Interruptor a vácuo: dispositivo e princípio de funcionamento + detalhes da seleção e conexão

O disjuntor a vácuo é um dispositivo destinado à operação em redes elétricas de alta tensão. Seu nome vem da característica de construção – a câmara de vácuo, que permite a extinção instantânea do arco elétrico.

O dispositivo é usado como comutador, destinado a desligar equipamentos em caso de emergência ou durante a operação normal. Vamos examinar mais detalhadamente o que é um comutador a vácuo e para que ele serve.

Como funciona o comutador a vácuo de alta tensão?

A base da funcionalidade das câmaras de vácuo usadas na construção de disjuntores são as propriedades físicas do gás em estado rarefeito. Nessas condições, a propriedade do gás, caracterizada como rigidez dielétrica, muda significativamente no sentido de aumento.

Este efeito do meio altamente rarefeito (faixa de 10^-6 a 10^-8 N/cm²) é utilizado com sucesso em construções de disjuntores complementadas com câmaras de vácuo a gás, através das quais passam grupos de contatos elétricos.

Um dos modelos de disjuntor a vácuo – dispositivo utilizado na operação de redes elétricas de potência. O dispositivo é considerado mais moderno e confiável em comparação com dispositivos similares, mas de outro tipo de construção.

A corrente que passa pelos grupos de contatos (no momento da separação dos contatos) forma uma descarga elétrica – um arco. A queima do arco ocorre devido à ionização parcial dos vapores metálicos, inevitavelmente formados pela alta temperatura. A passagem da corrente entre os contatos através do plasma formado é mantida até o momento da transição da corrente para a barra zero.

Assim que ocorre a passagem pelo 'zero', o arco elétrico se extingue. O tempo total do processo não excede 7-10 microssegundos.

Estrutura dos disjuntores a vácuo

A variedade de disjuntores a vácuo, considerando suas construções, é bastante grande. Portanto, é difícil caracterizar esses dispositivos como um todo. No entanto, independentemente das diferenças construtivas, o princípio de funcionamento permanece o mesmo.

Diagrama estrutural do disjuntor a vácuo: 1 – terminal superior; 2 – câmara de vácuo; 3 – isolador polimérico; 4 – terminal inferior; 5 – contato de fita; 6 – mola de potência; 7 – haste de tração; 8 – mola de abertura; 9 – alavanca de transmissão; 10 – eixo de acionamento; 11 – disparador; 12 – carcaça

Consideremos, para conhecimento geral, um disjuntor a vácuo tripolar, equipado com acionamento motorizado por mola. Este dispositivo é projetado para instalação interna ou ao ar livre. Em qualquer caso, sua montagem é realizada dentro de caixas metálicas de distribuição especiais.

Os dispositivos podem ser operados nos mais diversos setores da economia nacional. No entanto, existem algumas limitações.

Assim, os disjuntores a vácuo não são projetados para instalação e operação nas seguintes condições:

• ambientes com atmosfera inflamável ou explosiva;
• instalações que exigem comutação frequente por projeto;
• instalações do tipo móvel (transportável);
• sistemas de energia de embarcações marítimas e fluviais.

Os disjuntores a vácuo geralmente apresentam dois tipos de configuração construtiva:

1. Para instalação fixa.
2. Para instalação com carrinho de aparelhagem.

Independentemente da configuração, a área do corpo do dispositivo contém três polos equipados com câmaras de extinção de arco.

Dentro das câmaras de vácuo, atuam contatores móveis acionados por um mecanismo motorizado por mola. O corpo do dispositivo é complementado por um painel frontal, onde estão contidos os elementos de indicação e dispositivos de controle.

Elementos principais externos do disjuntor: 1 – polos do dispositivo; 2 – mecanismo de bloqueio de fechamento; 3 – janela para içamento; 4 – alavanca da mecânica que bloqueia os circuitos externos

Os três polos do circuito principal são construídos em forma de colunas. A disposição dos polos é, geralmente, na parte traseira do chassi do acionamento motorizado por mola. Cada polo é complementado por uma câmara de extinção de arco, que está contida dentro de um isolador polimérico. Para aumentar a rigidez dielétrica, o corpo do isolador possui formato aletado.

Dentro de cada câmara de vácuo, está montado um grupo de contatos composto por dois elementos –  móvel, fixo. O elemento do contato móvel está ligado ao mecanismo de comutação através de um isolador de tração. Em seguida, há a ligação com o terminal de contato inferior. Já o contato fixo conecta-se ao terminal de contato superior do dispositivo através de um encaixe cônico.

Como funciona o acionamento do disjuntor?

Os contatos móveis das câmaras de vácuo estão mecanicamente conectados ao eixo do acionamento motorizado por mola. Graças à mola de potência, previamente armada (colocada em estado de tração), o acionamento pode ser facilmente ativado pelo simples pressionamento de um botão de comando ou por outro mecanismo.

