Um Artigo para Entender Como Selecionar Parâmetros Mecânicos de Disjuntores a Vácuo

1. Intervalo de Contato Nominal

Quando um disjuntor a vácuo está na posição aberta, a distância entre os contatos móveis e fixos dentro do interrompedor a vácuo é conhecida como intervalo de contato nominal. Este parâmetro é influenciado por vários fatores, incluindo a tensão nominal do disjuntor, condições de operação, natureza da corrente interrompida, material dos contatos e resistência dielétrica do intervalo a vácuo. Ele depende principalmente da tensão nominal e do material dos contatos.

O intervalo de contato nominal afeta significativamente o desempenho de isolamento. À medida que o intervalo aumenta a partir de zero, a resistência dielétrica melhora. No entanto, além de certo ponto, aumentar ainda mais o intervalo resulta em retornos decrescentes no desempenho de isolamento e pode reduzir severamente a vida útil mecânica do interrompedor.

Com base na experiência de instalação, operação e manutenção, as faixas típicas de intervalo de contato nominal são:

• 6kV e abaixo: 4–8 mm

• 10kV e abaixo: 8–12 mm

• 35kV: 20–40 mm

2. Curso do Contato (Sobrecurso)

O curso do contato deve ser selecionado para garantir que a pressão de contato suficiente seja mantida mesmo após o desgaste dos contatos. Ele também fornece ao contato móvel energia cinética inicial durante a abertura, aumentando a velocidade inicial de abertura para quebrar juntas soldadas, reduzir o tempo de arco e acelerar a recuperação dielétrica. Durante o fechamento, ele permite que a mola de contato forneça amortecimento suave, minimizando o rebote do contato.

Se o curso do contato for muito pequeno:

• Pressão de contato insuficiente após o desgaste

• Velocidade inicial de abertura baixa, afetando a capacidade de interrupção e a estabilidade térmica

• Rebote e vibração severos durante o fechamento

Se o curso do contato for muito grande:

• Energia de fechamento requerida aumentada

• Redução da confiabilidade da operação de fechamento

Typicamente, o curso do contato é de 20% a 40% do intervalo de contato nominal. Para disjuntores a vácuo de 10kV, isso geralmente é de 3 a 4 mm.

3. Pressão de Operação do Contato

A pressão de operação dos contatos de um disjuntor a vácuo tem um impacto significativo no desempenho. É a soma da força de fechamento inerente do interrompedor a vácuo e a força da mola de contato. A seleção adequada deve atender a quatro requisitos:

• Manter a resistência de contato dentro dos limites especificados

• Atender aos requisitos de testes de estabilidade dinâmica

• Suprimir o rebote de fechamento

• Reduzir a vibração de abertura

O fechamento sob corrente de curto-circuito é a condição mais exigente: as correntes pré-arco geram repulsão eletromagnética, causando rebote do contato, enquanto a velocidade de fechamento está em seu ponto mais baixo. Este cenário testa criticamente se a pressão de contato é suficiente.

Se a pressão de contato for muito baixa:

• Tempo de rebote de fechamento aumentado

• Resistência do circuito principal mais alta, levando a um aumento excessivo de temperatura durante a operação contínua

Se a pressão de contato for muito alta:

• Força da mola aumentada (já que a força de fechamento inerente é constante)

• Requisito de energia de fechamento mais alto

• Impacto e vibração maiores no interrompedor a vácuo, com risco de danos

Na prática, a força eletromagnética do contato depende não apenas da corrente de curto-circuito de pico, mas também da estrutura, tamanho, dureza e velocidade de abertura do contato. Uma abordagem abrangente é essencial.

Dados empíricos para a pressão de contato com base na corrente de interrupção:

• 12,5 kA: 50 kg

• 16 kA: 70 kg

• 20 kA: 90–120 kg

• 31,5 kA: 140–180 kg

• 40 kA: 230–250 kg

4. Velocidade de Abertura

A velocidade de abertura afeta diretamente a taxa de recuperação da resistência dielétrica após o zero da corrente. Se a recuperação da resistência dielétrica for mais lenta que a tensão de recuperação crescente, pode ocorrer reacendimento do arco. Para prevenir o reacendimento e minimizar o tempo de arco, uma velocidade de abertura adequada é essencial.

