Disjuntor e transdutores – parte 2

A Parte 1 deste artigo, que apareceu na edição de setembro de 2017 do Electrical Tester on-line e está disponível clicando aqui, analisou os fundamentos das medições de tempo e percurso para disjuntores. Esta segunda e última parte apresenta um estudo de caso prático e também discute como proceder quando o fabricante do disjuntor fornece pouca ou nenhuma informação para auxiliar na medição de tempo e percurso.

Robert Foster – Engenheiro de aplicação 

Estudo de caso: Disjuntor SPS2-38-40-2 da Siemens

Para investigar como o posicionamento do transdutor afeta as medições de deslocamento, vários transdutores, rotativos e lineares, foram conectados a um disjuntor de tanque morto SF6 SPS2-38-40-2 da Siemens equipado com um mecanismo FA2.20. Esse disjuntor é classificado em 38 kV e é capaz de interromper 40 kA. Ele tem uma interrupção por fase e é operado em grupo (veja as Figuras 1 e 2).

Fig.1: Placa de identificação do SPS2-38-40-2 da Siemens

Fig. 2: Disjuntor do SPS2-38-40-2 da Siemens com mecanismo FA2.20

A Siemens recomenda a medição do movimento com um transdutor linear conectado a um braço de acionamento no mecanismo (veja a Figura 3).

Fig.3: Conexão do transdutor Linear A

A empresa afirma que 80 mm de curso no mecanismo é igual a 120 mm de curso nos contatos – ou seja, um fator de multiplicação de 1,5 deve ser usado para determinar o movimento real do contato. Também é declarado que, para a operação de fechamento, devem ser usados os pontos de cálculo de velocidade do toque do contato e 10 ms antes, e para a operação de abertura, a separação do contato e 10 ms depois. Além da conexão padrão do transdutor, foram feitas mais quatro conexões de transdutor: um transdutor linear foi conectado ao braço de ligação final na terceira fase e três transdutores rotativos foram conectados às ranhuras rotativas que acionam o interruptor (veja a Figura 4). Os mesmos pontos de cálculo de velocidade foram usados para todas as conexões.

Fig. 4: Conexões do transdutor, da esquerda para a direita: Ligação Linear, Rotativo C, Rotativo B e Rotativo A

Para comparar as diferentes medições do transdutor, inicialmente não foram usados fatores de conversão nas duas conexões do transdutor linear, e um fator de 1º igual a 1 mm foi usado para o transdutor rotativo. A Figura 5 mostra os traços de movimento das três conexões diferentes para uma operação próxima; todas as três são escalonadas em 10 mm por divisão.

O traço A no gráfico, em vermelho, é o transdutor linear conectado diretamente ao mecanismo, conforme recomendado pela Siemens; será chamado de Linear A. O traço B, em preto, é o transdutor rotativo conectado à ranhura rotativa na fase B; será chamado de Rotativo B. O traço C, em azul, é o transdutor linear conectado à extremidade da ligação de interconexão próxima à ranhura rotativa na fase C e será chamado de Linear C.

Em todos os gráficos, a parte inferior da curva é a posição totalmente aberta, e a parte superior da curva é a posição totalmente fechada. O tempo para cada fase também é mostrado – uma linha fina é aberta, e uma linha grossa é fechada. Os resultados do sincronismo mostram que todas as três fases estão relativamente sincronizadas, com uma diferença de 0,3 ms entre a mais lenta e a mais rápida, e um tempo de fechamento de cerca de 48 ms. Como esperado, as medições de deslocamento variam muito devido aos diferentes pontos de conexão. O curso do Linear A é de 78,9 mm, o do Rotativo B é de 59,0 mm (59°), e o do Linear C é de 106,5 mm. A partir dessas medições de curso, os parâmetros dependentes do curso, como velocidade, sobrecurso, penetração, rebote etc., também variam de acordo com a colocação do transdutor.

Fig. 5: Operação fechada sem conversão, Linear A em vermelho (traço central), Rotativo B em preto e Linear C em azul (traço superior)

Um exame da operação aberta (consulte a Figura 6) mostra uma variação semelhante nos valores de curso para as diferentes conexões.

