Solução de Disjuntor Livre de Arco DC de Baixo Custo e Baixa Perda para Transporte Ferroviário

I. Visão Geral da Solução​
Esta solução aborda as necessidades de proteção dos sistemas DC (especialmente a alimentação de tração ferroviária) contra falhas de curto-circuito, propondo uma solução de disjuntor DC baseada em uma estrutura de disjuntor mecânico otimizada. Ela consegue interrupção sem arco através do controle de tensão do capacitor, combinando baixa perda no estado de condução e alta confiabilidade, tornando-a adequada para cenários de operação frequente.

​II. Princípio Central​
Utiliza uma topologia de interruptor mecânico rápido combinada com capacitores pré-carregados e pára-raios:

1. ​Operação em Estado Estacionário: A corrente flui através do interruptor mecânico (circuito principal), com resistência no estado de condução no nível de micro-ohms, resultando em perdas extremamente baixas.
2. ​Interrupção de Falha:
   • Ao detectar uma falha de curto-circuito, o interruptor mecânico é acionado para abrir rapidamente.
   • O módulo de capacitor é engajado, controlando a tensão através do interruptor mecânico para permanecer abaixo do limiar de ignição do arco, permitindo interrupção sem arco.
   • A corrente de curto-circuito é desviada para o loop paralelo do capacitor e pára-raios, onde o pára-raios absorve energia e suprime a sobretensão.

​III. Parâmetros Técnicos​

​IV. Cenários Aplicáveis​
• Sistemas de alimentação de tração ferroviária: Atende aos requisitos de comutação frequente e baixa perda.
• Redes de distribuição DC urbanas: Proteção de falhas em sistemas DC de média e baixa tensão.
• Sistemas de alimentação DC industriais: Aplicações que exigem alta confiabilidade.

​V. Vantagens e Limitações​
​Vantagens:

1. ​Baixa Perda no Estado de Condução: O interruptor mecânico permanece condutivo durante a operação normal, evitando problemas de aquecimento de semicondutores.
2. ​Custo Controlado: Não há necessidade de dispositivos de comutação totalmente sólidos, tornando-o mais econômico do que os disjuntores híbridos.
3. ​Interrupção Sem Arco: A supressão ativa do arco através do controle de tensão do capacitor prolonga a vida útil do interruptor.

​Limitações:

1. ​Requisitos de Capacitância: Módulos de capacitores de alta tensão são volumosos, requerendo um design otimizado com base na tensão do sistema.
2. ​Tempo de Transferência de Corrente: Depende do consumo de energia do pára-raios, resultando em uma transferência ligeiramente mais lenta da corrente de curto-circuito em comparação com soluções totalmente sólidas.
3. ​Necessidades de Manutenção: Componentes mecânicos requerem manutenção periódica, embora menos frequentemente do que os disjuntores tradicionais.

​VI. Recomendações de Implementação​

1. ​Seleção de Capacitores: Utilize grupos de capacitores paralelos em múltiplos módulos para equilibrar a precisão do controle de tensão e as restrições de tamanho.
2. ​Otimização de Acionamento: Equipe com mecanismos de acionamento de alta velocidade (por exemplo, mecanismos de repulsão eletromagnética) para garantir resposta de interrupção <2 ms.
3. ​Configuração de Pára-raios: Selecione resistências não lineares (MOVs) com capacidade de absorção de energia calculada com base na capacidade de curto-circuito do sistema.

​VII. Resumo​
Esta solução combina inovação na estrutura mecânica com controle de tensão do capacitor para alcançar baixo custo, baixa perda e interrupção sem arco em disjuntores DC. É particularmente adequada para cenários de operação de alta frequência, como a tração ferroviária, fornecendo um caminho confiável para a proteção de falhas em sistemas DC de média e baixa tensão.