O que Acontece Quando um Disjuntor a Vácuo Perde o Vácuo Resultados Reais de Testes Revelados

O que acontece quando um interrompedor a vácuo perde seu vácuo?

Se um interrompedor a vácuo perde seu vácuo, os seguintes cenários operacionais devem ser considerados:

• Abertura dos contatos

• Operação de fechamento

• Fechado e operando normalmente

• Abertura e interrupção da corrente normal

• Abertura e interrupção de uma corrente de falha

Os casos a, b e c são relativamente diretos. Nesses casos, o sistema geralmente não é afetado pela perda de vácuo.

No entanto, os casos d e e requerem discussão adicional.

Suponha que um disjuntor de alimentador trifásico a vácuo perca o vácuo em uma fase. Se a carga atendida pelo disjuntor com falha for uma carga conectada em delta (não aterrada), as operações de comutação não levarão a uma falha. Essencialmente, nada acontece. As duas fases saudáveis (por exemplo, Fase 1 e Fase 2) interrompem o circuito com sucesso, e a corrente na fase com falha (Fase 3) cessa naturalmente.

Uma situação diferente ocorre com cargas aterradas. Nesse caso, a interrupção pelas duas fases saudáveis não para a corrente na fase com falha. Um arco persiste na Fase 3 sem nada para extingui-lo, e essa corrente continua até que a proteção de backup opere. O resultado é tipicamente danos catastróficos no disjuntor.

Como os disjuntores de vácuo na faixa de 3–15 kV são principalmente usados em sistemas aterrados, investigamos os efeitos de um interrompedor com falha em nosso laboratório de testes anos atrás. Deliberadamente expusemos um interrompedor a vácuo à pressão atmosférica ("achatamos" ele) e, em seguida, submetemos o disjuntor a um teste completo de interrupção de curto-circuito.

Como previsto, o interrompedor "achatado" falhou em limpar a falha na fase afetada e foi destruído. O disjuntor de backup do laboratório limpou a falha com sucesso.

Após o teste, o disjuntor foi removido da célula de quadro de distribuição. Estava pesadamente sujo de fuligem, mas intacto mecanicamente. A fumaça e a fuligem foram limpas do disjuntor e do quadro de distribuição, a unidade com falha foi substituída, e o disjuntor foi reinserido na célula. Mais tarde no mesmo dia, outro teste de curto-circuito foi realizado—com sucesso. Anos de experiência posterior em campo confirmaram as descobertas desses testes de laboratório.

Um de nossos clientes, uma grande empresa química, experimentou falhas isoladas em configurações de circuito semelhantes (um com um disjuntor eletromagnético a ar, outro com um disjuntor a vácuo) em duas instalações diferentes em países diferentes. Ambos compartilhavam uma configuração de circuito comum e modo de falha: um circuito de ligação onde as fontes de energia de ambos os lados do disjuntor estavam fora de sincronismo, aplicando quase o dobro da tensão nominal através da lacuna de contato. Isso causou a falha do disjuntor.

Essas falhas resultaram de condições de aplicação que violaram as diretrizes ANSI/IEEE e excederam muito as classificações de design do disjuntor. Elas não indicam um defeito de design. No entanto, a extensão do dano é instrutiva:

• No caso do disjuntor eletromagnético a ar, a carcaça da unidade se rompeu violentamente. As células de quadro de distribuição adjacentes de ambos os lados sofreram danos extensos, exigindo uma reconstrução majoritária. O disjuntor foi um prejuízo total.

• No caso do disjuntor a vácuo, a falha foi significativamente menos violenta. O interrompedor a vácuo com falha foi substituído, os subprodutos do arco (fuligem) foram limpos do disjuntor e da célula, e o sistema foi retornado ao serviço.

Nossos extensivos testes de laboratório, onde rotineiramente levamos os interrompedores a vácuo aos seus limites, suportam esses resultados do mundo real.

Recentemente, vários testes de alta potência foram realizados em nosso laboratório para avaliar tentativas de interrupção usando interrompedores a vácuo "vazando". Um pequeno orifício (~3 mm de diâmetro) foi perfurado na carcaça do interrompedor para simular a perda de vácuo. Os resultados foram reveladores:

• Uma corrente normal de 1.310 A (corrente contínua nominal: 1.250 A) foi interrompida por uma fase de um disjuntor a vácuo. A corrente fluiu através do disjuntor "com falha" por 2,06 segundos antes que o disjuntor de backup do laboratório limpasse a falha. Nenhuma parte foi ejetada, o disjuntor não explodiu, e apenas a tinta na carcaça do interrompedor borbulhou. Nenhum outro dano ocorreu.

• Uma segunda fase do mesmo disjuntor tentou interromper 25 kA (corrente de interrupção nominal: 25 kA). O arco durou 0,60 segundos antes que o disjuntor do laboratório limpasse a falha. O arco queimou um orifício no lado da carcaça do interrompedor. Nenhuma explosão ou detritos voadores ocorreram. Partículas brilhantes foram ejetadas do orifício, mas nenhum componente mecânico ou disjuntores adjacentes foram danificados. Todo o dano foi confinado ao interrompedor com falha.

Esses testes confirmam que as consequências de uma falha de um interrompedor a vácuo são significativamente menos graves em comparação com falhas em outras tecnologias de interrupção.

Mas a questão real não é o que acontece quando ele falha, mas quão provável é que ele falhe?

As taxas de falha de interrompedores a vácuo são extremamente baixas. A perda de vácuo não é mais uma preocupação significativa.

Nos primeiros anos de 1960, os interrompedores a vácuo eram propensos a vazamentos—era um problema importante. Os designs iniciais usavam juntas soldadas ou estanhadas entre materiais dissimilares, sem materiais orgânicos. A fabricação artesanal era comum, especialmente com isoladores de vidro borossilicato, que não podiam suportar altas temperaturas.

Hoje, a soldagem mecânica e a estanhagem em forno de indução em lote são usadas com controles de processo extremamente rigorosos. A única parte móvel dentro de um interrompedor a vácuo é o contato de cobre, conectado à placa final através de um sino de aço inoxidável soldado. Como ambas as extremidades do sino são soldadas, a taxa de falha desse selo móvel é excepcionalmente baixa—demonstrando a alta confiabilidade dos modernos disjuntores a vácuo.

De fato, o MTTF (Tempo Médio até a Falha) dos modernos interrompedores a vácuo agora é estimado em 57.000 anos.

As preocupações dos clientes sobre a perda de vácuo eram válidas nos anos 1960, quando os disjuntores a vácuo eram novos nas aplicações de energia. Naquela época, os interrompedores a vácuo frequentemente vazavam, e problemas de surto eram comuns. Apenas uma empresa oferecia disjuntores a vácuo, e relatórios indicavam numerosos problemas.

Até meados dos anos 1970, os interrompedores a vácuo desenvolvidos na Europa—como os designs modernos da Siemens—diferiam fundamentalmente dos modelos dos anos 1960 em termos de materiais e controle de processo. Contatos de cobre-bismuto eram mais propensos a surtos do que as ligas de cromo-cobre usadas hoje. Os interrompedores construídos à mão eram mais propensos a vazamentos do que as unidades de fabricação precisa de hoje.

Hoje, o rigoroso controle de processo e a automação eliminaram a maior parte da variabilidade humana. Como resultado, os modernos interrompedores a vácuo oferecem longa vida útil, e a tensão dielétrica que impõem ao equipamento conectado não é pior do que a de disjuntores tradicionais a ar eletromagnético ou a óleo.