Fig. 6: Operação aberta sem conversão, Linear A em vermelho (traço central), Rotativo B em preto e Linear C em azul (traço superior)

Conforme mencionado anteriormente, o manual do disjuntor afirma que 80 mm de movimento no mecanismo é equivalente a 120 mm de movimento do contato, portanto, com um curso do transdutor de 78,9 mm, o curso do contato é de 118,35 mm. Como os outros transdutores estavam medindo o movimento na mesma operação, as proporções do outro transdutor linear e do transdutor rotativo podem ser calculadas. Como 59,0° = 118,35 mm para o Rotativo B e 106,5 mm = 118,35 mm para o Linear C, os fatores de conversão são 2,003 mm/° e 1,1099 mm/mm, respectivamente. Com essas informações em mãos, o disjuntor foi testado novamente, e o fator de conversão apropriado foi aplicado a cada transdutor. Os resultados são mostrados nas Figuras 7, 8, 9 e 10.

Fig. 7: Operação fechada com fatores de conversão aplicados, Linear A em vermelho, Rotativo B em preto e Linear C em azul

Fig. 8: Operação fechada com fatores de conversão aplicados, de baixo para cima: Linear A em vermelho, Rotativo B em preto e Linear C em azul

Fig. 9: : Operação aberta com fatores de conversão aplicados, Linear A em vermelho, Rotativo B em preto e Linear C em azul

Fig. 10: Aberta com fatores de conversão aplicados, de baixo para cima: Linear C em vermelho, Rotativo B em preto e Linear C em azul

Esses gráficos mostram que, mesmo com três pontos diferentes de fixação do transdutor e dois tipos diferentes de transdutor, são obtidos resultados muito semelhantes, desde que o fator de conversão correto seja aplicado. A diferença máxima entre os valores de curso é de 0,2 mm na operação de fechamento e de 0,5 mm na abertura. A penetração, o sobrecurso e o rebote também são muito próximos para as três medições diferentes.

Uma observação interessante é que o traço do curso do Linear A, o transdutor linear conectado diretamente ao mecanismo, mostra oscilação durante todo o movimento, e o Linear C, o transdutor linear conectado à extremidade da articulação, mostra um leve movimento oscilatório no início e no final do percurso. Provavelmente, a flexão na haste de deslocamento e a conexão da haste ao transdutor são responsáveis por parte desse movimento. Além disso, como o Linear A está conectado diretamente ao mecanismo, as vibrações do mecanismo afetam o movimento durante todo o percurso. Como a operação de fechamento requer mais energia – fechar o disjuntor e carregar a mola de abertura –, esse efeito é mais aparente na operação de fechamento.

Outra observação interessante é que a velocidade é diferente para cada conexão. Isso se deve, em parte, ao fato de os pontos de cálculo serem baseados no toque e na separação do contato, de modo que a variação no tempo afetará o ponto da curva em que a velocidade é calculada.
No Linear A, as vibrações também podem afetar os cálculos de velocidade. Se um dos pontos de cálculo de velocidade estiver na crista de uma oscilação e o outro ponto de cálculo estiver no vale de uma oscilação, o valor de velocidade obtido pode ser muito diferente do valor obtido quando os pontos caem em uma parte neutra da oscilação. Esse efeito foi confirmado pelo exame de várias operações consecutivas e pela observação de que os valores de velocidade obtidos da Linear A variaram 0,16 m/s ou 3%, enquanto os valores das outras duas conexões variaram em uma magnitude menor. A folga nas conexões também afeta os cálculos de velocidade.

Um último aspecto a ser considerado é que foi assumido um fator de conversão linear, ou seja, foi usada uma constante de conversão. Comparando o Rotativo B com o Linear C, eles se alinham melhor no início e no final do percurso. No meio do movimento, elas divergem um pouco e, como essa é a parte da curva em que a velocidade é calculada, as velocidades também divergem um pouco. Se as geometrias fossem analisadas e uma tabela de conversão fosse criada para ambas as conexões, elas provavelmente se sobreporiam durante a maior parte do percurso e as velocidades se alinhariam melhor.
 

Fig. 11: Operação fechada com fatores de conversão aplicados, de baixo para cima: Rotativo A em vermelho, Rotativo B em preto e Rotativo C em azul

Fig. 12: Operação fechada com fatores de conversão aplicados Rotativo A em vermelho, Rotativo B em preto e Rotativo C em azul

Os traços de movimento dos três transdutores rotativos diferentes podem ser examinados para ver como a mesma conexão pode ser colocada a diferentes distâncias do mecanismo – ou seja, em diferentes pontos ao longo das ligações de interconexão – e produzir resultados semelhantes. As Figuras 11 e 12 mostram os resultados de uma operação próxima. O traço A no gráfico em vermelho é o transdutor rotativo conectado diretamente à ranhura rotativa que aciona o interruptor na fase A; isso será chamado de fase A. Da mesma forma, o traço B em preto é o transdutor rotativo conectado à fase B e será chamado de fase B. Por fim, o traço C em azul é o transdutor rotativo conectado à fase C e será chamado de fase C. 

