Disjuntores a gás SF6: critérios de escolha e regras de conexão

O funcionamento das redes elétricas de alta tensão, em termos de características de corrente, não é comparável ao funcionamento de equivalentes domésticos. Consequentemente, no caso de uma situação de emergência, são necessários dispositivos mais potentes do que os aparelhos automáticos padrão para desconectar o equipamento e extinguir o arco elétrico.

Como estruturas de proteção, são utilizados disjuntores a gás SF6 (EV), que podem ser controlados tanto manualmente quanto por meio de automação. Descrevemos detalhadamente as características construtivas e o princípio de funcionamento dos dispositivos. Fornecemos recomendações para instalação, conexão e manutenção.

Definição e aplicação do gás SF6

O gás SF6 é o hexafluoreto de enxofre, que é classificado como um gás eletrotécnico. Devido às suas propriedades isolantes, é ativamente utilizado na fabricação de dispositivos eletrotécnicos.

Em estado neutro, o gás SF6 é um gás não inflamável, incolor e inodoro. Se comparado ao ar, pode-se notar sua alta densidade (6,7) e massa molecular, que é 5 vezes maior que a do ar.

Uma das vantagens do gás SF6 é sua resistência a fatores externos. Ele não altera suas características em quaisquer condições. Se ocorrer decomposição durante uma descarga elétrica, logo ocorre uma recuperação completa e necessária para o funcionamento.

O segredo é que as moléculas do gás SF6 ligam elétrons e formam íons negativos. A qualidade de 'eletronegatividade' conferiu ao hexafluoreto de enxofre uma característica como a rigidez dielétrica.

Na prática, a rigidez dielétrica do ar é 2 a 3 vezes mais fraca do que a mesma propriedade do gás SF6. Além disso, ele é seguro contra incêndios, pois é classificado como substância não inflamável, e possui capacidade de resfriamento.

Quando surgiu a necessidade de encontrar um gás para extinguir o arco elétrico, começaram a estudar as propriedades do SF6 (hexafluoreto de enxofre), tetracloreto de carbono e freon. Nos testes, o SF6 venceu.

As características listadas tornaram o gás SF6 extremamente adequado para aplicação na área eletrotécnica, particularmente nos seguintes dispositivos:

• transformadores de potência que funcionam pelo princípio da indução magnética;
• dispositivos de distribuição do tipo compacto;
• linhas de alta tensão que conectam instalações remotas;
• disjuntores de alta tensão.

No entanto, algumas propriedades do gás SF6 levaram à necessidade de aprimorar o projeto do disjuntor. A principal desvantagem diz respeito à transição da fase gasosa para a líquida, o que é possível em determinadas relações de parâmetros de pressão e temperatura.

Para que o equipamento funcione sem interrupções, é necessário garantir condições adequadas. Suponha que, para o funcionamento de dispositivos SF6 a -40º, seja necessária uma pressão não superior a 0,4 MPa e uma densidade inferior a 0,03 g/cm³. Na prática, quando necessário, o gás é aquecido, o que impede a transição para a fase líquida.

Construção do disjuntor a gás SF6

Se compararmos os dispositivos SF6 com análogos de outros tipos, em termos de estrutura eles são mais próximos dos dispositivos a óleo. A diferença está no preenchimento das câmaras de extinção do arco.

Como material de enchimento, nos disjuntores a óleo é utilizada uma mistura oleosa, e nos disjuntores SF6, o hexafluoreto de enxofre. A vantagem da segunda opção é a durabilidade e o mínimo de manutenção.

Esquema de um dispositivo SF6 do tipo coluna. Os módulos de extinção de arco, fixados em um suporte alto, estão localizados na parte superior, e o painel de controle, na parte inferior.

Os métodos de extinção do arco elétrico dependem de muitos fatores, entre os quais a corrente e a tensão nominais são decisivos, assim como as condições de uso do dispositivo.

No total, distinguem-se quatro tipos de disjuntores SF6:

• com sopro eletromagnético;
• com sopro em SF6 – com 1 estágio de pressão;
• com sopro longitudinal – com 2 estágios de pressão;
• com sopro autogerado.

Se nos dispositivos a ar, durante a extinção do arco, o gás é liberado na atmosfera, nos dispositivos SF6 ele permanece em um espaço fechado preenchido com a mistura gasosa. Nesse caso, mantém-se uma leve pressão excessiva.