Diagrama estrutural da câmara de vácuo: 1 – borne do contato fixo; 2 – contato fixo; 3 – contato móvel; 4 – tela metálica; 5 – isolador cerâmico (polimérico); 6 – fole; 7 – borne do contato móvel

A mola (normalmente duas molas) é armada por meio de uma transmissão por corrente. O modo normal de operação do equipamento prevê o armamento da mola através de um motor elétrico equipado com um redutor. Ao mesmo tempo, existe uma alavanca de armamento manual, que é utilizada em caso de emergência ou falta de energia.

A mola armada é fixada por um mecanismo de disparo. Este mecanismo é controlado através de um acionamento eletromagnético ou de um botão de ligar. Assim que o modo de ligar é ativado, a fixação é liberada, a força de tração da mola aciona o mecanismo de came. Este, por sua vez, atua no eixo, que está mecanicamente conectado ao mecanismo de comutação dos contatos móveis das câmaras de vácuo.

A operação de desligamento do disjuntor a vácuo é realizada ativando o modo 'Desligado' – por eletroímã ou botão. A sequência de ações é praticamente análoga ao primeiro modo. Aqui também estão envolvidas as molas de potência de desligamento, cujo estado é estabelecido pelo mecanismo de disparo de desligamento.

Painel de controle e elementos de indicação: 1 – modo 'ligado'; 2 – modo 'desligado'; 3 – estado armado da mola; 4 – estado liberado da mola

A facilidade de operação e o controle do funcionamento do aparelho são fornecidos pelo painel de controle. Na parte frontal do painel estão dispostos os elementos: contador de número de ciclos, indicador do estado da mola de armamento, indicador do estado do disjuntor a vácuo.

Características das estruturas extraíveis

O equipamento de execução extraível é montado sobre um carrinho de aparelhagem especial. Com a ajuda deste acessório, o disjuntor é inserido dentro do armário ou retirado dele.

O carrinho de aparelhagem atua não apenas como transporte do aparelho, mas também desempenha a função de controlador de inserção do aparelho no modo de teste ou no modo operacional, assim que o disjuntor é encaixado no armário.

Carrinho de aparelhagem: 1 – rolete (4 unid.); 2 – base; 3, A – base móvel; 4 – alavanca (2 unid.); 5 – soquete de chave; 6 – barra de travamento; 7 – elemento de fixação; 8 – conector para circuito secundário; 9 – mecânica de travamento do aparelho; 10 – contatos de travamento; 11 – barra de fixação do parafuso; B – parte fixa

O disjuntor a vácuo é fixado diretamente na parte móvel do carrinho. A fixação é feita com conexões parafusadas. Entretanto, o carrinho de aparelhagem também possui uma parte fixa, onde está fixado o acionamento da parte móvel. O movimento do módulo móvel em relação ao fixo é realizado através do parafuso da alavanca de controle do carrinho.

Parte móvel – base metálica sobre quatro rodas, tratada com revestimento galvânico. Aqui estão presentes o bloqueio mecânico externo (barra de pressão) do aterramento, o bloqueio do parafuso do acionamento, os contatos auxiliares, o mecanismo de bloqueio do disjuntor e outros elementos que garantem o movimento ou a fixação.

Instalação e conexão do dispositivo

Antes de começar a instalar o disjuntor a vácuo, é necessário inspecionar todos os elementos externamente acessíveis para garantir que não haja danos ou defeitos. Em seguida, realize a limpeza das superfícies isolantes dos polos com um pano seco que não solte fiapos.

Não é permitido instalar o equipamento no sistema se houver lascas, trincas ou áreas deformadas nas superfícies isolantes. O esquema dos circuitos secundários e a conexão do barramento do gabinete devem ser verificados obrigatoriamente.

Verificação do aparelho instalado. Aqui é importante verificar cuidadosamente cada peça, cada elemento de fixação. Os equipamentos de alta tensão não perdoam nem o menor erro.

Antes da instalação, a operacionalidade do disjuntor deve ser verificada por meio de acionamento manual (em vazio, sem alimentação) e certificar-se da posição correta dos indicadores do painel de controle. Em seguida, verifique a presença das tampas dos polos. Se for utilizado equipamento para corrente nominal de 1600A ou superior, as tampas de proteção devem ser removidas antes da montagem.

Conexão direta à rede

Os terminais dos conectores dos condutores dos cabos de potência devem ser limpos antes da conexão aos terminais do disjuntor.

O procedimento de limpeza difere conforme o material dos terminais utilizado:

• Para terminais de cobre e alumínio sem revestimento adicional, a limpeza é feita com lixa de granulação M20 ou inferior, seguida de desengorduramento da superfície metálica.
• Se os terminais de cobre ou alumínio forem revestidos com uma camada de prata, basta limpá-los com um pano que não solte fiapos.