Mais uma vez, todos os três traços são muito semelhantes, com uma variação no curso de apenas 1,2 mm entre a fase mais curta e a mais longa. Observe que a fase A começa a se mover aproximadamente 0,5 ms antes das fases B e C, o que pode ser esperado, pois é a conexão mais próxima do mecanismo. As fases A e C produzem traços muito suaves durante todo o movimento, mas a fase B apresenta algumas oscilações nos primeiros 20 ms de deslocamento. Essas oscilações provavelmente se devem a um atraso mecânico. A fase B é empurrada pela articulação da fase A e, em seguida, precisa empurrar a articulação para a fase C. Qualquer folga mecânica nas conexões entre B e as outras duas fases resultará em pequenas perturbações.

As velocidades de A e C são bastante próximas, mas a fase B é 0,2 m/s mais lenta. Isso provavelmente é causado por dois fatores: em primeiro lugar, as oscilações no traço podem fazer com que diferentes pontos de velocidade sejam tomados, como já mencionado; em segundo lugar, o tempo das três fases é ligeiramente diferente e o ponto de cálculo da velocidade é baseado no toque de contato. 

Uma observação cuidadosa dos pontos de cálculo de velocidade revela que eles não estão alinhados no tempo. 

A observação da operação aberta na Figura 13 e na Figura 14 mostra ainda mais consistência entre as diferentes fases.

Fig. 13: Operação aberta com fatores de conversão aplicados, de baixo para cima: Rotativo A em vermelho, Rotativo B em preto e Rotativo C em azul

Fig. 14: Operação aberto com fatores de conversão aplicados Rotativo A em vermelho, Rotativo B em preto e Rotativo C em azul

Todos os três traços ficam praticamente em cima uns dos outros sem nenhum desvio até que os contatos atinjam a posição fechada. O curso das diferentes fases é mais próximo, com apenas 0,5 mm de diferença entre a fase mais curta e a mais longa. 

Mais uma vez, as velocidades das três fases são diferentes, mas a observação dos tempos de contato e dos pontos de cálculo da velocidade mostra que a velocidade é calculada em pontos ligeiramente diferentes em cada curva, o que altera ligeiramente os valores. Se os pontos de cálculo de velocidade forem alterados para referência abaixo de fechado e um diferencial, então B e C se deslocam na mesma velocidade, enquanto a fase A se desloca um pouco mais devagar, pois precisa empurrar as outras duas fases.

O que fazer se houver pouca ou nenhuma informação disponível do fabricante

Ocasionalmente, o fabricante pode não fornecer as informações adequadas para as medições de deslocamento e, então, cabe ao técnico decidir que tipo de transdutor usar, onde conectá-lo, que fator/tabela de conversão usar (se houver) e que pontos de cálculo de velocidade usar para determinar a velocidade dos contatos.

Deve-se considerar cuidadosamente antes de conectar um transdutor e, uma vez determinado um método, os mesmos parâmetros de conexão e medição devem ser usados no futuro para permitir a tendência dos resultados. Embora os registros de percurso obtidos sem acesso às informações do fabricante forneçam dados valiosos e possam ser usados para referência futura, os valores obtidos podem não ser necessariamente comparáveis aos relatórios de teste de fábrica ou aos limites dos parâmetros.

Mais uma vez, para evitar danos ao transdutor e seus acessórios, nenhuma parte do transdutor, do suporte de montagem ou da haste de deslocamento (se usada) deve estar no caminho direto de qualquer peça móvel do disjuntor.

A primeira coisa a se observar ao decidir onde conectar o transdutor é se é possível a conexão direta aos contatos ou ao braço de acionamento do contato. Se for, um transdutor linear pode ser conectado e o curso, as velocidades e outros parâmetros corretos serão medidos sem a necessidade de uma tabela de conversão. Se a conexão direta com os contatos não for possível, o que geralmente acontece, deve ser selecionado um local muito próximo aos contatos, com o número mínimo de ligações entre eles e o ponto de conexão.

