um capacitor C que inicialmente está em estado descarregado.
Quando o contato principal M do interruptor de circuito começa a abrir, ocorre um evento crucial: a corrente do circuito principal, que anteriormente fluía através do contato principal M, é redirecionada e começa a fluir para o capacitor C. Como resultado dessa redireção, a carga de corrente que os contatos principais M têm que lidar durante o processo de interrupção é significativamente diminuída. Esta redução na magnitude da corrente alivia o fardo sobre o interruptor de circuito, tornando o processo de interrupção mais gerenciável e menos propenso a causar danos ou falhas.
Além do papel do capacitor em desviar a corrente, um resistor não linear R também é um componente essencial deste sistema. O resistor não linear R desempenha um papel vital na absorção da energia associada ao fluxo de corrente, sem causar um aumento substancial na tensão através do contato principal M. Ao dissipar a energia de maneira eficiente, o resistor não linear ajuda a manter a integridade do interruptor de circuito e do sistema elétrico geral, garantindo que os níveis de tensão permaneçam dentro dos limites aceitáveis durante o processo de interrupção da corrente. Esta operação coordenada do capacitor C e do resistor não linear R fornece um método eficaz e confiável para interromper a corrente contínua principal em um sistema HVDC.
A taxa de crescimento da tensão de recuperação através de M é expressa como
Em interruptores de circuito DC que dependem de correntes oscilantes para interromper o fluxo, o desafio de prevenir reestritos é particularmente formidável. Isso ocorre devido à duração extremamente curta em que a corrente é interrompida ou "cortada". Quando a corrente é interrompida rapidamente em tão curto período de tempo, gera uma elevação repentina e acentuada na tensão de reestrito através dos terminais do interruptor. Esta tensão de alta magnitude e rápida ascensão representa uma ameaça significativa à integridade do interruptor de circuito. Para garantir o funcionamento confiável, o interruptor de circuito deve ser projetado com resistência dielétrica e capacidades de suportar tensão suficientes para suportar esta intensa tensão de reestrito sem sucumbir a reestritos, que poderiam levar a danos, arcos elétricos e falhas no sistema.