Dispositivos colunares e de tanque

Na prática, dois tipos de instalações SF6 são utilizados:

• de tanque;
• de coluna.

As diferenças dizem respeito tanto às características estruturais quanto ao princípio de extinção do arco elétrico. Quanto à aparência externa, os dispositivos de coluna lembram os análogos de pequeno óleo: consistem em duas partes funcionais – a de extinção do arco e a de contato, e têm dimensões igualmente volumosas.

Os dispositivos de interrupção são projetados para operar em rede de 220 V e pertencem a equipamentos monofásicos. Exemplo de disjuntor SF6 do tipo coluna – LF 10 da Schneider Electric.

O controle do equipamento pode ser realizado de duas maneiras diferentes: manualmente, quando o ajuste e o monitoramento são feitos por meio de dispositivos mecânicos, e remotamente, de forma automática.

Os dispositivos SF6 de tanque são menores em tamanho e equipados com um acionador de múltiplas fases. Essa distribuição permite um melhor controle e ajuste suave dos parâmetros de tensão.

Uma das vantagens dos disjuntores de tanque é a capacidade de suportar cargas aumentadas. Essa qualidade é proporcionada pelo transformador de corrente incorporado à construção.

Um exemplo de dispositivo de tanque é a instalação a SF6 DT2-550 F3 da Alstom Grid. Tais dispositivos têm se mostrado positivamente em sistemas elétricos de 500 kV.

A construção é montada e equipada de forma a funcionar sem falhas em temperaturas baixas (críticas), alta umidade, bem como em regiões com atividade sísmica e elevada poluição atmosférica.

Princípio de extinção do arco

Como o dispositivo opera, vejamos no exemplo do disjuntor LW36 do fabricante chinês CHINT.

Ao desligar, a mola atua sobre os elementos dinâmicos do cilindro, e eles descem. Todos os contatos, exceto os de extinção do arco, se abrem. Quando os contatos de extinção do arco, por onde passa a corrente, também se separam, surge um arco elétrico.

O gás quente se desloca para a câmara térmica, e a válvula de retenção atua. Quando o gás da câmara térmica é soprado para o intervalo, ocorre a extinção do arco.

Se ocorrer o desligamento de correntes de pequena magnitude, a pressão na câmara térmica é insuficiente, portanto utiliza-se a pressão da câmara de compressão (que é sempre maior). A válvula de retenção abre, o gás flui livremente para o intervalo e, ao passar pelo zero, extingue o arco.

Esquema de disposição interna e funcionamento das válvulas móveis, fixas, de descompressão e de retenção. Posição 1 – ligação; posição 2 – desligamento de correntes altas; posição 3 – desligamento de correntes baixas; posição 4 – desligamento do aparelho.

As modernas instalações colunares possuem características melhoradas. A manutenção é reduzida ao mínimo, o recurso de comutação é aumentado. Os disjuntores a SF6 se destacam pelo baixo nível de ruído, mecânica confiável e simplicidade dos trabalhos de montagem e teste.

O ajuste dos modelos de tanque é realizado por meio do acionamento e transformadores. O acionamento a mola ou hidráulico-mola controla os processos de ligação/desligamento e o nível de retenção do arco elétrico.

Para que serve o acionamento?

O acionamento tem a função de executar todas as operações relacionadas ao ligar/desligar ou manter a instalação em uma determinada posição. O esquema mostra exatamente onde o acionamento pode estar localizado. Geralmente é na superfície do solo ou em um suporte baixo, proporcionando ao pessoal de manutenção fácil acesso aos dispositivos de ajuste.

Esquema da construção do disjuntor de tanque: 1 – módulos de porcelana ou polímero; 2 – transformadores; 3 – tanque com dispositivo de extinção a gás; 4 – câmara de gás; 5 – acionamento do tipo hidráulico; 6 – estrutura metálica; 7 – conector para introdução de SF6.

O acionamento é composto pelo mecanismo de ligação, pelo dispositivo de fixação (trava) e pelo mecanismo de disparo. O processo de ligação deve ocorrer o mais rápido possível para evitar a soldagem dos contatos.

Durante a ligação, são aplicados grandes esforços para superar a força de atrito de todos os elementos envolvidos. A desligação é mais simples e consiste no movimento reverso da trava, que garante a ligação e sua manutenção.

