Teste seguro e rápido de disjuntores de alta tensão com a tecnologia DCM Dualground™

Autores:

• Mohammad Tariq - Diretor técnico, Megger ME,
• Nils Wäcklén - Gerente de produtos, Megger Suécia AB,
• Niclas Wetterstrand - Gerente de programa, Megger Suécia AB

Segurança do pessoal em subestações

Desde os primórdios dos testes de disjuntores, a segurança do pessoal sempre foi a maior prioridade. A melhor maneira de aumentar a segurança é, sem dúvida, aumentar a distância entre os trabalhadores e os dispositivos que operam em alta tensão.

No entanto, mesmo que um objeto tenha sido retirado de serviço, existem três formas principais pelas quais ele pode permanecer ou se tornar perigoso devido à energização por alta tensão. A primeira é quando ocorre uma falha e um potencial elétrico indesejado atinge o objeto. A segunda é quando um raio afeta as linhas de energia relacionadas ao objeto. A terceira, e mais comum, é o acoplamento capacitivo de um condutor energizado próximo que produz uma tensão perigosa no objeto. Essas tensões podem causar uma corrente de 20 mA ou até mais em um corpo humano e, de acordo com a norma IEC® EN 61010, correntes acima de 3,5 mA são perigosas.

A única maneira de tornar um objeto seguro para todos os casos mencionados é aterrar o objeto em todos os pontos condutores que, de outra forma, estariam flutuando livremente, e também nos pontos de contato com o sistema circundante. Dessa forma, é criada uma zona segura e qualquer corrente devido à tensão no objeto seguirá o caminho mais curto para a terra por meio do cabo de aterramento, que normalmente é um condutor de 120 mm2. Um objeto aterrado dessa forma não pode se tornar perigoso.

Os regulamentos e as leis exigem que todos os objetos sejam aterrados em ambos os lados antes que qualquer trabalho de manutenção seja realizado neles. No entanto, há exceções aprovadas porque não é possível realizar todos os tipos de trabalho de manutenção com os dois lados aterrados. Por exemplo, a medição do tempo de atuação dos contatos principais de disjuntores geralmente é feita com aterramento apenas em um dos lados (Fig. 1).

Outro aspecto do equipamento de teste de subestação que é importante para a segurança é a interface do usuário. A operação do equipamento deve ser direta, rápida e fácil. Os engenheiros de campo precisam dedicar seu tempo e energia ao trabalho em questão, e não a descobrir como o equipamento funciona. Esse aspecto é difícil de quantificar e não está contemplado em normas e regulamentos.

Método de temporização convencional

A abordagem convencional para medição do tempo de atuação dos contatos principais em disjuntores é usar a lei de Ohm com uma tensão de teste CC sobre o disjuntor para distinguir o momento em que o estado do disjuntor muda de aberto para fechado. Esse método não se baseia em um padrão e, portanto, não há um ponto de referência absoluto. No entanto, atualmente, essa é a técnica mais amplamente utilizada.

Com os dois lados do disjuntor conectados ao terra, esse método não funciona. Como o contato do disjuntor é curto-circuitado pelo circuito de aterramento, a corrente de teste CC fluirá continuamente, independentemente do estado do contato; portanto, esse método indicará que o disjuntor está sempre fechado.

Uma maneira de superar essa desvantagem de segurança foi adotada pela EDF, a empresa estatal de eletricidade da França, que usa um dispositivo de aterramento automático. Um sensor de tensão fecha automaticamente uma conexão de aterramento se houver um potencial de tensão entre o objeto e o aterramento. Esse dispositivo é usado em um lado enquanto o outro é aterrado com um cabo. No entanto, com essa técnica, o teste de medição do tempo é mais complicado e mais demorado, e o próprio dispositivo de aterramento introduz outro ativo que pode falhar e, portanto, precisa de manutenção.

