Interruptores de Ar Comprimido: Operação, Vantagens e Tipos

Um interruptor de ar comprimido utiliza ar comprimido ou gás como meio de interrupção do arco. O ar comprimido é armazenado em um tanque e, quando necessário, liberado através de uma bocal para gerar um jato de alta velocidade. Este jato desempenha um papel crucial na extinção do arco que se forma quando o interruptor interrompe a corrente elétrica.

Os interruptores de ar comprimido são comumente utilizados em aplicações internas na faixa de tensão média-alta com capacidades de interrupção moderadas. Geralmente, eles são adequados para tensões de até 15 kV e capacidades de interrupção de 2500 MVA. Além disso, agora são usados em subestações externas de alta tensão para linhas de 220 kV.

Embora vários gases, como dióxido de carbono, nitrogênio, freon ou hidrogênio, possam potencialmente servir como meios de interrupção do arco, o ar comprimido emergiu como a escolha preferida para os interruptores de gás. Existem várias razões convincentes para isso:

• Nitrogênio: Suas capacidades de interrupção de circuito são comparáveis às do ar comprimido, oferecendo nenhuma vantagem significativa em termos de desempenho.

• Dióxido de Carbono: Uma de suas principais desvantagens é a dificuldade em controlar seu fluxo. Tende a congelar em válvulas e outros passagens estreitas, o que pode perturbar o funcionamento adequado do interruptor.

• Freon: Embora tenha alta resistência dielétrica e excelentes propriedades de extinção de arco, vem com um preço elevado. Além disso, quando exposto a um arco, se desintegra em elementos formadores de ácido, representando riscos para o equipamento e o ambiente circundante.

Os interruptores de ar comprimido oferecem várias características desejáveis:

• Operação de Alta Velocidade: Em grandes redes elétricas interconectadas, manter a estabilidade do sistema é de suma importância. Os interruptores de ar comprimido se destacam nesse aspecto devido ao intervalo de tempo extremamente curto entre a descarga do impulso de disparo e a separação dos contatos. Esta resposta rápida ajuda a minimizar o impacto de falhas na rede elétrica geral.

• Adequação para Operação Frequente: Diferentemente dos interruptores que usam óleo, que podem carbonizar e degradar rapidamente com a comutação repetida, os interruptores de ar comprimido podem suportar operações frequentes. A ausência de óleo também significa que há um desgaste mínimo nas superfícies de contato condutoras de corrente. No entanto, é essencial garantir um fornecimento contínuo e suficiente de ar comprimido quando se espera comutação frequente.

• Manutenção Negligenciável: A capacidade de lidar com a comutação repetida com facilidade traduz-se em requisitos de manutenção reduzidos. Isso não apenas economiza custos de manutenção, mas também aumenta a confiabilidade e a disponibilidade do interruptor.

• Eliminação do Risco de Incêndio: Como os interruptores de ar comprimido não contêm óleo, o risco de incêndio associado aos interruptores cheios de óleo é completamente eliminado, tornando-os uma opção mais segura para instalações elétricas.

• Diminuição do Tamanho: O crescimento rápido da resistência dielétrica nos interruptores de ar comprimido permite que o gap final necessário para a extinção do arco seja muito menor. Este design compacto resulta em dispositivos de menor tamanho, que podem ser integrados com mais facilidade em sistemas elétricos e ocupar menos espaço.

Princípio de Extinção do Arco

Um interruptor de ar comprimido depende de um sistema adicional de ar comprimido para fornecer ar ao receptor de ar. Quando o interruptor precisa abrir, o ar comprimido é direcionado para a câmara de extinção do arco. Este ar de alta pressão exerce uma força sobre os contatos móveis, fazendo com que se separem. À medida que os contatos se afastam, o jato de ar varre o gás ionizado formado pelo arco, extinguindo-o efetivamente.

O arco geralmente é extinto em um ou mais ciclos. Após a extinção do arco, a câmara do arco é preenchida com ar de alta pressão, o que ajuda a evitar restrikes. Os interruptores de ar comprimido caem na categoria de energia de extinção externa. A energia usada para extinguir o arco é derivada do ar de alta pressão, independentemente da corrente sendo interrompida.

Tipos de Interruptores de Ar Comprimido

Todos os interruptores de ar comprimido operam no princípio de separar seus contatos em um fluxo de ar formador de arco criado pela abertura de uma válvula de jato. O arco que se forma é rapidamente centrado através de um bocal, onde é mantido em um comprimento fixo e sujeito à máxima força do fluxo de ar. Com base na direção do jato de ar comprimido ao redor dos contatos, os interruptores de ar comprimido podem ser classificados em três tipos:

• Interruptor de Ar Comprimido de Jato Axial: Neste tipo, o fluxo de ar é paralelo ao arco, fluindo longitudinalmente ao longo de seu comprimento. Os interruptores de ar comprimido de jato axial podem ser ainda categorizados como de jato único ou duplo. Algumas configurações de jato duplo, onde o jato de ar flui radialmente para o bocal ou o espaço entre os contatos, são às vezes referidos como interruptores de jato radial, apesar do conceito de design primário de fluxo axial.

