Teste de injeção primária: desafios e soluções

Este artigo é um trecho editado de um trabalho apresentado por Robert Probst, da Megger, na Conferência PowerTest de 2017, organizada pela NETA.

A equipe de campo enfrenta uma série de desafios difíceis ao realizar testes de injeção primária. Entre eles, estão: 

requisitos de potência de entrada, impedância do circuito de teste, requisitos de alta corrente, objetos de teste de alta impedância, definição das correntes alvo, atenuação de corrente, desvio CC, comparação dos tempos de desarme medidos com as curvas tempo-corrente, armazenamento e tendência de dados, geração de relatórios, e o tamanho e peso do equipamento de teste. Este artigo analisa cada um desses desafios e discute como eles estão sendo abordados nos equipamentos de teste modernos.

Requisitos de potência de entrada

Infelizmente, os instrumentos de injeção de corrente primária não são mágicos! Mesmo os modernos designs de conversores de potência de estado sólido ainda precisam de um transformador rebaixador de um tamanho específico para gerar altas correntes em tensões extremamente baixas no lado secundário. Portanto, a potência de saída é igual à potência de entrada menos as perdas. 

Ter a tensão e a corrente de entrada adequadas da rede elétrica é muito importante para alcançar o máximo desempenho do equipamento de teste e testar disjuntores de alta capacidade nominal. Realizar os testes com ajustes de disparo mais baixos pode ser necessário caso o disjuntor de baixa tensão ultrapasse as capacidades do equipamento de teste, mas isso não verifica necessariamente o seu funcionamento adequado. Os instrumentos modernos aceitam fontes de alimentação de entrada com uma ampla faixa de tensão, oferecendo a opção de operar com diferentes tensões de fornecimento—tipicamente de 100 a 240 V—para obter mais potência e flexibilidade.

Impedância do circuito de teste 

Em termos de teoria fundamental do circuito, os conjuntos de teste de injeção primária se comportam como uma fonte de corrente. Nenhuma fonte de corrente real é ideal, portanto, enquanto o modelo teórico de uma fonte de corrente ideal forneceria potência infinita (corrente constante com tensão de circuito aberto infinita), as fontes de corrente reais têm limitações definidas. Qualquer impedância no circuito de teste causa uma queda de tensão nos terminais de saída da fonte de corrente. Portanto, a impedância e, consequentemente, a queda de tensão sobrecarregam o instrumento. Se a carga ficar muito alta, a corrente necessária não poderá mais ser fornecida. Portanto, é muito importante que a equipe de campo otimize a configuração, pois uma configuração inadequada pode resultar em uma diminuição drástica dos recursos de saída de um conjunto de teste de injeção primária. 

O ideal é que a única impedância que sobrecarrega a saída do instrumento seja a resistência de contato do próprio polo do disjuntor. No entanto, isso não é possível no mundo real. Impedâncias adicionais são inevitavelmente introduzidas e causam quedas de tensão adicionais. Essas impedâncias resultam principalmente da resistência e da indutância dos cabos de teste e das resistências de transição no ponto de conexão dos cabos com o instrumento e com o disjuntor em teste. 

Como esses problemas podem ser resolvidos? Para minimizar as resistências de transição, os parafusos precisam ser bem apertados ou receber torque suficiente, e os terminais precisam ser devidamente crimpados. Para minimizar a resistência do cabo, os usuários podem aumentar a área da seção transversal dos cabos usando cabos mais pesados ou conectando vários cabos em paralelo. Os cabos também devem ser mantidos o mais curtos possível. A indutância de loop do circuito de teste está relacionada à sua geometria e é proporcional à área circundada pelos cabos de teste e pelo disjuntor em teste. É fundamental manter essa área tão pequena quanto possível. Torcer os cabos um ao redor do outro é uma maneira comprovada de reduzir drasticamente a indutância do circuito.    

