Testes on-line de disjuntores

Autores: Nils Wäcklén, Gerente técnico de Produtos,

e Niclas Wetterstrand, Diretor de Desenvolvimento de Negócios - Proteção

A confiabilidade dos disjuntores de alta tensão é um fator crítico para todas as operadoras de redes elétricas, pois falhas desses dispositivos presentes em todo lugar podem ter consequências que não são apenas caras, mas também causam muitos transtornos. A manutenção centrada na confiabilidade (RCM) é, como o nome sugere, fundamental para garantir a confiabilidade do disjuntor, mas a implementação do RCM depende de ter informações confiáveis e atualizadas sobre a condição do disjuntor, pois, sem essas informações, é impossível decidir onde os esforços e recursos de manutenção devem ser direcionados.

Em um mundo ideal, a melhor maneira de reunir informações sobre a condição de um disjuntor seria retirá-lo de serviço e submetê-lo a uma bateria abrangente de testes. Na realidade, retirar um disjuntor de serviço para testes quase sempre apresenta desafios, considerando as demandas de tempo de atividade prementes de hoje e os recursos de manutenção limitados.

Por esse motivo, cada vez mais operadoras de rede têm adotado procedimentos que envolvem a realização de testes em um disjuntor enquanto ele está em serviço — uma abordagem normalmente designada como "testes on-line". Ela não fornece tantas informações quanto testes off-line, mas é rápida e econômica de executar e fornece informações suficientes para decidir se e quando o disjuntor precisa ser programado para testes e manutenção mais abrangentes.

Há duas maneiras principais de implementar testes on-line. A primeira é equipar permanentemente cada disjuntor com instrumentos que monitoram seu desempenho. Isso tem o benefício de que os dados estão continuamente disponíveis, mas a desvantagem é que o custo dos instrumentos necessários para um monitoramento abrangente pode ser igual à metade do custo do próprio disjuntor. Devido ao enorme número de disjuntores em serviço, o alto custo torna essa opção pouco atraente para implementação em toda uma frota de disjuntores embora possa ser apropriada para um pequeno número de disjuntores em aplicações excepcionalmente críticas.

A segunda opção é usar equipamentos de teste portáteis para realizar medições em disjuntores energizados. Este artigo se concentra nesta segunda opção mais acessível embora grande parte das informações fornecidas seja igualmente aplicável aos testes com instrumentação permanentemente instalada. O artigo analisa dois aspectos importantes do teste on-line para disjuntores: teste de disjuntor e teste por meio da saída do sistema de detecção de tensão (VDS) e em seguida, oferece uma breve discussão sobre como o monitoramento de condição obtido por meio de testes on-line contribui para a implementação do RCM.

Teste de disjuntor

O teste on-line de um disjuntor em serviço sem realizar uma operação de disparo garante o mínimo de interrupção, mas fornece poucas informações. Uma alternativa prática – testes de disjuntor – pode, no entanto, fazer melhor. O teste de disjuntor envolve conectar o equipamento de teste portátil ao disjuntor enquanto ele está em serviço, disparar o disjuntor para permitir que o equipamento de teste faça medições de desempenho, depois, religando-o novamente imediatamente.

Essa forma de teste não apenas minimiza a interrupção, mas também fornece informações valiosas sobre o desempenho do disjuntor que não podem ser obtidas de nenhuma outra forma, mesmo com testes off-line. Isso ocorre porque ele captura dados sobre o funcionamento do disjuntor após meses, ou até anos, de inatividade. É particularmente útil para revelar problemas de lubrificação e corrosão que podem não ser percebidos em outras formas de teste e na medição do tempo de disparo real. Além disso, o teste de disjuntor é rápido de configurar e a operação de fechamento imediato significa que o disjuntor está fora de serviço por apenas algumas centenas de milissegundos.

Durante um teste de disjuntor, a corrente da bobina e a tensão de operação são registradas e, assim, a armadura ou o êmbolo, os tempos de movimento e a resistência da bobina são avaliados. Testes adicionais podem incluir sincronização de contato principal e auxiliar e análise de disparo do mecanismo de disparo. Provavelmente, o mais importante e certamente o mais revelador das medidas é a corrente da bobina e um traçado típico dessa corrente é mostrado na Figura 1.

