Como Escolher Corretamente os Disjuntores a Vácuo
01 Prefácio
Nos sistemas de média tensão, os disjuntores são componentes primários indispensáveis. Os disjuntores a vácuo dominam o mercado doméstico. Portanto, o correto projeto elétrico é inseparável da seleção adequada de disjuntores a vácuo. Nesta seção, discutiremos como selecionar corretamente disjuntores a vácuo e as concepções errôneas comuns em sua seleção.
02 Capacidade de Interrupção para Corrente de Curto-Circuito Não Precisa Ser Excessivamente Alta
A capacidade de interrupção de curto-circuito de um disjuntor não precisa ser excessivamente alta, mas deve ter uma margem para acomodar a futura expansão da capacidade da rede que pode levar a aumentos na corrente de curto-circuito. No entanto, no projeto elétrico real, a capacidade de interrupção escolhida para disjuntores é frequentemente muito alta.
Por exemplo, nas subestações transformadoras de usuários finais dentro de sistemas de 10kV, a corrente de curto-circuito da barramento é geralmente em torno de 10kA, e em sistemas de maior capacidade, pode chegar a 16kA. No entanto, nos desenhos de projeto elétrico, a capacidade de interrupção de disjuntores a vácuo é frequentemente especificada tão alta quanto 31,5kA, ou até 40kA. Tal alta capacidade de interrupção resulta em investimento desperdiçado. Nos casos acima, uma capacidade de interrupção de 20kA ou 25kA seria suficiente. Atualmente, no entanto, disjuntores a vácuo com capacidade de interrupção de 31,5kA estão em alta demanda e em produção em massa, levando a custos de fabricação e preços reduzidos, tornando-se mais amplamente adotados.
No projeto elétrico, as correntes de curto-circuito calculadas geralmente estão no lado mais alto. A razão é que a impedância do sistema e a resistência de contato no circuito são frequentemente negligenciadas durante o cálculo. Claro, a capacidade de interrupção dos disjuntores deve ser selecionada com base na corrente de curto-circuito máxima possível. No entanto, o valor de configuração da proteção contra curto-circuito não deve ser baseado na corrente de curto-circuito máxima.
Isso ocorre porque arcos frequentemente ocorrem durante curtos-circuitos, e a resistência do arco é muito alta. Nos cálculos de projeto, os curtos-circuitos são tratados como curtos-circuitos trifásicos puros metálicos, assumindo que não há arco e nenhuma resistência de contato. Na estatística real de falhas, mais de 80% dos curtos-circuitos são unifásicos, e arcos estão quase sempre presentes durante eventos de curto-circuito. Como resultado, a corrente de curto-circuito real é muito menor do que o valor ideal calculado.
Se o valor de configuração da proteção for muito alto, reduz a sensibilidade da proteção ou causa a falha da proteção instantânea. Na prática de engenharia, o problema muitas vezes não é que o disjuntor falhe em interromper, mas que o elemento de proteção falhe em ativar devido a valores de configuração excessivos. Aliás, curtos-circuitos trifásicos puros metálicos raramente ocorrem—só acontecem quando os fios de aterramento não são removidos após a manutenção antes de fechar o disjuntor. No entanto, o aterramento geralmente é feito por meio de chaves de aterramento ou carrinhos de aterramento, e funções de intertravamento estão em vigor, tornando os curtos-circuitos puros metálicos extremamente improváveis.
Nos desenhos de construção elétrica, é comum ver a capacidade de interrupção do disjuntor principal de entrada especificada um nível acima da dos disjuntores alimentadores. Isso é desnecessário. O disjuntor principal lida com falhas de curto-circuito na barramento, enquanto os disjuntores alimentadores lidam com falhas em seus respectivos circuitos. No entanto, perto do lado de carga de um disjuntor alimentador, devido à sua proximidade com a barramento, a corrente de curto-circuito não é significativamente diferente da corrente de curto-circuito da barramento. Portanto, as capacidades de interrupção do disjuntor principal e dos disjuntores alimentadores devem ser as mesmas.
03 Requisitos de Vida Elétrica e Mecânica Não Precisam Ser Excessivamente Altos
A vida elétrica mencionada aqui não se refere ao número de vezes que um disjuntor pode abrir e fechar sob corrente nominal ou parcial a intervalos especificados, mas sim ao número de vezes que pode interromper a corrente de curto-circuito sem necessidade de manutenção. Não há padrão nacional para esse número. Geralmente, os fabricantes projetam para 30 tais interrupções. Alguns produtos de fabricantes podem lidar com 50. Em documentos de licitação de projetos de usuários, é comum ver requisitos excessivamente altos para o número de interrupções de curto-circuito. Por exemplo, um documento de licitação exigiu que um disjuntor a vácuo de proteção de linha de 12kV interrompesse a corrente de curto-circuito nominal 100 vezes, com uma vida mecânica de 100.000 operações e interrupção de corrente nominal 20.000 vezes—esses requisitos são irrazoáveis.
Números excessivamente altos de interrupções de curto-circuito são desnecessários. Uma falha de curto-circuito é um incidente elétrico grave. Cada ocorrência deve ser tratada como um acidente sério que requer análise de causa raiz e ações corretivas para evitar recorrências. Portanto, ao longo da vida útil efetiva de um disjuntor, ele interromperá falhas de curto-circuito apenas algumas vezes. Quanto maior a tensão do sistema, maior o dano causado pelos curtos-circuitos, mas menor a probabilidade de ocorrência. Assim, um disjuntor de média tensão capaz de interromper 30 falhas de curto-circuito é suficiente. Testes de tipo para interrupção de curto-circuito são caros. Para um disjuntor a vácuo de 12kV, cada teste de interrupção de curto-circuito atualmente custa cerca de 10.000 RMB. Realizar testes excessivos incorre em custos elevados e é desnecessário.
