Dispositivo Automático de Fechamento para Disjuntores de Baixa Tensão Baseado em Relés de Tempo

Para garantir a operação segura e estável da rede e evitar que surtos de corrente de carga danifiquem o equipamento elétrico durante a restauração de energia, todas as cargas conectadas aos transformadores de distribuição devem ser desconectadas antes de energizar.

Portanto, os disjuntores de baixa tensão são equipados com uma função de liberação por subtensão: quando um transformador é desenergizado devido a manutenção ou falhas na linha, a perda de tensão no barramento de baixa tensão faz com que o disjuntor de ramal dispare automaticamente. Após o transformador ser reenergizado, como os disjuntores de baixa tensão geralmente não possuem capacidade de religação automática, os operadores devem fechar o disjuntor manualmente no local para restaurar a energia. Afetado pela localização do disjuntor, tráfego e condições climáticas, esta operação manual leva considerável tempo — em média 33 minutos — resultando em interrupções prolongadas e impacto severo na confiabilidade do fornecimento de energia.

Para resolver esse problema, foi desenvolvido um dispositivo de religação automática para disjuntores de baixa tensão baseado em um relé de tempo. A saída de baixa tensão do transformador fornece energia à bobina do relé. Após o transformador ser energizado, a bobina do relé de tempo é alimentada, e após um atraso pré-definido, seu contato deslizante fecha brevemente o circuito de fechamento, fazendo com que o disjuntor de baixa tensão se religue automaticamente. O atraso evita o fluxo de corrente de inrush do transformador, garantindo a segurança do equipamento. Através de lógica de controle apropriada, a religação automática é evitada após disparos por sobrecorrente ou desconexão manual.

1. Requisitos de Design e Solução

De acordo com as regulamentações de operação da rede, são estabelecidos requisitos específicos de design para o dispositivo de transferência automática por subtensão:

• Quando o lado de alta tensão do transformador de distribuição é desenergizado devido a manutenção ou falha, o transformador perde tensão e o disjuntor de baixa tensão dispara através da liberação por subtensão. Após o transformador ser reenergizado, o disjuntor se religa automaticamente após um atraso pré-definido.

• Se ocorrer uma falha a jusante do disjuntor de baixa tensão, o disjuntor dispara de forma confiável e não deve se religar automaticamente.

• Se o disjuntor de baixa tensão for aberto manualmente, ele não deve se religar automaticamente.

Para atender a esses requisitos, é proposta uma solução confiável usando um relé de tempo como núcleo de controle, aproveitando suas características de atraso e contatos deslizantes para alcançar a religação automática. O modelo de relé de tempo selecionado é o DS-28.

O relé de tempo DS-28 usado no dispositivo consiste em um eletroímã que aciona um mecanismo de temporização mecânico. A bobina eletromagnética recebe energia da saída de baixa tensão do transformador, fornecendo um relé de tempo continuamente energizado. O relé contém um conjunto de contatos deslizantes com atraso e um conjunto de contatos principais (contatos de término) com atraso. O diagrama de fiação interna do relé de tempo para o dispositivo de transferência automática por subtensão é mostrado na Figura 1. 

Para evitar que a bobina queime devido à energização prolongada, é adicionado um resistor fusível térmico como resistor de proteção externo. No design, os terminais 1 e 13–3 são usados como sinais de gatilho conectados ao circuito de energia, enquanto os terminais 5 e 6, e 16–3 e 17, servem como contato deslizante com atraso e contato instantâneo normalmente fechado, respectivamente. A Figura 2 mostra o diagrama de fiação do dispositivo de religação automática para disjuntores de baixa tensão baseado em relé de tempo.

2.Estratégia de Controle do Dispositivo de Transferência Automática por Subtensão

2.1 Subtensão do Transformador

Quando o transformador experimenta subtensão, o disjuntor de baixa tensão dispara. Como o barramento de baixa tensão não está energizado, o relé de tempo permanece em seu estado inicial, com os contatos deslizantes e principais com atraso abertos, enquanto os contatos instantâneos normalmente fechados estão fechados.