A estrutura e operação fundamentais de um interruptor de ar comprimido são ilustradas no diagrama acima. Em condições normais de operação, os contatos fixo e móvel permanecem em estado fechado, mantidos juntos pela força exercida por molas. Um tanque de reservatório de ar está ligado à câmara de arco através de uma válvula de ar. Esta válvula é ativada por um mecanismo de impulso triplo, que dispara sua abertura quando ocorre uma falha ou a necessidade de interromper a corrente.

Quando ocorre uma falha no sistema elétrico, o impulso de disparo serve como catalisador para a ação. Este impulso ativa a válvula de ar que conecta o reservatório de ar à câmara de arco, fazendo-a abrir. À medida que o ar de alta pressão do reservatório flui para a câmara de arco, exerce uma força significativa sobre os contatos móveis. Uma vez que a pressão do ar ultrapassa a resistência fornecida pela força da mola que normalmente mantém os contatos fechados, os contatos móveis começam a se separar, iniciando o processo de interrupção da corrente elétrica e extinção do arco.

Quando os contatos se separam devido à pressão do ar de alta velocidade, um arco se forma entre eles. O ar, fluindo em alta velocidade axial ao longo do comprimento do arco, remove efetivamente o calor da periferia do arco. À medida que a corrente se aproxima de zero, esta extração contínua de calor faz com que o diâmetro do arco diminua significativamente. No momento em que a corrente atinge zero, o arco é interrompido com sucesso. Subsequentemente, ar fresco, fluindo através do bocal, preenche o espaço entre os contatos. Este fluxo de ar fresco limpa os gases quentes e ionizados presentes no espaço de contato, restaurando rapidamente a resistência dielétrica entre os contatos e impedindo qualquer possível reacendimento do arco.

Interruptor de Ar Comprimido de Jato Transversal

Em um interruptor de ar comprimido de jato transversal, o mecanismo de extinção do arco opera de maneira diferente. Aqui, o jato de arco é direcionado perpendicularmente ao próprio arco. A figura abaixo fornece uma ilustração esquemática do princípio de jato transversal empregado neste tipo de interruptor. Quando o braço de contato móvel é acionado em um espaço confinado, um arco é gerado. Imediatamente, um jato transversal de ar impulsiona este arco em direção às placas divisoras. As placas divisoras fragmentam o arco em segmentos menores, dissipando sua energia. Este processo enfraquece efetivamente o arco a tal ponto que, após a corrente passar por zero, ele não possui energia suficiente para reacender, assegurando a interrupção bem-sucedida do circuito elétrico.

Comutação com Resistência e Desvantagens dos Interruptores de Ar Comprimido

Comutação com Resistência

Geralmente, a comutação com resistência não é uma necessidade absoluta em interruptores de ar comprimido. Quando o arco é extinto, ele inerentemente cria alguma resistência, o que ajuda a regular a tensão de restriking transitória. No entanto, se for considerado benéfico adicionar resistência para aplicações específicas, ela pode ser incorporada conectando um resistor através da seção de divisão do arco. Esta resistência adicional fornece uma camada extra de controle sobre a tensão transitória, melhorando o desempenho do interruptor em determinadas condições.

Desvantagens dos Interruptores de Ar Comprimido

Uma das principais limitações dos interruptores de ar comprimido é a exigência rigorosa de um fornecimento contínuo de ar comprimido na pressão exata. Para garantir essa disponibilidade, são frequentemente necessárias instalações em larga escala, tipicamente com dois ou mais compressores. Manter esta planta de compressão complexa não é uma tarefa fácil; requer manutenção regular para manter os compressores funcionando eficientemente e resolver quaisquer problemas mecânicos que possam surgir.

Além disso, a fuga de ar em conexões de tubulação é um problema persistente. Mesmo vazamentos menores podem gradualmente esgotar a pressão do ar, comprometendo o desempenho do interruptor. Detectar e corrigir esses vazamentos pode ser demorado e trabalhoso. Esses desafios de manutenção, combinados com a necessidade de um sistema sofisticado de fornecimento de ar, contribuem para custos operacionais mais altos.

Ao serem comparados com interruptores de óleo ou outros tipos de interruptores de ar, os interruptores de ar comprimido são particularmente caros para aplicações de baixa tensão. A infraestrutura extensa necessária para a geração de ar comprimido e os custos de manutenção associados tornam-nos menos rentáveis em cenários envolvendo tensões mais baixas, limitando seu uso generalizado nesses contextos.