O modo de operação é o seguinte. Quando a bobina de disparo é energizada (1), a corrente começa a fluir através dos enrolamentos. Inicialmente (1-2), a corrente sobe para um valor proporcional à energia necessária para mover o êmbolo de sua posição de descanso. O êmbolo começa a se mover (2), opera a trava de disparo que aciona o mecanismo de disparo (3-4), completa seu percurso (4-5) e atinge um batente (5). Durante o movimento do êmbolo (2-5), a corrente da bobina diminui devido à corrente oposta gerada pelo êmbolo que se move no campo magnético da bobina. A seção da curva de 4 a 5 é de especial interesse à medida que o êmbolo se move do ponto em que o mecanismo de disparo é destravado (4) até o batente (5). Esta seção da curva fornece uma indicação da velocidade do êmbolo: quanto mais íngreme a curva, mais rápido o êmbolo está se movendo. Depois que o êmbolo tiver concluído seu percurso, a assinatura atual muda. A taxa de aumento de corrente agora depende da indutância da bobina e, finalmente, quando a corrente atinge um valor constante (7), sua magnitude é proporcional à resistência CC da bobina. Em (8), o contato auxiliar se abre para desenergizar a bobina de disparo, a corrente cai para zero (9) e o êmbolo se retrai para sua posição de descanso.

A maneira mais útil de interpretar o traço de corrente da bobina obtido durante um teste de disjuntor é compará-lo com um traço de referência obtido quando o disjuntor foi colocado em serviço ou revisado recentemente. As figuras 3 a 7 mostram problemas comuns que essas comparações podem revelar. Em cada caso, o traçado de referência é mostrado em preto e o traçado do teste de disjuntor em vermelho.

Como parte de um teste de disjuntor, é importante monitorar a tensão da bobina CC, bem como a corrente, pois a operação adequada de um disjuntor só será obtida se a tensão aplicada à bobina estiver estável e com o valor correto. O monitoramento da tensão da bobina enquanto o disjuntor opera fornece um teste rápido do sistema de bateria, incluindo a fiação e as conexões entre as baterias e o disjuntor.

As informações mais importantes associadas a um teste de disjuntor podem ser resumidas como:

• Corrente de pico
  • varia com a resistência da bobina e a tensão de controle
• Tensão de controle
  • deve ser medida para garantir a comparabilidade das medições de corrente da bobina e temporização
  • uma queda de tensão maior indica maior resistência dos cabos da bobina
  • o tempo de reação do êmbolo depende da tensão de controle
• Resistência da bobina
  • pode ser calculado com base na tensão de controle e na corrente de pico (se saturada)
  • as alterações indicam espiras em curto ou outros danos à bobina
• Tempo de início e parada do movimento do êmbolo
  • o aumento dos tempos indica aumento mecânico
  • resistência ao movimento do êmbolo
• Corrente de início do movimento do êmbolo
  • o aumento da corrente indica maior resistência mecânica
  • a corrente de partida fornece uma indicação da tensão mais baixa de operação/coleta da bobina

O teste de disjuntor geralmente pode ser realizado em todos os disjuntores que usam conexões de teste on-line, o que não exige que o disjuntor seja desenergizado ou isolado. As ligações necessárias para realizar os testes de disjuntor são simples e, na maioria dos casos, podem ser colocadas em funcionamento em um tempo muito curto, normalmente não mais do que 10 minutos. A Figura 8 mostra conexões típicas. Observe que as conexões de sincronização do contato principal (não mostradas na Figura 8) podem ser facilmente adicionadas por meio de grampos de corrente usados em conjunto com a fiação de TC secundária ou por meio de terminais VDS.

As medições de temporização convencionais são testes off-line e, portanto, apenas realizadas em disjuntores isolados. Por necessidade, os comandos de comutação para esses testes são emitidos pelo dispositivo de teste. No entanto, ao realizar medições on-line, os comandos vêm do sistema de controle no local ou da sala de controle, de modo que o analisador do disjuntor esteja configurado para se comportar como um dispositivo de gravação passivo que atua nesses sinais de disparo em vez de emitir os comandos de comutação. Os sinais de disparo devem ser conectados à entrada de disparo do analisador e, quando o analisador estiver armado ele iniciará a gravação quando um sinal de trig aparecer.

