Teste de diagnóstico de disjuntores de alta tensão – Parte 1

Robert Neimanis – Especialista em aplicações

Introdução

Os disjuntores não são os itens de equipamento mais proeminentes em uma subestação. Eles passam muito tempo sem fazer nada, exceto esperar em antecipação. No entanto, chega um momento em que o disjuntor deve funcionar instantaneamente e sem falhas. Infelizmente, todos os dispositivos operados eletricamente, mais cedo ou mais tarde, podem apresentar algum tipo de mau funcionamento e, se um disjuntor não funcionar como esperado, os problemas podem se multiplicar com resultados potencialmente catastróficos.

No entanto, ao realizar testes, os técnicos e gerentes de subestações podem diminuir suas preocupações com o desempenho do disjuntor. Os disjuntores fornecem proteção para equipamentos que são uma parte essencial da infraestrutura e são caros para substituir; a manutenção dos disjuntores evita interrupções, o que reduz as dores de cabeça – e economiza dinheiro – para as concessionárias e seus clientes. Além disso, há um componente real de serviço público em garantir o fornecimento confiável de energia, minimizando o tempo de inatividade das empresas e o tempo "no escuro" dos clientes.

O teste do disjuntor da subestação é uma tarefa importante para todas as concessionárias de energia. O funcionamento adequado de um disjuntor depende de muitos componentes individuais que devem ser calibrados e testados em intervalos regulares. Os fatores usados para determinar os intervalos de manutenção diferem muito entre as concessionárias de energia, mas geralmente incluem o tempo desde o último teste, o número de operações ou a gravidade das operações de corrente de falha. Considerações ambientais, como umidade e temperatura – independentemente de o disjuntor estar localizado em uma região desértica ou costeira – também afetam o cronograma de manutenção.

Padrões

O projeto e a operação do disjuntor de alta tensão, bem como o tipo e os testes de rotina, são definidos por normas internacionais, como:

1) IEC 62271-SER ed1.0 – Aparelhos de manobra e controle de alta tensão.

2) ANSI/IEEE C37 – Guias e padrões para disjuntores, painéis de distribuição, relés, subestações e fusíveis.

3) IEC/TR 62063 ed1.0 (1999-08) TC/SC 17A – Aparelhos de manobra e controle de alta tensão – O uso de tecnologias eletrônicas e associadas em equipamentos auxiliares de aparelhos de manobra e controle.

Tipos de disjuntores

Os disjuntores podem ser classificados de muitas maneiras diferentes – por tensão, aplicação, meio isolante etc., conforme mostrado na Figura 1.

Dependendo de onde o disjuntor estiver posicionado na rede de energia, diferentes níveis de confiabilidade serão exigidos dele. São esses requisitos que geralmente determinam o cronograma de testes do disjuntor e a quantidade de manutenção que ele receberá. Neste artigo de duas partes, examinaremos os métodos de teste mais comuns para disjuntores, bem como alguns métodos mais novos que estão crescendo rapidamente em popularidade.

Métodos de teste convencionais

As principais funções de um disjuntor são abrir o circuito em resposta a falhas e conectar/desconectar objetos e partes da rede elétrica. A maioria das operações de chaveamento de um disjuntor são operações de carga normal.

A princípio, pode parecer que não há muito o que testar em um disjuntor, mas um olhar mais atento revela um mecanismo complexo que deve funcionar sem falhas em questão de milissegundos. Medir esses milissegundos – o sincronismo de contato principal – é um dos principais objetivos dos testes de disjuntores. Além disso, a medição do movimento do contato é quase sempre incluída no plano de manutenção/serviço do disjuntor. No entanto, os possíveis testes em disjuntores não se limitam apenas a esses dois, e discutiremos várias técnicas de medição diferentes que ajudam a avaliar de forma confiável o status do disjuntor.

Teste de primeiro disparo

Um método eficaz para verificar a condição de um disjuntor é examinar seu comportamento durante a primeira operação de abertura depois de ter ficado inativo por um longo período. Para um teste desse tipo, as conexões com o disjuntor e as medições são realizadas enquanto ele ainda está em serviço. Todas as conexões de teste são feitas dentro do gabinete de controle.

A principal vantagem de realizar um teste de primeiro disparo é que ele verifica o desempenho do disjuntor em condições operacionais do "mundo real". Se o disjuntor não tiver operado por um longo período, o teste de primeiro disparo revelará se a operação ficou mais lenta devido a problemas nas ligações do mecanismo ou nas armaduras da bobina causados por corrosão ou graxa ressecada. Com os métodos de teste alternativos tradicionalmente usados, o teste é realizado depois que o disjuntor é retirado de serviço e operado pelo menos uma vez.

