Um Artigo para Entender as Fases de Separação dos Contatos de um Disjuntor a Vácuo

Estágios de Separação dos Contatos do Disjuntor a Vácuo: Início do Arco, Extinção do Arco e Oscilação

Estágio 1: Abertura Inicial (Fase de Início do Arco, 0–3 mm)
A teoria moderna confirma que a fase inicial de separação dos contatos (0–3 mm) é crucial para o desempenho de interrupção dos disjuntores a vácuo. No início da separação dos contatos, a corrente do arco sempre transita de um modo restrito para um modo difuso — quanto mais rápida for essa transição, melhor será o desempenho de interrupção.

Três medidas podem acelerar a transição de um arco restrito para um arco difuso:

• Reduzir a massa dos componentes móveis: Durante o desenvolvimento dos disjuntores a vácuo, reduzir a massa da pinça condutora ajuda a diminuir a inércia das partes móveis. Testes comparativos mostram que essa abordagem melhora a velocidade de abertura inicial em diferentes graus.

• Aumentar a força da mola de abertura, garantindo que ela se torne eficaz durante a fase inicial de abertura (0–3 mm).

• Minimizar o percurso de compressão dos contatos (idealmente 2–3 mm), permitindo que a mola de abertura participe no processo de separação o mais cedo possível.

Os disjuntores tradicionais geralmente usam um design de contato plug-in. Sob corrente de curto-circuito, as forças eletromagnéticas fazem com que os contatos em forma de dedos agarrem firmemente o eixo condutor, resultando em uma componente de força nula na direção do movimento. Em contraste, os disjuntores a vácuo usam uma interface de contato plana. Quando ocorre uma corrente de curto-circuito, a forte força eletromagnética atua como uma força repulsiva nos contatos.

Isso significa que a separação dos contatos não precisa esperar pelo completo desengate da mola de compressão dos contatos — a separação ocorre quase simultaneamente com o movimento do eixo principal (com lag desprezível ou mínimo). Portanto, com um percurso de compressão mínimo, a mola de abertura pode agir mais cedo, aumentando a velocidade de abertura inicial. Como a força motriz nessa fase é a repulsão eletromagnética, a massa a ser minimizada inclui todos os componentes móveis. Assim, designs estruturais como mecanismos divididos ou montados — frequentemente envolvendo longas e numerosas conexões — são inadequados para disjuntores a vácuo, pois impedem a obtenção de altas velocidades de abertura inicial.

Estágio 2: Extinção do Arco (3–8 mm)
Quando os contatos se separam por 3–4 mm, a transição do arco para o modo difuso geralmente está completa — esta é a janela ideal para a extinção do arco. Testes extensivos confirmaram que a lacuna ideal de arco para a interrupção é de 3–4 mm. Se o zero de corrente ocorrer neste ponto, a densidade de vapor metálico decresce rapidamente, e a resistência dielétrica através da lacuna recupera-se rapidamente, resultando em uma interrupção bem-sucedida. A força motriz nesta segunda etapa é a mola de abertura.

Em um sistema trifásico, se a extinção do arco ocorrer no primeiro zero de corrente, o tempo de arco é aproximadamente 3 ms (assumindo que os contatos se separem no meio entre dois zeros de corrente, momento em que a lacuna já é suficientemente grande). Para alcançar a extinção em uma lacuna de 3–4 mm, a velocidade média de abertura durante esta fase deve ser de 0,8 a 1,1 m/s. Convertido para a medida comumente usada de 6 mm, a velocidade média de abertura equivalente é de cerca de 1,1 a 1,3 m/s — uma faixa amplamente adotada por disjuntores a vácuo em todo o mundo. No entanto, esses dados são obtidos a partir de testes de operação mecânica sob condições sem carga. Durante a interrupção de alta corrente, a velocidade real de abertura é significativamente maior devido à força repulsiva eletromagnética adicional contribuindo para o movimento dos contatos. Como resultado, no mesmo período de tempo, o contato móvel pode viajar 6–8 mm.

Para minimizar o tempo de arco, medidas de amortecimento especiais devem ser aplicadas na segunda etapa para reduzir rapidamente a velocidade do eixo condutor. O momento de engajamento do amortecedor de óleo deve ser cuidadosamente controlado. A primeira etapa requer uma separação rápida, mas a mola de abertura ainda não está totalmente engajada. Na segunda etapa, a velocidade deve ser reduzida — a mola de abertura não deve ser muito forte, caso contrário, impedirá a redução de velocidade, prolongará o tempo de arco e complicará a terceira etapa.

Estágio 3: Oscilação (8–11 mm)
Devido ao pequeno intervalo de contato e à curta duração de abertura nos disjuntores a vácuo, os contatos em movimento devem ser parados em um tempo extremamente curto. Independentemente do método de amortecimento usado, a taxa de mudança de velocidade permanece alta, tornando o choque mecânico forte inevitável. A vibração residual geralmente persiste por cerca de 30 ms. Atualmente, tanto os disjuntores a vácuo domésticos quanto os internacionais levam aproximadamente 10–12 ms para que o contato móvel se separe e entre na zona de vibração, enquanto a duração do arco é tipicamente de 12–15 ms. Claramente, a superfície de contato localmente derretida começa a resfriar e solidificar apenas após entrar na zona de vibração. Esta intensa vibração inevitavelmente salpica metal fundido, formando projeções afiadas na superfície do contato e deixando partículas metálicas suspensas entre os contatos — fatores externos-chave que contribuem para reatritos. Tais falhas de design frequentemente não são totalmente reveladas em testes limitados de tipo, levando a uma falta de consciência deste problema por um longo período.

Conclusão
Os projetistas de disjuntores a vácuo devem prestar atenção especial ao processo inteiro de separação dos contatos. Estratégias-chave incluem: reduzir a massa móvel, aumentar a velocidade de abertura inicial, reduzir a velocidade prontamente na segunda etapa e minimizar o tempo de arco para que o arco seja extinto antes que os contatos entrem na zona de vibração. Isso proporciona tempo suficiente para o resfriamento da superfície do contato e reduz a intensidade da vibração. Um perfil de separação bem projetado — alinhado com esses princípios mecânicos e elétricos — aprimora significativamente a vida útil mecânica e elétrica, melhorando a confiabilidade e o desempenho geral.