Ambos os lados aterrados, método de temporização DRM

O método de medição de tempo DRM foi inventado em 1993 pela Programma Electric, que agora faz parte da Megger. Foi a primeira solução para medir a temporização de disjuntores com ambos os lados aterrados (Fig. 2). Esse método funciona injetando uma corrente alta de cerca de 100 amperes enquanto se abre ou fecha o disjuntor, monitorando a tensão e registrando o gráfico de resistência dinâmica. Esse método foi desenvolvido principalmente para disjuntores de alta tensão externos. Como a resistência de contato do disjuntor é menor do que o circuito de aterramento, quando o disjuntor abre ou fecha, o gráfico de resistência muda e, a partir disso, é possível determinar o instante de fechamento e abertura.

Para contextualizar, o intervalo da resistência de aterramento normalmente varia em torno de alguns mili-ohms, enquanto a resistência de contato do disjuntor, quando completamente fechado, é de aproximadamente 50 micro-ohms. Isso significa que, durante a abertura do disjuntor, a resistência aumenta de cerca de 50 micro-ohms para 2 ou 3 mili-ohms. Essa variação significativa na resistência pode ser usada para determinar com precisão os tempos de abertura e fechamento do disjuntor mesmo com o laço de aterramento presente. Esse método oferece uma maneira segura de testar disjuntores SF6 de alta tensão externos. No entanto, há limitações.

Primeiro, esse método utiliza correntes elevadas, exigindo cabos de grande diâmetro, o que torna o equipamento pesado para o transporte. Para um disjuntor com dois contatos por fase, são necessários no mínimo nove cabos de 100 A!

Segundo, em muitos casos, a resistência do circuito de terra é de cerca de 2 a 3 miliohms, o que é comparável à resistência do contato de arco do disjuntor. Durante as operações de abertura ou fechamento, a diferença entre o contato de arco e o contato principal para fechar ou abrir está na faixa de 2 a 7 milissegundos. Como a resistência do contato de arco e a resistência do circuito de aterramento em disjuntores SF6 externos são comparáveis, é difícil determinar os limites com precisão, e o resultado da sincronização pode ser desviado de 2 a 7 milissegundos se o instante da operação do contato principal for detectado em vez do instante da operação do contato de arco. De acordo com as normas IEC e IEEE, o primeiro toque do contato de formação de arco é considerado o tempo de fechamento e a última separação do contato de formação de arco é considerada o tempo de abertura.

No entanto, de acordo com a IEC62271-100, o limite máximo de sincronização interfásica é de 1/8 de ciclo, que é de 2,1 a 2,5 milissegundos no máximo, dependendo se o sistema é de 50 Hz ou 60 Hz. Portanto, um erro de 2 a 7 milissegundos não é aceitável. As Fig. 3 e Fig. 4 mostram a resistência do arco em relação ao contato principal. A figura 5 ilustra o interior do contato de arco em relação ao contato principal do disjuntor.

Em alguns designs de disjuntores, um resistor de pré-inserção (PIR) ou de pós-inserção (ruptura) é conectado em paralelo com o contato principal. Os PIRs têm seus próprios interruptores e são comutados alguns milissegundos antes ou depois do fechamento ou abertura do contato principal, respectivamente. Esses resistores são mostrados nas Fig. 6 e Fig. 7. O diagnóstico de um disjuntor com PIRs inclui a medição do tempo do contato do PIR. Isso apresenta uma terceira dificuldade com o método DRM. Com valores de resistores PIR e pós-inserção de centenas de ohms até vários quilo-ohms, a mudança de resistência com a linha de aterramento paralela de miliohms dificilmente será perceptível. Considerando um circuito de aterramento de 2 mili-ohms e um PIR de 200 ohms, as duas resistências em paralelo teriam um valor total de 1,99998 mili-ohm. Um PIR aberto ou fechado faria uma diferença de 1/1000 de um por cento, o que não é mensurável com equipamentos de campo.