Durante um teste de primeiro disparo em um disjuntor operado em grupo (um disjuntor com um mecanismo de operação comum), uma corrente de bobina é medida. Em um disjuntor operado por polo independente, no entanto, são medidas três correntes de bobina. A análise das assinaturas de corrente da bobina fornece informações sobre a condição do disjuntor. O tempo dos contatos auxiliares também pode ser medido. O tempo de abertura do disjuntor pode ser medido pelo monitoramento da corrente secundária nos TCs de proteção, mas se esse método for usado, o tempo de arco será incluído. Se houver um caminho de corrente primária paralelo, o tempo de abertura pode ser determinado com mais precisão, pois o arco voltaico é minimizado.

Exemplos de problemas que podem ser revelados pela análise do primeiro disparo:

Sincronismo do contato principal

O sincronismo do contato principal é baseada nas seguintes definições da IEC:

• Tempo de abertura – o intervalo de tempo a partir do momento em que a liberação de abertura (a bobina de disparo, por exemplo) é ativada até o instante em que os contatos de arco se separam em todos os polos.
• Tempo de fechamento – o intervalo de tempo entre o momento em que o dispositivo de fechamento (a bobina de fechamento, por exemplo) é ativado e o momento em que os contatos de arco se tocam em todos os polos.

O objetivo do teste de sincronismo do contato principal é garantir que os tempos de abertura e fechamento estejam de acordo com o especificado pelo fabricante do disjuntor. Tempos fora das especificações do fabricante, especialmente ao comutar correntes de curto-circuito, levam a um aumento do tempo de arco. Isso resulta em desgaste excessivo dos contatos (na melhor das hipóteses) e também pode causar uma emergência no equipamento, ou seja, a fusão dos contatos. E, se os contatos derreterem, o disjuntor precisará passar por manutenção ou ser substituído.

Além dos tempos de abertura e fechamento aceitáveis para o disjuntor como um todo, a sincronização correta é imperativa, tanto entre as fases quanto, no caso de várias interrupções por fase, entre os contatos da mesma fase. 

O sincronismo dentro de uma fase é essencial quando vários contatos são conectados em série.

Nesse caso, o disjuntor se torna um divisor de tensão quando abre um circuito. Se as diferenças de tempo entre as operações dos contatos forem muito grandes, uma tensão excessiva aparecerá em um deles, resultando em arco elétrico, com a possibilidade de danos graves à câmara de interrupção.

A tolerância de tempo para simultaneidade entre as fases é maior em um sistema de transmissão de energia trifásico operando a 50 Hz, pois há sempre 3,33 ms entre os cruzamentos zero. No entanto, mesmo em tais sistemas, a tolerância de tempo é normalmente especificada como inferior a 2 ms. Deve-se observar também que os disjuntores que realizam comutação sincronizada devem atender a requisitos mais rigorosos em ambas as situações mencionadas acima.

A norma IEC 62271-100 exige que a sincronização do disjuntor (fase versus fase) seja melhor que 1/4 de ciclo para operações de fechamento e melhor que 1/6 de ciclo para operações de abertura. A sincronização entre os interruptores na mesma fase é especificada como melhor do que 1/8 de ciclo.
 

Sincronismo do contato do resistor

Os contatos do resistor podem ser do tipo pré ou pós-inserção. O sincronismo dos contatos do resistor é realizada simultaneamente com os contatos principais, mas só é possível detectar os contatos do resistor enquanto o contato principal estiver aberto. O valor da resistência é um bom parâmetro para avaliação.

Sincronismo do contato auxiliar

Não há limites generalizados para as relações de tempo entre os contatos principais e auxiliares, mas ainda é importante entender e verificar a operação do contato auxiliar. A finalidade de um contato auxiliar é fechar e abrir um circuito. Esse contato pode, por exemplo, ativar uma bobina de fechamento quando um disjuntor está prestes a realizar uma operação de fechamento e, em seguida, abrir o circuito imediatamente após o início da operação, para evitar a queima da bobina. Os contatos auxiliares também são usados para fins de proteção e sinalização de relés.

Teste de injeção primária

Para o teste de injeção primária, uma corrente alta é injetada no lado primário do transformador de corrente. Toda a cadeia – transformador de corrente, condutores, pontos de conexão, proteção do relé e, às vezes, também os disjuntores – é coberta pelo teste. Durante o teste de injeção primária, o sistema em teste deve ser retirado de serviço. Normalmente, esse tipo de teste é realizado como parte do processo de comissionamento.

A única maneira de verificar se um disjuntor de baixa tensão de ação direta funciona corretamente é injetar uma corrente alta nele e observar/registrar seu desempenho.

Movimento do contato principal

Um disjuntor de alta tensão é projetado para interromper correntes de curto-circuito de maneira controlada. Isso exige muito do desempenho mecânico do mecanismo de operação e de todos os componentes da câmara do interruptor. O disjuntor precisa operar a uma velocidade específica para acumular a pressão adequada para que o fluxo de resfriamento de ar, óleo ou gás (dependendo do tipo de disjuntor) extinga o arco gerado após a separação do contato até o próximo cruzamento de zero.

