Interruptores de Vácuo para Comutação de Bancos de Capacitores

Compensação de Potência Reativa e Comutação de Capacitores em Sistemas Elétricos

A compensação de potência reativa é um meio eficaz para aumentar a tensão de operação do sistema, reduzir as perdas na rede e melhorar a estabilidade do sistema.

Cargas Convencionais em Sistemas Elétricos (Tipos de Impedância):

• Resistência

• Reatância indutiva

• Reatância capacitiva

Corrente de Inrush Durante a Energização do Capacitor

Na operação de sistemas elétricos, os capacitores são comutados para melhorar o fator de potência. No momento do fechamento, uma grande corrente de inrush é gerada. Isso ocorre porque, durante a primeira energização, o capacitor está descarregado, e a corrente que flui para ele é limitada apenas pela impedância do circuito. Como a condição do circuito é próxima de um curto-circuito e a impedância do circuito é muito pequena, uma grande corrente transitória de inrush flui para o capacitor. A corrente de inrush de pico ocorre no instante do fechamento.

Se o capacitor for reenergizado logo após a desconexão sem uma descarga suficiente, a corrente de inrush resultante pode ser até duas vezes maior do que a da energização inicial. Isso acontece quando o capacitor ainda mantém carga residual, e o recolocamento ocorre no momento em que a tensão do sistema é igual em magnitude, mas oposta em polaridade à tensão residual do capacitor, resultando em uma grande diferença de tensão e, portanto, em uma alta corrente de inrush.

Questões Chave na Comutação de Capacitores

• Religação

• Reestabelecimento

• NSDD (Descarga Destrutiva Não Sustentada)

A religação é permitida durante testes de comutação de corrente capacitiva. Os disjuntores são classificados em duas categorias com base no seu desempenho de reestabelecimento:

• Classe C1: Verificado por testes específicos de tipo (6.111.9.2), exibindo baixa probabilidade de reestabelecimento durante a comutação de corrente capacitiva.

• Classe C2: Verificado por testes específicos de tipo (6.111.9.1), exibindo probabilidade muito baixa de reestabelecimento, adequado para comutação frequente e de alta demanda de bancos de capacitores.

Melhoria da Taxa de Sucesso dos Disjuntores a Vácuo para Comutação de Capacitores

1. Aumentar a Resistência Dielétrica dos Interruptores a Vácuo

O interruptor a vácuo é o coração de um disjuntor a vácuo e desempenha um papel crucial na comutação bem-sucedida de capacitores. Os fabricantes devem otimizar o design e os materiais para alcançar:

• Distribuição uniforme do campo elétrico

• Alta resistência à soldagem

• Nível de corte de corrente mais baixo

Melhorias estruturais e de material são essenciais para garantir a interrupção confiável.

2. Controlar o Processo de Fabricação do Interruptor a Vácuo

• Minimizar e remover rebites durante o usinagem de peças metálicas; melhorar o acabamento superficial e a limpeza.

• Realizar limpeza ultrassônica de componentes antes da montagem para remover partículas microscópicas.

• Controlar a umidade e as partículas suspensas no ar na sala de montagem.

• Reduzir o tempo de armazenamento dos componentes de contato e montar prontamente para minimizar a oxidação e a contaminação.

3. Melhorar o Design e a Qualidade de Montagem do Disjuntor

Garantir que as características mecânicas estejam dentro das faixas ótimas:

• Alinhamento e instalação vertical do condutor para evitar tensões.

• Energia de saída adequada do mecanismo de operação.

• Velocidades de fechamento e abertura dentro dos limites aceitáveis.

• Minimizar o rebote ao fechar e a retração ao abrir.

• Controle rigoroso da qualidade dos componentes e precisão de montagem.

4. Operação Sem Carga e Condicionamento (Burn-in)

Após a montagem, realize 300 operações sem carga para estabilizar as características mecânicas. Realize condicionamento de tensão e corrente elevada no interruptor completo para eliminar projeções microscópicas e reduzir a taxa de religação durante a comutação de capacitores.

O condicionamento paralelo de capacitores pode rapidamente melhorar a resistência dielétrica do produto.

5. Otimizar a Velocidade de Abertura

Após a interrupção, a lacuna de contato de um disjuntor a vácuo deve suportar o dobro da tensão do sistema (2×Um) por até 13 ms. Os contatos devem atingir uma distância segura de abertura neste tempo. Portanto, a velocidade de abertura deve ser suficiente — especialmente para disjuntores de 40,5 kV.

6. Condicionamento (Envelhecimento) dos Interruptores a Vácuo

• Métodos de baixo efeito: condicionamento de alta tensão/baixa corrente, baixa tensão/alta corrente ou tensão impulsiva têm efeito limitado na redução da religação durante a comutação de capacitores.

• Método eficaz: condicionamento monofásico de alta tensão e alta corrente pode melhorar significativamente o desempenho.

• Condicionamento em circuito sintético também é usado para simular condições reais de comutação de capacitores.

Para aplicações gerais, o condicionamento padrão é aplicado. No entanto, para a tarefa de comutação de capacitores, é necessário um condicionamento especial para melhorar o desempenho elétrico e a capacidade inicial de interrupção.

Parâmetros de Condicionamento:

• Condicionamento de Corrente:
  3 kA a 10 kA, 200 ms de meia onda, 12 disparos por polaridade (positiva e negativa).

• Condicionamento de Pressão:

• Pressão estática (para contatos com campo magnético axial): aplique 15–30 kN por 10 segundos.

• Condicionamento de fechamento e abertura (para contatos com campo magnético transversal): realize operações de fechamento e abertura em um banco de testes simulando o movimento real do disjuntor.

• Condicionamento de Tensão:
  Aplique tensão AC de 50 Hz muito superior à tensão nominal (por exemplo, 110 kV para um interruptor de 12 kV) por 1 minuto.

Parâmetros de Teste para Comutação de Capacitores

• GB/T 1984: Bancos de capacitores em série, corrente de inrush 20 kA, frequência 4250 Hz.

• IEC 62271-100 / Padrões ANSI:

• Comutação de bancos de capacitores: corrente 600 A, inrush 15 kA, frequência 2000 Hz

• Corrente de comutação 1000 A, inrush 15 kA, frequência 1270 Hz

• ANSI permite até 1600 A para comutação de capacitores.

Após o condicionamento adequado, um disjuntor a vácuo de 12 kV geralmente pode passar:

• 400 A de comutação de bancos de capacitores em série

• 630 A de comutação de um único banco de capacitores

No entanto, para sistemas de 40,5 kV, isso é extremamente desafiador. Soluções comuns incluem:

• Usar disjuntores SF₆ com características de interrupção mais suaves

• Usar disjuntores a vácuo de dupla interrupção, onde dois interruptores estão conectados em série. Isso melhora significativamente a força de recuperação dielétrica, permitindo que ela supere a taxa de aumento da sobretensão transitória durante a comutação de capacitores, alcançando assim a extinção bem-sucedida do arco.