Pode ser usado um transdutor linear ou rotativo. A norma IEC 62271-100 afirma que as características mecânicas podem ser registradas com um transdutor de deslocamento em "locais convenientes no acionamento do sistema de contato, onde há uma conexão direta e uma imagem representativa do curso do contato pode ser obtida".

A conexão direta com o mecanismo pode causar vibrações indesejadas e influenciar os resultados, portanto, isso deve ser evitado, se possível. Se for usada uma conexão indireta, há duas opções: criar uma tabela/fator de conversão ou medir o valor absoluto do movimento, em comprimento ou ângulo, e fazer uma tendência dos resultados com o transdutor conectado no mesmo local durante testes futuros.

Se for necessário usar um fator ou tabela de conversão, os pontos de conexão e as ligações podem ser examinados e medidos para desenvolver uma função trigonométrica que relacione o movimento do transdutor ao movimento do contato. A função também pode ser determinada com base nos desenhos mecânicos do disjuntor.

Se o curso dos contatos for conhecido, outro método, menos preciso, de criar um fator de conversão é presumir uma relação linear entre o ponto de conexão e os contatos. O curso conhecido dos contatos pode ser dividido pelo curso medido do transdutor para criar o fator de conversão. Esse valor pode então ser usado para medir as características de deslocamento para medições iniciais de impressões digitais e para testes futuros.

Deve-se observar que, se a relação entre o ponto de conexão e os contatos não for linear, outros parâmetros dependentes do curso, como velocidade, sobrecurso, rebote etc., podem não estar corretos. Além disso, se a medição inicial for feita quando houver problemas com o disjuntor – ou seja, quando o curso não estiver correto –, as medições subsequentes também estarão incorretas. Se houver outros disjuntores do mesmo tipo disponíveis, é bom comparar as medições para verificar o fator de correção.

Se nenhum ponto de cálculo de velocidade for fornecido pelo fabricante, recomenda-se usar o toque de contato e 10 ms antes para a operação de fechamento, e a separação de contato e 10 ms depois para a operação de abertura. Isso garantirá que a velocidade seja medida na zona crítica de arco do interruptor. Mais uma vez, vale a pena enfatizar que, uma vez decidido o método de conexão do transdutor, o fator de conversão e os pontos de cálculo da velocidade, eles devem ser empregados durante toda a vida útil do disjuntor para permitir a tendência dos resultados.
 

Conclusão
Os disjuntores são elementos fundamentais nas redes de transmissão e distribuição elétrica em todo o mundo. A norma IEEE C37.09 estabelece que "as curvas de tempo de percurso devem ser obtidas para todos os disjuntores externos com um tempo de interrupção de três ciclos ou menos". Para verificar se o disjuntor operará de forma eficaz quando solicitado a proteger os ativos da rede, é necessário realizar uma análise de tempo e percurso.

Ao determinar que tipo de transdutor deve ser usado, onde ele deve ser conectado, que fator de conversão deve ser aplicado e que pontos de cálculo de velocidade devem ser usados, a primeira etapa é consultar o manual do fabricante. Se ele não contiver instruções ou se as instruções não forem claras, a próxima etapa é entrar em contato com o fabricante.

Se essa opção também não estiver disponível, o técnico que estiver realizando o teste deverá decidir como proceder. Se possível, deve ser adotada uma conexão direta entre o transdutor e os contatos, mas, se isso for impraticável, deve ser usado um ponto de conexão próximo aos contatos com uma quantidade mínima de ligação, que possa representar com precisão o deslocamento deles. Se a geometria do disjuntor for conhecida, um fator ou tabela de conversão poderá ser criado para calcular com precisão o curso e os parâmetros que dependem do curso.

Mesmo que os pontos de medição originais usados pelo fabricante não sejam conhecidos, dados valiosos ainda podem ser obtidos com um transdutor, desde que ele seja colocado em um local adequado. De fato, mesmo que o movimento seja medido em diferentes pontos do disjuntor, desde que o fator de conversão correto seja aplicado, os resultados serão muito semelhantes. 

Se não for possível criar um fator de conversão preciso ou uma tabela, o valor absoluto do curso do transdutor e seus parâmetros podem ser medidos durante o comissionamento ou quando se sabe que o disjuntor está em boas condições. Os valores obtidos podem, então, ser monitorados ao longo do tempo para rastrear quaisquer alterações no movimento ou na operação do disjuntor.

Por fim, uma vez escolhido um tipo de conexão e um fator de conversão, todas as medições futuras devem ser feitas usando a mesma configuração para que os resultados possam ser corretamente tendenciados.