É importante interromper a corrente para evitar novos picos. Isso é obtido garantindo que os contatos se afastem o suficiente antes que o contato móvel entre na chamada zona de amortecimento. A distância ao longo da qual o arco elétrico do disjuntor deve ser extinto é normalmente chamada de zona de arco. A partir da curva de movimento, podem ser calculadas curvas de velocidade e aceleração que revelam até mesmo mudanças marginais que podem ter ocorrido na mecânica do disjuntor. O movimento do contato é capturado pela conexão de um transdutor de deslocamento à parte móvel do mecanismo de operação. O transdutor fornece uma tensão analógica relacionada ao movimento do contato. O movimento é geralmente apresentado como uma curva de tempo versus distância.

Percurso

O traço de percurso indica a posição instantânea dos contatos do disjuntor durante uma operação, conforme mostrado na Figura 4. O traço fornece informações importantes, como curso total, sobrecurso, rebote, subcurso, limpeza do contato ou penetração do contato móvel ou posição da haste de operação no momento do fechamento ou da abertura, além de revelar muitos tipos de anomalias.

Velocidade e aceleração

A velocidade é calculada entre dois pontos na curva de movimento. O ponto superior é definido como uma distância em comprimento, graus ou porcentagem de movimento da posição fechada ou aberta, ou do ponto de fechamento ou separação do contato. O tempo decorrido entre esses dois pontos varia de 10 a 20 ms, o que corresponde a 1-2 cruzamentos de zero. O ponto inferior é determinado com base no ponto superior. Ele pode ser uma distância abaixo do ponto superior ou um tempo antes do ponto superior. O benefício mais importante derivado das curvas de velocidade e aceleração instantâneas é a percepção que elas fornecem sobre as forças envolvidas durante a operação de um disjuntor. A aceleração média também pode ser calculada a partir do traço da velocidade.

Amortecimento

O amortecimento é um parâmetro importante a ser monitorado e testado, pois a energia armazenada que o mecanismo operacional usa para abrir e fechar um disjuntor é considerável. As fortes tensões mecânicas produzidas durante as operações de abertura e fechamento podem facilmente danificar o disjuntor e/ou reduzir sua vida útil. O amortecimento das operações de abertura geralmente é medido como uma segunda velocidade, mas também pode ser medido como o tempo decorrido entre dois pontos logo acima da posição de abertura do disjuntor.

Medição da resistência de contato

A resistência de contato é medida injetando-se uma corrente CC conhecida através do sistema de contato principal quando o disjuntor está fechado. Ao medir a queda de tensão, a resistência pode ser calculada. O valor da resistência do contato principal reflete a condição das peças condutoras. Esse teste é geralmente chamado de medição da resistência estática (SRM).

O valor da resistência estática fornece um valor de referência para todos os tipos de contatos elétricos e junções. A IEC56 afirma que essa resistência deve ser medida usando uma corrente entre 50 A e a corrente nominal do disjuntor. A ANSI C 37.09 especifica uma corrente de teste mínima de 100 A. Outras normas internacionais e nacionais estabelecem diretrizes semelhantes para eliminar o risco de obter medições erroneamente altas se a corrente de teste for muito baixa. Em alguns casos, o calor gerado por uma alta corrente de teste dispersa qualquer resquício de graxa de contato ou outras impurezas encontradas nas superfícies de contato (resultantes de várias operações de interrupção de alta corrente). Quando os contatos do disjuntor estão em más condições, os valores obtidos podem diferir drasticamente daqueles medidos na fábrica quando o disjuntor era novo. A ANSI menciona um aumento de cerca de 200% na resistência em relação ao valor máximo especificado na fábrica.

Medição da resistência dinâmica (DRM)

Esse teste é realizado injetando corrente CC nos contatos principais do disjuntor e medindo a queda de tensão e a corrente enquanto o disjuntor é operado. Esses valores são então usados para traçar a resistência em função do tempo. Se o movimento do contato for registrado simultaneamente, é possível determinar a resistência em cada posição do contato. Esse método é usado principalmente para o diagnóstico de contato, mas também pode ser usado para o sincronismo de contato principal.

Com o DRM, o comprimento do contato em arco pode ser estimado de forma confiável, conforme mostrado na Figura 5. A única maneira alternativa de encontrar o comprimento do contato de formação de arco é desmontar o disjuntor. Nos disjuntores de SF6, o contato de arco é geralmente feito de tungstênio. Esse contato é queimado e fica mais curto a cada interrupção da corrente de carga. As medições de resistência dinâmica revelam claramente esse encurtamento do contato de arco. Para obter dados DRM confiáveis, é necessária uma alta corrente de teste, bem como um equipamento de teste com boa resolução de medição de tensão.

Continua …

A segunda e última parte deste artigo, que aparecerá em uma edição futura da Electrical Tester, tratará de outros testes de disjuntores amplamente utilizados, incluindo testes de bobina e tensão; testes de frasco a vácuo, vazamento de SF6 e pressão de ar; e novos métodos de teste, como técnicas de frequência ressonante, cuja popularidade está crescendo rapidamente.