O quarto e maior desafio é quando o método DRM é usado em um disjuntor GIS. Ao contrário de um disjuntor SF6 externo, um disjuntor GIS tem resistência muito baixa no circuito de aterramento, chegando a cerca de 75 micro-ohms, que é aproximadamente o mesmo nível de resistência do contato principal e apenas uma fração da resistência do contato de arco. Isso torna impossível determinar o nível de abertura e fechamento usando o método DRM (Fig. 8). Portanto, para os disjuntores GIS, um lado do aterramento precisa ser aberto, o que representa um desafio adicional que consome muito tempo para encontrar pontos de conexão e também expõe os engenheiros de teste a riscos de lesões pessoais.

O DRM foi, sem dúvida, um bom começo para economizar tempo e aumentar a segurança em alguns casos, mas o método tem várias limitações. Para resolver essas questões, o método DCM foi desenvolvido e patenteado em 2007 pela Megger e, em 2017, uma terceira geração aprimorada do DCM será lançada.

A terceira geração de DCM para temporização DualGround™

As primeiras gerações do DCM aproveitavam o fato de haver uma mudança na capacitância quando um disjuntor está na posição fechada em comparação com a posição aberta. A terceira geração do DCM modifica um pouco esse método para que não apenas a capacitância, mas também a impedância total seja analisada, usando um sinal de alta frequência.

Quando um disjuntor opera da posição fechada para a aberta, suas propriedades mudam de quase puramente resistivas para quase puramente capacitivas. Em uma situação de teste, com ambos os lados do disjuntor aterrados, o circuito terá componentes resistivos e indutivos através do circuito de aterramento, mesmo que o disjuntor esteja aberto – consulte o circuito equivalente na Fig. 6.

O circuito também pode conter contatos de resistor de pré-inserção (PIR) (consulte as Figuras 6 e 7), que também afetarão a impedância total no circuito de teste, mas de forma menos significativa do que o contato principal.

A vantagem das novas técnicas de DCM que analisam a alteração da impedância total, em vez de apenas a capacitância ou a alteração resistiva, é que é possível detectar tanto o contato principal quanto o contato PIR com ambos os lados do disjuntor aterrados.

A conexão de aterramento tem uma influência muito limitada no circuito ressonante para sinais de alta frequência porque a impedância nos cabos de aterramento é relativamente alta. Em situações especiais, como aplicações que envolvem GIS, a conexão de aterramento exige um aumento da reatância indutiva na conexão de aterramento. Isso é alcançado colocando um núcleo de ferrite ao redor do conector de aterramento. O núcleo de ferrite pode ser composto por duas meia-roscas, que são fáceis de fixar ao redor de um cabo, ou por uma forma em U, que é fácil de fixar ao redor de uma barra.

Princípio de medição

O circuito de teste é ajustado com o disjuntor nas posições fechada e aberta. Durante o ajuste, o nível de impedância do circuito de teste é medido com um sinal de alta frequência. A frequência é rastreada para encontrar a frequência ideal para maximizar a faixa de medição e definir automaticamente os níveis de limite.

Após a execução desse procedimento de ajuste, o sistema de teste detectará automaticamente se o contato principal e o contato PIR estão abertos ou fechados.

O resultado é interpretado da mesma forma que a medição de tempo convencional, e todos os resultados estão em conformidade com as normas IEC e IEEE/ANSI relevantes.

Teste de disjuntores GIS com DCM DualGround™

A principal vantagem do GIS é a redução do espaço necessário em comparação com as subestações com isolamento a ar. Além disso, o intervalo de manutenção e teste para disjuntores instalados em GIS é maior do que em instalações com isolamento a ar. O GIS foi instalado desde a década de 1980 e grande parte dele está chegando ao momento em que a manutenção é necessária.

A ferramenta de diagnóstico mais importante para os disjuntores GIS é a medição do tempo de atuação do contato principal descrita anteriormente. A medição do tempo convencional exige que o aterramento seja removido de pelo menos um lado do disjuntor. Uma chave de aterramento isolada tem um recurso integrado que permite o acesso ao circuito primário sem aterrá-lo. Portanto, uma chave de aterramento isolada é necessária em pelo menos um dos lados para uma temporização convencional sem desmontar totalmente o GIS.