A velocidade de abertura depende principalmente da tensão nominal. Para tensão e intervalo de contato fixos, a velocidade necessária varia com a corrente de interrupção, tipo de carga e tensão de recuperação. Correntes de interrupção mais altas e correntes capacitivas (com alta tensão de recuperação) requerem velocidades de abertura mais altas.

Velocidade de abertura típica para disjuntores a vácuo de 10kV: 0,8–1,2 m/s, às vezes excedendo 1,5 m/s.

Na prática, a velocidade inicial de abertura (medida nos primeiros poucos milímetros) tem um impacto maior no desempenho de interrupção do que a velocidade média. Disjuntores de alto desempenho e de 35kV frequentemente especificam esta velocidade inicial.

Embora uma velocidade mais alta pareça benéfica, uma velocidade excessiva aumenta a vibração de abertura e o sobrecurso, intensificando o estresse nas dobradiças e levando à fadiga prematura e vazamentos. Também aumenta o estresse mecânico no mecanismo, arriscando falhas de componentes.

5. Velocidade de Fechamento

Devido à alta resistência dielétrica estática dos interrompedores a vácuo no intervalo nominal, a velocidade de fechamento necessária é significativamente menor que a velocidade de abertura. Uma velocidade de fechamento adequada é necessária para minimizar a erosão elétrica pré-arco e prevenir a soldagem dos contatos. No entanto, uma velocidade de fechamento excessiva aumenta a energia de fechamento e submete o interrompedor a um impacto maior, reduzindo a vida útil.

Velocidade de fechamento típica para disjuntores a vácuo de 10kV: 0,4–0,7 m/s, até 0,8–1,2 m/s, se necessário.

6. Tempo de Rebatimento de Fechamento

O tempo de rebatimento de fechamento é um indicador-chave do desempenho do disjuntor a vácuo. Ele é influenciado pela pressão de contato, velocidade de fechamento, intervalo de contato, material do contato, design do interrompedor, estrutura do disjuntor e qualidade de instalação/ajuste.

Um tempo de rebatimento mais curto indica melhor desempenho. Um rebatimento excessivo causa erosão elétrica severa, aumenta o risco de sobretensão e pode levar à soldagem dos contatos durante operações de curto-circuito ou comutação de capacitores, bem como em testes de estabilidade térmica. O rebatimento prolongado também acelera a fadiga das dobradiças.

Para disjuntores a vácuo de 10kV com contatos de cobre-cromo, o tempo de rebatimento de fechamento não deve exceder 2 ms. Para outros materiais, pode ser ligeiramente maior, mas não deve exceder 5 ms.

7. Sincronismo Trifásico

O sincronismo trifásico mede o grau de simultaneidade no fechamento ou abertura das três fases. Como os valores de sincronismo de abertura e fechamento são semelhantes, geralmente é especificado apenas o sincronismo de fechamento.

Um sincronismo ruim afeta severamente a capacidade de interrupção e prolonga o tempo de arco. Devido às altas velocidades de operação e intervalos pequenos, um ajuste preciso pode facilmente atender aos requisitos. O sincronismo de fechamento é geralmente exigido para estar dentro de 1 ms.

8. Alinhamento dos Contatos Móveis e Fixos (Coaxialidade)

O alinhamento coaxial adequado dos contatos móveis e fixos é crucial para o desempenho do interrompedor a vácuo e é garantido através da precisão de fabricação. Se este alinhamento é mantido após a instalação depende do tipo de mecanismo de operação e do processo de montagem.

Para mecanismos suspensos, o alinhamento é determinado principalmente pelo próprio mecanismo. Para tipos de piso, o alinhamento mecânico é igualmente importante. Durante a instalação, evite aplicar forças de cisalhamento ou laterais ao interrompedor.

Tolerância típica de coaxialidade: ≤2 mm.