Um número maior de interrupções bem-sucedidas significa melhor capacidade de interrupção? Esta é outra concepção errônea comum. A chave para o teste de interrupção de curto-circuito de disjuntores a vácuo está nas primeiras dez operações. Desde que o disjuntor interrompa com sucesso a corrente especificada nas primeiras dez tentativas, seu desempenho subsequente é geralmente confiável. Dados estatísticos de testes de tipo mostram que a probabilidade de falha é mais alta nas primeiras dez interrupções e diminui gradualmente à medida que o número de interrupções aumenta. Após 30 interrupções, a probabilidade de falha em testes subsequentes é praticamente zero. Portanto, ser capaz de interromper 30 vezes não significa que não possa interromper 50—significa simplesmente que testes adicionais são desnecessários.
Quanto à vida mecânica de disjuntores a vácuo, não há necessidade de requisitos excessivamente altos. A classe M1 originalmente não é inferior a 2.000 operações, e a classe M2 é apenas 10.000. Agora, os fabricantes competem em vida mecânica—um afirma 25.000, outro afirma 100.000. Nos processos de licitação, os participantes comparam valores de vida mecânica, o que é inútil para disjuntores a vácuo de distribuição. No entanto, em aplicações específicas, como a comutação frequente de motores, fornos elétricos ou circuitos de compensação automática de capacitores, contatos de vácuo são mais apropriados (disjuntores SF6 são comumente usados para comutar bancos de capacitores de média tensão). Contatos têm vidas mecânicas e elétricas superiores a um milhão de operações (sua vida elétrica é medida pela interrupção de corrente nominal, não de curto-circuito). Não há necessidade de competir em vida mecânica em disjuntores.
04 Requisitos Excessivos para Outros Parâmetros Elétricos
A capacidade de suportar corrente de curto-circuito de um disjuntor refere-se à sua capacidade de suportar o estresse térmico da corrente de curto-circuito durante uma falha. Isso não é o mesmo que aumento de temperatura. O teste de aumento de temperatura envolve passar corrente nominal ou especificada pelo disjuntor por um longo período e garantir que o aumento de temperatura em vários pontos não exceda limites especificados. A capacidade de suportar corrente de curto-circuito de um disjuntor geralmente é testada por 3 segundos.
Dentro desse tempo, o calor gerado pela corrente de curto-circuito não deve danificar o disjuntor. Uma capacidade de suportar 3 segundos de calor é suficiente. A razão é que, após a ocorrência de um curto-circuito, a proteção com graduação de tempo pode envolver atraso intencional para garantir a seletividade. Para proteção baseada em tempo, um atraso de 0,5 segundo entre disjuntores adjacentes garante a seletividade. Se os disjuntores diferirem em dois níveis, o atraso de disparo é de 1 segundo; se três níveis, 1,5 segundos. Uma capacidade de suportar 3 segundos já é suficiente. No entanto, alguns usuários ou designers insistem em uma capacidade de suportar 5 segundos de calor, o que é realmente desnecessário.
Durante o processo de fechamento de um disjuntor, os contatos móveis e fixos podem saltar. Se o tempo de salto for muito longo ou a assincronismo trifásico de fechamento for grande, pode ocorrer quebra e restrição entre os contatos. A restrição causa um processo de carga e descarga no circuito, aumentando a inclinação e a amplitude da sobretensão. Essa sobretensão é conhecida como sobretensão de restrição de contato.
Seu perigo pode até superar a sobretensão de corte de corrente de disjuntores a vácuo, ameaçando a isolamento de espira de transformadores e motores. Portanto, o tempo de salto dos contatos e o assincronismo trifásico não devem exceder 2ms. Os parâmetros atuais de disjuntores são fabricados para atender a esse requisito. No entanto, alguns usuários exigem valores menores que 2ms, chegando a exigir não mais que 1ms, o que excede as capacidades técnicas atuais.
05 Problemas Negativos Causados por Corrente Inicial Excessivamente Alta de Interruptores a Vácuo
A corrente inicial nominal para interruptores a vácuo de média tensão é 630A. Atualmente, alguns fabricantes não produzem mais versões de 630A, e a corrente inicial mínima aumentou para 1250A. Isso está relacionado à fabricação de interruptores a vácuo. No entanto, isso traz uma série de consequências negativas. Como a corrente inicial de interruptores a vácuo é muito alta, os disjuntores a vácuo montados com esses interruptores devem corresponder à classificação de corrente do interruptor.
Como resultado, todos os componentes associados—como colunas de pólos, contatos de encaixe nas colunas de pólos e contatos fixos em quadros de distribuição—também devem corresponder à classificação de corrente do interruptor. Isso leva a um desperdício severo de materiais não ferrosos na maioria dos casos. Por exemplo, um disjuntor a vácuo de 12kV pode fornecer apenas um transformador de 1000kVA, cuja corrente nominal do lado de 10kV é apenas 57,7A. No entanto, como o interruptor a vácuo tem início em 1250A, o disjuntor deve ser classificado em 1250A. Consequentemente, todos os acessórios do disjuntor devem ter uma corrente nominal de pelo menos 1250A, e os contatos fixos no quadro de distribuição também devem ser classificados em não menos de 1250A, resultando em um desperdício significativo de metais não ferrosos.
Pior ainda, usuários ou designers insistem que a capacidade de condução de corrente dos condutores principais no quadro de distribuição deve corresponder à do disjuntor—ou seja, a capacidade de condução de corrente do condutor é projetada para 1250A. Na realidade, uma capacidade de 60A é suficiente, e desde que a seção mínima do condutor do circuito passe por verificações de estabilidade dinâmica e térmica, há considerável espaço para economia de materiais.