Esse recurso permite testar a medição do tempo de atuação do disjuntor usando o método normal de aterramento único, mas é necessário remover o jumper da chave de aterramento, o que, conforme discutido anteriormente, sujeita a equipe de teste a altos riscos de segurança. Na prática, já foram relatadas tensões acopladas capacitivamente de até 4 kV, o que é extremamente perigoso.

Nas primeiras instalações de GIS, raramente havia chaves de aterramento isoladas instaladas. O uso dessas chaves aumentou ao longo das décadas, mas ainda é comum encontrar novas instalações sem elas. Nesses casos, o processo de desmontagem necessário para a temporização convencional é demorado e caro. Além disso, se os parafusos não forem apertados corretamente, haverá vazamento de SF6.

Em condições específicas, o método de aterramento duplo DCM é capaz de realizar medições de tempo em um disjuntor GIS mesmo quando não há uma chave de aterramento isolada disponível, enquanto todos os outros métodos, inclusive o DRM, não conseguirão medir o tempo com os dois lados do disjuntor aterrados. Essas condições incluem, por exemplo, a existência de um ponto de acesso ao circuito primário fora da parte isolada a gás, por exemplo, uma bucha conectada a uma linha aérea aberta.

Disjuntores do gerador

A saída de energia de uma turbina em uma usina de energia tem uma alta capacidade de corrente; a corrente de curto-circuito pode ser de cerca de 900 kA em 11 a 33 kV. A alta corrente exige condutores de grande espessura para evitar o superaquecimento. Os barramentos e os acoplamentos são enormes, com centenas de parafusos que devem ser apertados com um torque preciso (Fig. 9).

A desconexão do barramento leva mais de um dia. Se um único parafuso for apertado com o torque errado, isso resultará em um ponto de maior resistência e aquecimento. Se o aquecimento for grave, a usina precisará ser desligada para que o parafuso solto seja devidamente apertado. Sabendo disso, é fácil entender por que os proprietários de usinas de energia relutam em permitir a desconexão de barramentos aparafusados para medições de tempo.

Todo o trabalho de manutenção em usinas de energia é programado em torno de eventos de revisão planejados. Nesse momento, há todos os tipos de pessoal trabalhando na turbina e na linha de energia. A segurança exige que os disjuntores do gerador sejam aterrados em ambas as extremidades durante esses eventos de manutenção planejados.

A medição do tempo de atuação dos contatos principais com métodos convencionais usando uma tensão CC só é possível agora se uma barra de barramento for desconectada. O método DCM, no entanto, permite a medição com ambos os lados aterrados. O trabalho demorado de desconectar a barra de barramento é eliminado, juntamente com o risco de parafusos soltos causarem superaquecimento resistivo.

Resistor de pré-inserção (PIR)

Com um PIR no disjuntor e enquanto ele estiver ligado, a impedância do circuito de teste é alterada. Com a terceira geração do DCM, é possível detectar o nível de impedância do PIR e, assim, apresentar a medição do tempo do PIR ao mesmo tempo em que o tempo do contato principal é medido. Esse é um grande benefício, pois os PIRs são usados com mais frequência em níveis de alta tensão, onde a probabilidade de correntes induzidas perigosas é alta. A técnica DCM permite a medição dos contatos do PIR, o que é impossível com o uso do aterramento duplo DRM.

Conclusão

A segurança adicional e o princípio de diferentes métodos para medir o tempo de atuação em um disjuntor com ambos os lados aterrados foram discutidos e a superioridade do método DCM DualGround™ foi explicada. Além disso, foram mostrados os recursos de economia de tempo e os benefícios do DCM. Os exemplos incluem GCB, GIS CBs e CBs com PIRs. O DCM DualGround™ economiza até um dia de trabalho, reduzindo o tempo de desligamento e comissionamento. Isso se aplica a todos os casos em que o sistema de aterramento não pode ser removido ou não está acessível.