Existem vários modos de ligação/desligação:

• mecânico;
• de mola;
• por peso;
• pneumático;
• eletromagnético.

Para sistemas de baixa potência, utiliza-se o controle manual. Neste caso, a força de um único operador é suficiente. O desligamento dos mecanismos manuais geralmente é feito automaticamente. O acionamento por mola também é operado manualmente, mas às vezes são utilizados motores elétricos de baixa potência.

A localização tradicional do acionamento é próxima à estrutura metálica de montagem. A integridade e o funcionamento do mecanismo são garantidos por um invólucro metálico resistente – uma caixa com uma porta conveniente para o trabalho do operador.

Para a aplicação do acionamento eletromagnético, é necessária mais energia, portanto, é necessária uma fonte de corrente contínua de aproximadamente 58 A a 220 V. Como mecanismo de desligamento reserva, existe uma alavanca manual. Os dispositivos eletromagnéticos são confiáveis, por isso são operados com sucesso em áreas com invernos rigorosos. A desvantagem é a necessidade de uma bateria potente.

O acionamento pneumático difere porque, em vez de um eletroímã, o principal elemento de trabalho é um par cilindro/pistão. Devido ao ar comprimido, a velocidade de ligação é muito maior do que nos modelos anteriores.

Vantagens e desvantagens do uso de EV

Os disjuntores de SF6, assim como outros tipos de dispositivos de distribuição elétrica, têm uma série de vantagens e desvantagens. Ao selecionar uma instalação, são realizados os cálculos necessários e, além das características técnicas e particularidades construtivas, são considerados os prós e contras dos modelos.

Os disjuntores do tipo SF6 operam em condições adversas com vibrações periódicas, baixas temperaturas (com aquecimento) e em zonas de risco de incêndio.

As desvantagens incluem o alto custo do gás SF6 como enchimento, a especificidade da montagem em painel ou fundação e a necessidade de qualificação específica da equipe operacional.

Regras de conexão e manutenção de EV

Todas as ações relativas à montagem, ligação/desligação, reparo e manutenção de dispositivos a gás SF6 estão sujeitas a regras rigorosas regulamentadas pela PUE 1.8.21.

Para conectar a instalação, é necessário verificar a presença de pressão mínima na câmara cheia de gás; caso contrário, o disjuntor falhará. Para evitar danos, um alarme é instalado e atua quando há uma redução crítica dos parâmetros de pressão. O nível de pressão pode ser monitorado por meio de um manômetro.

No gabinete do acionamento estão instalados elementos de aquecimento que impedem efetivamente a formação de condensação nos componentes do mecanismo. O operador deve garantir que os aquecedores permaneçam sempre ligados.

A inspeção da instalação é realizada todos os dias durante o dia e aproximadamente 2 vezes por mês durante a noite. Se ocorrer um desligamento de emergência por algum motivo, uma inspeção não programada é necessária.

Durante a inspeção do disjuntor, é necessário verificar a proteção externa, remover sujeiras e corrigir danos. Se os contatos estiverem aquecendo, a causa deve ser investigada.

Se houver estalos ou ruídos suspeitos, a fonte deve ser identificada. A estrutura metálica de montagem também faz parte do circuito de aterramento, portanto sua integridade deve ser verificada.

As leituras do manômetro devem ser registradas obrigatoriamente. A pressão deve estar de acordo com a norma calculada pelo fabricante. É necessário verificar o funcionamento dos instrumentos de regulação e controle, e em caso de falha de um ou mais componentes, tomar medidas – realizar a substituição ou enviar para reparo.

Se a pressão do gás diminuiu, a câmara deve ser reabastecida com gás SF6. O isolamento não necessita de limpeza, pois a construção é totalmente vedada.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Como os disjuntores a gás SF6 são construídos, por qual princípio ocorre a extinção do arco e quais tipos de dispositivos existem, você pode aprender a partir de um vídeo útil e informativo.

Vídeo #1. Visão geral dos disjuntores a gás SF6 com descrição da construção e princípio de funcionamento:

Vídeo #2. Características da construção das instalações:

Vídeo #3. Como é realizada a montagem do disjuntor:

Os disjuntores a gás SF6 saem da linha de montagem da fábrica em plena prontidão operacional e são projetados para operar em diversas zonas climáticas, desde tropical até fria, por isso são amplamente utilizados por empresas industriais de vários países.