Requisitos de alta corrente e objetos de teste de alta impedância 

As classificações de corrente contínua dos disjuntores de baixa tensão variam de menos de 10 A para disjuntores em miniatura (MCBs) até 8.000 A em grandes disjuntores de falha de arco (AFCBs). No entanto, em um painel comum, a maioria dos disjuntores será de disjuntores de caixa moldada (MCCBs) classificados em 200 A ou menos – especialmente em usinas nucleares – com disjuntores de derivação e alimentação com classificações mais altas. Não há nenhum conjunto de testes disponível que seja capaz de abranger toda a gama de disjuntores. 

Os instrumentos modernos de injeção primária resolvem esse problema com uma abordagem modular. Vários conjuntos de teste podem ser sincronizados em um cluster e atuar juntos no modo mestre-escravo. O cluster pode ser configurado em paralelo para maior corrente ou em série para maior tensão de conformidade. Fontes modulares aumentam a eficiência dos testes para o usuário, pois vários técnicos podem trabalhar de forma independente em diferentes painéis, sendo capazes de testar a maioria dos disjuntores no painel com uma unidade portátil menor. É necessário apenas agrupar essas unidades em um cluster ao testar os disjuntores de maior corrente nominal dos ramais e alimentadores.
A opção de configurar um cluster em série também permite o teste de objetos de teste de alta impedância em que é necessária uma alta tensão de conformidade para conduzir a corrente de teste necessária. A Figura 1 mostra um cluster com dois instrumentos modernos de injeção primária configurados em paralelo para produzir corrente suficiente para um disjuntor grande.

Figura 1 – Cluster de dois instrumentos de injeção primária em paralelo

Definição de correntes de teste alvo

A definição de uma corrente de teste específica em um conjunto de teste primário clássico é um processo altamente manual e também depende, em certa medida, do nível de experiência do usuário. Normalmente, inclui, no mínimo, a programação do instrumento para o modo pulsado e, em seguida, o ajuste manual do autotransformador variável em etapas até que a corrente alvo seja atingida. Sempre que o objeto de teste muda, a impedância do circuito de teste também muda, e o usuário deve repetir o procedimento. 

Instrumentos modernos de injeção primária evitam qualquer forma de pulsação inconsistente utilizando esquemas de controle baseados em software, juntamente com a saída regulada do conversor de potência de estado sólido. Antes que o teste seja iniciado, o software injeta uma pequena fração da corrente de teste solicitada e mede a impedância do circuito de teste. Com base nessas medições, algoritmos incorporados calculam as configurações exatas para os circuitos de driver no conversor de potência. Isso fará com que a saída real da corrente de teste atinja 100% da corrente solicitada imediatamente após a ativação.

Atenuação da corrente 

Durante o teste, todos os componentes no circuito de teste, especialmente os cabos de teste e o polo do disjuntor sob teste, aquecerão como resultado das altas correntes aplicadas. Isso significa que, sem compensação, a corrente de teste sofre atenuação conforme mostrado na Figura 2.

Figura 2 – Atenuação da corrente

Um conjunto clássico de teste de injeção primária deve ser ajustado manualmente pelo usuário para compensar isso – caso contrário, os resultados do teste obtidos podem não ser válidos. Conforme mostra a Figura 3, os instrumentos modernos de injeção primária incluem um circuito de realimentação contínua que regula automaticamente a corrente e a mantém estável no valor solicitado. Não é necessária nenhuma correção manual.

Figura 3 – Ajuste automático de corrente

Desvio CC

O desempenho instantâneo de um disjuntor é sensível à presença de assimetria, que pode fazer com que o disjuntor dispare em amplitudes de corrente incorretas e, portanto, após tempos incorretos, resultando em resultados de teste incorretos. Embora a minimização do desvio CC seja extremamente complexa e demorada em um conjunto de teste de injeção primária clássico, os instrumentos modernos de injeção primária não exigem que o usuário faça isso.

O software resolve o problema automaticamente da mesma forma que lida com a atenuação da corrente e o ajuste da corrente de teste alvo (veja acima). Antes de o teste ser iniciado, uma pequena fração da corrente solicitada é injetada para medir a impedância do circuito de teste. A ativação do conversor de energia de estado sólido é então programada com relação ao ângulo de fase correto, de modo que qualquer desvio de CC seja eliminado.