Ao restaurar a energia na linha, a saída de baixa tensão do transformador fica energizada, fornecendo energia ao relé de tempo. Neste momento, os contatos instantâneos normalmente fechados se abrem, introduzindo um resistor divisor de tensão no circuito da bobina, fazendo com que o eletroímã seja energizado e mantenha um engajamento de longo prazo. O mecanismo de temporização começa a funcionar, e o contato móvel com atraso começa a se mover em direção à posição fechada.

Após o atraso pré-definido (geralmente ajustado entre 10 a 15 segundos através do botão de ajuste de tempo no painel do relé de tempo para evitar o fluxo de corrente de inrush do transformador), o contato deslizante com atraso fecha brevemente e depois se abre novamente. Esta ação simula pressionar e liberar um botão de fechamento manual, garantindo que o circuito de fechamento não seja energizado continuamente, o que poderia impedir a desconexão manual ou fazer com que o disjuntor se feche em um ponto de falha.

Geralmente, os transformadores de distribuição têm capacidades de até 2000 kVA, e a duração do fluxo de corrente de inrush do transformador dura cerca de 6 a 10 segundos. Para evitar o impacto do fluxo de corrente de inrush do transformador, o tempo de atraso é definido entre 10 a 15 segundos durante a instalação, ajustando o mostrador de tempo no painel do relé de tempo. O diagrama de fiação do circuito de fechamento é mostrado na Figura 3.

O contato principal (de término) se fecha após o contato deslizante e pára no mecanismo de parada mecânico. Enquanto a saída de baixa tensão do transformador permanecer energizada, o relé permanecerá neste estado. Quando a saída de baixa tensão perde tensão (ou seja, a bobina eletromagnética é desenergizada), todos os contatos retornam instantaneamente às suas posições originais.

2.2 Disparo do Disjuntor devido a Falha

Quando ocorre uma falha na linha ou equipamento a jusante do disjuntor de baixa tensão, o disjuntor dispara devido a sobrecorrente. Como a saída de baixa tensão do transformador permanece energizada, os contatos do relé permanecem em suas posições atuais, garantindo que o disjuntor não se religue automaticamente.

2.3 Disparo Manual

Quando o disjuntor de baixa tensão é aberto manualmente, a saída de baixa tensão do transformador ainda está energizada. Os contatos do relé permanecem inalterados, e o circuito de fechamento não é afetado pelo relé de tempo, impedindo a fechamento automático do disjuntor.

3. Teste de Função do Dispositivo

Após a montagem do dispositivo de transferência automática por subtensão baseado em relé de tempo, foram realizados testes funcionais abrangentes. Após o teste bem-sucedido, foi estabelecido um procedimento de instalação padronizado e diagramas de fiação, acompanhados por medidas de segurança e técnicas detalhadas. O dispositivo foi instalado em 10 regiões. Após seis meses de operação, o dispositivo operou de forma confiável e correta durante interrupções programadas de manutenção e interrupções causadas por falhas. O tempo médio de restauração de energia diminuiu de 33 minutos antes da instalação para 10–15 segundos.

Os resultados dos testes de campo confirmam que o dispositivo de transferência automática por subtensão baseado em relé de tempo para disjuntores de baixa tensão atende a todos os requisitos de design.

4. Conclusão

O dispositivo de transferência automática por subtensão proposto para disjuntores de baixa tensão utiliza o contato deslizante com atraso do relé de tempo para resolver uma série de problemas causados pela instalação de bobinas de liberação por subtensão. Ele permite que os disjuntores de baixa tensão realizem a religação automática após eventos de subtensão. O dispositivo opera de forma confiável durante interrupções normais de energia e permanece inativo durante condições anormais. Com um princípio simples, fiação conveniente e baixo custo, o dispositivo provou em testes de campo ser seguro e confiável para restaurar a energia após disparos por subtensão, reduzindo o tempo de fechamento do disjuntor de 33 minutos para 10–15 segundos. Isso melhora significativamente a eficiência da utilidade e a confiabilidade do fornecimento de energia, demonstrando alto valor prático em aplicações reais.