Testes ativados do sistema de detecção de tensão (VDS)

No caso de disjuntores em sistemas de média tensão (MT) fechados, as conexões de teste on-line são a única maneira pela qual a sincronização do contato principal pode ser realizada. A sincronização do contato principal off-line (convencional) é impossível nesses disjuntores porque não há acesso aos circuitos primários. Embora os testes de sincronização de contato principal on-line possam, é claro, ser feitos nesses disjuntores usando pinças de corrente na fiação de TC secundária, Syna e Westnetz, trabalhando em conjunto com Megger, desenvolveram uma alternativa mais simples e segura que utiliza o sistema de detecção de tensão (VDS) de um disjuntor que é normalmente encontrado nesses tipos de disjuntores. O VDS é um sistema capacitivo de detecção de tensão em conformidade com a norma IEC 61243-5, que faz parte integrante do painel de comutação em que é utilizado; ele fornece uma indicação confiável, segura e responsiva de se um circuito está energizado.

Ao realizar testes com o painel de distribuição equipado com VDS, são feitas conexões com o ponto de medição VDS, que pode ser feito enquanto o equipamento permanece em serviço. Os testes que usam conexões VDS podem ser realizados com instrumentos padrão, como Megger TM1700 ou TM1800; o único requisito adicional é uma caixa adaptadora VDS de baixo custo (Figura 9) para medição do tempo de contato principal.

Assim como as medições de primeiro disparo feitas com conexões de teste convencionais em um teste de disjuntor habilitado para VDS, um sinal de disparo externo é necessário para inicializar a medição e a corrente e a tensão da bobina devem ser medidas. Essas conexões são realizadas conforme a Figura 8. Embora não seja o caso para disjuntores em sistemas MV fechados, mesmo quando o acesso seguro aos componentes de alta tensão de um disjuntor é possível, se uma conexão VDS também estiver disponível, é mais seguro, rápido e conveniente usar conexões de teste VDS para testar e cronometrar o disjuntor.

Uma vantagem dos testes habilitados para VDS é que o tempo de contato principal é incluído com o mínimo de esforço. Por outro lado, como mencionado anteriormente, com conexões de teste de disjuntor convencionais, a sincronização do contato principal (se desejada) requer uma etapa adicional de medição da corrente nos enrolamentos secundários do CTs por meio de grampos de corrente.

As desvantagens disso incluem:

• A corrente deve estar fluindo através do disjuntor, pois deve haver uma carga para obter um sinal na TC. Isso não é ideal tanto por motivos de segurança quanto pelo fato de que, provavelmente, consumidores serão desconectados durante a operação. Mesmo com um refechamento com o mínimo de atraso, haverá uma breve interrupção. É claro que isso pode ser resolvido se a estrutura da subestação permitir que o disjuntor seja colocado em paralelo com outro.
• Três pinças de corrente adicionais são necessárias e elas são caras.
• Ele requer mais trabalho para encontrar a fiação secundária da TC e prender as braçadeiras atuais. Os fios provavelmente estão localizados atrás da placa dianteira do disjuntor e não são fáceis de encontrar. No entanto, é observado que você precisará abrir o gabinete e revisar um diagrama de fiação em qualquer caso para conectar o grampo de corrente na corrente da bobina, o sinal de disparo e tensão.

Com um teste de disjuntor habilitado para VDS, o tempo é medido através da interface VDS em vez dos CTs. Isso significa:

• O ponto de contato principal é um bônus exigindo apenas a conexão com a interface do conector banana no painel frontal do disjuntor. Exceto para medir a corrente da bobina, não são necessários grampos de corrente.
• O mais importante é que o disjuntor não precisa carregar nenhuma carga, ou seja, as medições funcionam com ou sem carga, mas são naturalmente mais seguras de fazer sem carga. Desde que o teste seja realizado sem carga, o tempo de arco é minimizado, o que proporciona uma medição de tempo mais precisa, ao contrário de quando você mede a corrente do TC, que inclui o tempo de arco. Ele pode ser até metade do período em um cenário de pior caso.
• A necessidade de três entradas analógicas adicionais é eliminada, uma vez que a tensão VDS é medida pelos canais de sincronização do analisador.