Comparação de tempos de desarme com curvas tempo-corrente (TCCs)

Os fabricantes costumam compactar todas as informações sobre as características tempo-corrente de um disjuntor em um único gráfico, que normalmente é fornecido no manual de serviço, complementado por várias notas. 

A Figura 4 mostra um exemplo.

Figura 4 – TCC para o Amptector II da Eaton (anteriormente Cutler-Hammer)

 
Se um usuário com um conjunto de teste clássico quiser testar um Amptector II, essa curva específica deverá estar prontamente disponível em papel ou em formato eletrônico como uma versão em PDF. Depois, os tempos de desarme medidos precisam ser comparados manualmente com a curva para determinar se o disjuntor foi aprovado ou reprovado no teste.

Os instrumentos modernos de injeção primária têm bibliotecas de software expansíveis incorporadas com milhares de TCCs digitalizados. Conforme ilustrado na Figura 5, as curvas digitais permitem um gráfico em tempo real dos resultados do teste e, portanto, eliminam a necessidade de comparar manualmente os tempos de desarme com uma cópia em papel ou versão em PDF. A determinação se os tempos de percurso medidos estão dentro dos limites de aprovação/reprovação é feita automaticamente.

Figura 5 - Biblioteca de curvas e TCC digital com resultados de testes em tempo real e indicação de aprovação/reprovação

Os TCCs digitais também oferecem a possibilidade de definir os pontos de ajuste do TCC de acordo com as configurações reais no relé do disjuntor. O software ajustará a curva precisamente à configuração que o usuário está testando. Consulte as Figuras 6 e 7.

Figura 6 - TCC digital ajustado por software de acordo com as configurações reais de tempo curto no relé AFCB; faixa = 0,2 s, disparo de tempo curto na classificação do sensor 2,0x, i²t dentro

Figura 7 – TCC digital ajustado por software de acordo com as configurações reais de tempo curto no relé de disparo do AFCB; faixa = 0,3 s, disparo de tempo curto na classificação do sensor de 2,5x, i²t fora

Geração de relatórios, armazenamento de dados e tendências

Depois de concluir o teste e comparar com sucesso os resultados do teste com a curva, a compilação de um relatório de teste é a etapa que consome mais tempo. Os instrumentos modernos de injeção primária têm um recurso de geração automática de relatórios que permite ao usuário salvar e imprimir um relatório de teste completo no campo, imediatamente após a realização do teste. Esse relatório inclui o TCC do disjuntor, todos os resultados do teste em forma de tabela e também indicados graficamente em relação à curva, informações do cabeçalho e, se registrados, dados de teste adicionais, como resistência de contato ou resistência de isolamento. A Figura 8 mostra um exemplo.

Figura 8 – Relatório de teste gerado automaticamente imediatamente após a conclusão do teste.

Os dados de teste são armazenados em um formato nativo e podem ser exportados para um banco de dados para futuras tendências do mesmo modelo de disjuntor ou de modelos semelhantes. 

Conclusão

A maioria dos desafios abordados neste artigo é tratada com eficácia pela última geração de conjuntos de teste de injeção primária. A tecnologia de conversor de energia de estado sólido possibilita a produção de equipamentos menores e mais leves, mas com maior capacidade de saída. A interface gráfica do usuário baseada em software, a saída regulada e a biblioteca de curvas de disjuntor expansível integrada introduzem novas ferramentas que tornam os testes primários mais fáceis, mais rápidos, mais consistentes e mais repetíveis, sem qualquer variação entre diferentes funcionários. O software também oferece recursos para geração automatizada de relatórios e integração dos dados de teste em sistemas de banco de dados de manutenção e gerenciamento de ativos.

Sobre a NETA

 

A NETA é uma organização de desenvolvimento de normas credenciada pela ANSI que cria e mantém normas para testes elétricos em equipamentos e sistemas de energia elétrica. A NETA é uma associação de empresas líderes em testes elétricos composta por visionários comprometidos em avançar os padrões da indústria para instalação e manutenção de sistemas de energia, garantindo o mais alto nível de confiabilidade e segurança.