Solução para Controlo e Proteção de Motores de Média Tensão Utilizando Contator-Fusível a Vácuo (VCF) num Sistema de Transporte de Carvão

1. Contexto do Projeto

Um sistema de transporte de carvão compreende 15 esteiras transportadoras movidas por motores de média tensão. O sistema opera sob condições complexas, com os motores frequentemente sujeitos a cargas pesadas e arranques frequentes. Para abordar esses desafios e alcançar um controlo eficaz e uma proteção confiável durante o arranque dos motores, o projeto adota de forma abrangente dispositivos combinados de Contactor a Vácuo-Fusível (VCF) para a distribuição de energia de motores de média tensão de 6kV. Esta solução detalha as características técnicas, vantagens e aplicação do VCF, fornecendo uma referência confiável para condições de trabalho semelhantes.

2. Vantagens e Características Técnicas Nucleares do VCF

2.1 Estrutura Avançada de Equipamento e Tecnologia de Isolamento

• ​Tipo de Equipamento: Esta solução emprega uma estrutura de VCF extraível para fácil instalação, manutenção e substituição.
• ​Tecnologia Central: Utilizando isolamento compósito de resina epóxi e tecnologia de Gelificação Automática sob Pressão (APG), o interrompedor a vácuo é encapsulado diretamente em resina epóxi, aumentando significativamente o desempenho de isolamento, a resistência mecânica e a estabilidade ambiental.
• ​Mecanismo de Operação: O mecanismo de operação é projetado com precisão e apresenta baixo consumo de energia.

2.2 Composição Abrangente e Amplia Aplicabilidade

• ​Composição do Equipamento: O VCF consiste numa combinação otimizada de fusíveis limitadores de corrente de alta tensão (capazes de interromper uma ampla gama de correntes de curto-circuito) e contactores a vácuo VCX de operação frequente, formando uma solução de circuito F-C clássica.
• ​Vantagens Centrais: Oferece longa vida útil, desempenho estável e baixo ruído.
• ​Âmbito de Aplicação: Amplamente utilizado em sistemas auxiliares de alimentação de alta tensão em centrais termoelétricas, bem como nas indústrias metalúrgica, petroquímica e mineira. É adequado para controlar e proteger cargas como motores de alta tensão, transformadores e fornos de indução.

2.3 Alta Adaptabilidade e Características de Segurança

• ​Compatibilidade com Gavetas: A unidade extraível do VCF corresponde às dimensões e posições de intertravamento de cinco prevenções das gavetas de disjuntores extraíveis em quadros de comando de 800mm de largura, permitindo a substituição sem alterações nos quadros existentes.
• ​Conveniência de Manutenção: O design extraível permite a substituição segura e conveniente de fusíveis de alta tensão fora da gaveta.
• ​Método de Retenção: O contactor a vácuo pode ser configurado para retenção elétrica ou mecânica, conforme os requisitos do cliente.
• ​Proteção contra Falta de Fase: Equipado com proteção completa contra falta de fase. Em caso de falta de fase, o fusível atua e intertrava mecanicamente para garantir que o VCF desconecte o circuito do motor, evitando eficazmente danos ao motor devido a monofasing.

3. Parâmetros Técnicos Principais (Classificação de 7.2kV)

4. Princípio de Controlo de Proteção

A proteção VCF é dividida com base na magnitude da corrente para um desempenho ótimo:

• ​Faixa de Baixa Corrente (< 4kA)​: Gerenciada pelo contactor a vácuo para interrupção normal e proteção contra sobrecarga.
• ​Faixa de Alta Corrente (> 4kA)​: Interrompida rapidamente pelo fusível de alta tensão para lidar com falhas de curto-circuito.
• ​Coordenação de Curvas: A curva de proteção do contactor é definida abaixo da curva do disjuntor para garantir que o contactor atue primeiro durante sobrecargas. Simultaneamente, seleciona-se um fusível adequadamente compatível com configurações de proteção inferiores ao disjuntor upstream para evitar completamente disparos acidentais.

5. Vantagens do VCF versus Disjuntor a Vácuo

Para cargas de motores frequentemente iniciados e parados, o VCF oferece vantagens significativas sobre os disjuntores a vácuo:

6. Cerne da Seleção do VCF: Guia de Seleção de Fusíveis

O desempenho do VCF depende da seleção correta do fusível, considerando os seguintes fatores:
Tensão de trabalho, corrente de trabalho, tempo de arranque do motor, arranques por hora, corrente de carga total do motor e corrente de curto-circuito no ponto de instalação.

6.1 Regras e Passos de Seleção

1. ​Tensão Nominal: A tensão nominal do fusível não deve ser inferior à tensão de trabalho do sistema (7.2kV neste caso).
2. ​Cálculo da Corrente Nominal:
• Use a fórmula: Iy=N×In×δI_y = N \times I_n \times \deltaIy​=N×In​×δ
• IyI_yIy​: Corrente equivalente durante o arranque (A)
• NNN: Razão de corrente de arranque para corrente de carga total (tipicamente 6)
• InI_nIn​: Corrente nominal de carga total do motor (A)
• δ\deltaδ: Coeficiente composto (baseado em arranques por hora, n, da tabela abaixo)

1. ​Correspondência de Curvas: Trace o valor calculado de IyI_yIy​ e o tempo de arranque do motor na curva característica de tempo-corrente do fabricante do fusível. Selecione a corrente nominal do fusível correspondente à curva imediatamente à direita deste ponto.
2. ​Verificação Adicional: A corrente nominal do fusível selecionado deve ser ​**> 1.7 vezes a corrente de carga total do motor**.

6.2 Exemplo de Seleção

Para um sistema de 7.2kV com um motor de alta tensão de 250kW acionado diretamente:
In=30AI_n = 30AIn​=30A, 16 arranques por hora, tempo de arranque de 6s.

• Cálculo: Iy=6×30A×2.1=378AI_y = 6 \times 30A \times 2.1 = 378AIy​=6×30A×2.1=378A
• Seleção: Na curva de tempo-corrente do fusível, localize a curva à direita do ponto (378A, 6s), correspondente a uma corrente nominal do fusível de 100A.
• Verificação: 100A > 1.7 × 30A (51A), atendendo ao requisito. Assim, pode-se selecionar um fusível de proteção de motor de alta tensão com classificação de 100A ou superior.

7. Conclusão

De uma análise abrangente de custo-desempenho:

• Embora os disjuntores a vácuo tenham custos de aquisição mais baixos, sua vida útil mais curta os torna inadequados para inícios/paradas frequentes, resultando em custos de manutenção a longo prazo mais elevados e riscos de falha maiores.
• A solução VCF combina as vantagens dos contactores a vácuo (longa vida útil, baixa sobretensão, adequação para operação frequente) e fusíveis (interrupção ultra-rápida de correntes de curto-circuito), tudo a um custo geral econômico.
• Para o sistema de transporte de carvão e outras aplicações com características de operação frequente e arranque de carga pesada, o VCF é uma solução ideal, oferecendo alto desempenho, confiabilidade e custo-benefício.