Os métodos de avaliação são os mesmos para ambos, com a diferença de que, em um caso, analisa-se uma corrente CA e, no outro, uma tensão CA. Os disjuntores isolados a ar, que geralmente são equipados com VDS, oferecem a oportunidade de realizar medições on-line usando conexões VDS ou conexões de teste convencionais off-line. Esses disjuntores permitem uma comparação entre os resultados de teste obtidos com ambos os métodos, mostrando que os resultados com as conexões VDS estão em conformidade com as tolerâncias normais que seriam esperadas ao realizar testes comparáveis usando conexões convencionais. Os resultados obtidos pelos testes de VDS têm aparência um pouco diferente daqueles obtidos com testes convencionais, como pode ser visto nas Figuras 10 e 11, mas, como mostram essas figuras, a interpretação dos resultados não apresenta problemas.

Manutenção centrada na confiabilidade (RCM)

Poucos argumentariam contra as declarações feitas anteriormente neste artigo que as falhas de disjuntores são perturbadoras e caras e que a manutenção efetiva é a chave para minimizar o risco de falha. Não há necessariamente o mesmo nível de acordo sobre como essa manutenção é implementada. A opção menos proativa é executar nenhuma manutenção, simplesmente corrigir falhas à medida que elas surgem. No ambiente operacional atual, isso raramente é aceitável, se for o caso.

Alguma forma de manutenção preventiva é quase invariavelmente adotada, mas há muitas variações. Um exemplo tradicional é a manutenção preventiva baseada no tempo, na qual os disjuntores são mantidos em intervalos fixos. As deficiências dessa abordagem são muito claras: alguns disjuntores provavelmente serão mantidos quando nenhum trabalho for necessário enquanto outros desenvolverão problemas antes que eles sejam devidos para sua próxima intervenção de manutenção. De acordo com os padrões atuais, a manutenção baseada em tempo é ineficiente e ineficaz.

Uma opção muito melhor é a manutenção baseada em condições em que a condição dos disjuntores é regularmente avaliada e a manutenção realizada quando – e somente quando – essa avaliação mostra que ela é necessária. Uma extensão a esse conceito é a manutenção centrada na confiabilidade (RCM), que adota as mesmas ideias e técnicas que o monitoramento baseado na condição, mas acrescenta em consideração a importância do disjuntor na rede. Essencialmente, os disjuntores que desempenham um papel importante terão sua condição ponderada mais discriminadamente do que aqueles em papéis menores.

Atualmente existe uma forte tendência entre as operadoras de rede de adotar a RCM, mas, no atual ambiente competitivo, há também a necessidade de minimizar os custos. Os testes on-line de disjuntores, conforme discutido neste artigo, desempenham um papel importante para tornar isso possível e é uma forma particularmente barata e eficaz de destacar falhas no mecanismo operacional que, de acordo com pesquisas internacionais da CIGRE sobre a confiabilidade do disjuntor, representam 70% dos problemas do disjuntor.

Os testes on-line fornecem uma maneira confiável de avaliar a condição e o desempenho do disjuntor, sem o custo e a inconveniência de tirar o disjuntor de serviço. Isso torna economicamente viável para as operadoras de rede obter uma visão geral rápida, mas precisa, da condição de toda a sua frota de disjuntores.

Os testes de disjuntor são particularmente valiosos, pois fornecem as informações abrangentes necessárias para dar suporte às estratégias de RCM com um mínimo de interrupção e em um curto período de tempo. Melhor ainda, as informações se relacionam diretamente com as condições do mundo real: ela mostra como o disjuntor funcionará após um longo período de inatividade. Por fim, a VDS está tornando os testes on-line mais seguros, além de permitir que sejam implementados em muitas aplicações onde anteriormente não era possível. Em resumo, o RCM suportado por testes on-line é provavelmente a maneira mais confiável e econômica de se proteger contra falhas de disjuntores com seu potencial de atendimento para custos calamitosos e consequências terríveis.