Não é permitido utilizar cabos cujo revestimento de prata dos terminais esteja danificado em mais de 5% da área. Nesse caso, o elemento danificado deve ser substituído. Mais detalhes sobre terminais para conexão de fios podem ser lidos em neste material.

Os condutores externos são conectados aos terminais do disjuntor a vácuo de modo a não gerar esforços mecânicos nos terminais do aparelho por parte dos condutores externos. As conexões são feitas por acoplamento de parafusos com arruelas metálicas elásticas planas.

Como é feito o aterramento?

Os aparelhos de versão fixa são conectados à placa de terra por meio de uma conexão aparafusada (M12) diretamente no ponto marcado com a etiqueta 'Aterramento'.

Elementos da estrutura do carrinho do aparelho e do chassi do disjuntor através dos quais é realizada a aterramento do dispositivo. Geralmente, esses pontos são marcados com o sinal correspondente, aplicado próximo ao elemento.

A área do ponto de contato 'Aterramento' antes da conexão deve ser desengordurada. Como condutor de aterramento, deve-se escolher um barramento de seção suficiente (Regras de Instalações Elétricas), um fio flexível ou um condutor trançado. Antes de colocar o condutor na plataforma de contato, lubrificar as superfícies de contato com graxa especial (TsIATIM-203).

A estrutura do tipo extraível é aterrada por meio dos elementos do carrinho do aparelho. O aterramento do disjuntor a vácuo é realizado através da estrutura do carrinho do aparelho, para o qual também existem elementos de fixação.

Comissionamento do dispositivo

A colocação do dispositivo em operação é realizada após a verificação adicional do equipamento instalado e preparado. Em particular, verifica-se a confiabilidade do aterramento, o estado da fixação dos componentes de montagem, o acesso do meio refrigerante aos elementos potencialmente aquecidos.

As superfícies das hastes condutoras que entram em contato com as lamelas dos grupos de contatos tipo tomada devem ser tratadas com uma pequena quantidade de graxa TsIATIM. Em geral, é necessário realizar todos os procedimentos previstos pelo PUE para os testes de aceitação e garantir que a tensão operacional esteja dentro dos limites permitidos.

Instalação do disjuntor a vácuo. Os trabalhos de montagem são realizados apenas por pessoal qualificado. Os mesmos requisitos são exigidos do pessoal selecionado para a manutenção de equipamentos de alta tensão.

Operar o disjuntor a vácuo é permitido apenas ao pessoal que possui autorização para manutenção de instalações elétricas que operam sob tensão acima de 1000 volts. O grupo de autorização aprovado para os operadores deve ser no mínimo o terceiro. Antes de iniciar o trabalho com o equipamento, o pessoal passa por um treinamento técnico para estudar as particularidades do modelo específico do equipamento.

Como escolher um disjuntor a vácuo?

O dispositivo é escolhido considerando seus parâmetros nominais, que são avaliados em relação aos parâmetros da rede elétrica existente no local de instalação. A seleção é feita com base no critério dos modos de operação mais carregados previstos para as condições de operação.

A tensão nominal do disjuntor a vácuo pode ser igual (ou maior) à tensão nominal do sistema alimentado através do disjuntor.

O parâmetro da corrente nominal de longa duração é escolhido acima do valor nominal da corrente do sistema alimentado. O parâmetro da corrente nominal de corte é escolhido acima do valor máximo da corrente calculada de curto-circuito (considera-se o momento de abertura dos contatos).

A placa de características técnicas é a primeira coisa que se observa ao escolher um disjuntor. Com base nos valores dos parâmetros, já é possível determinar se o aparelho é adequado para uma instalação específica ou não.

Do ponto de vista das possíveis condições de curto-circuito, a escolha é feita considerando os modos mais severos.

O componente aperiódico é calculado levando em consideração as condições de curto-circuito com tensão zero em qualquer uma das linhas de fase. Deve-se levar em conta o parâmetro de corrente aperiódica estabelecido pelo fabricante do equipamento.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Você pode saber mais sobre o dispositivo, princípio de funcionamento e condições de instalação do disjuntor a vácuo no seguinte vídeo:

Os disjuntores a vácuo se diferenciam de outros tipos de dispositivos por sua estrutura relativamente simples e confiável. Portanto, este tipo de equipamento opera por um longo período sem problemas significativos. A vida útil de desgaste natural é determinada pelo número de operações, não inferior a 20.000. Com a realização oportuna da manutenção, essa vida útil aumenta em 5-10%. Enquanto isso, a manutenção dos disjuntores a vácuo é limitada a um pequeno número de operações leves.

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