Teste de disjuntores CC de alta velocidade

Autor: Wim D'Hooghe

Embora muitos de nossos leitores estejam familiarizados com os disjuntores usados em sistemas de energia CA, é possível que eles saibam menos sobre os disjuntores CC de alta velocidade (HSCBs CC) que são frequentemente encontrados em sistemas de transporte. Para solucionar esse problema, Wim D'Hooge, especialista da linha de produtos BALTO da Megger, apresenta uma introdução útil aos HSCBs CC, suas aplicações e como eles são testados.

Introdução

O que é um disjuntor CC de alta velocidade? É um dispositivo de proteção com uma característica muito simples: ele deve sempre desarmar no máximo nível de corrente ajustado (Ids) dentro de um tempo especificado, geralmente 10 ms, independentemente da magnitude da sobrecorrente. Ao testar esses dispositivos, os parâmetros que precisam ser medidos incluem Ids, o tempo de abertura do disjuntor e a resistência de contato dos contatos principais. Esses disjuntores são claramente muito diferentes dos tipos encontrados na indústria de energia. Mas onde eles são utilizados?

Sua principal aplicação é no setor de transportes. Em muitos países, os sistemas ferroviários nacionais que empregam tração elétrica são divididos aproximadamente 50/50 entre corrente de tração CA e CC. Normalmente, as ligações de alta velocidade de longa distância usam CA, enquanto os serviços ferroviários locais, bem como os bondes, metrôs e outros serviços de trens leves usam CC. E onde quer que a tração CC seja usada, os HSCBs CC são necessários. No entanto, essa não é sua única aplicação; cerca de 10% dos HSCBs CC são usados em outros setores, como o marítimo e o de mineração. Essa porcentagem pode muito bem aumentar no futuro com o crescimento da popularidade das fontes de energia renováveis, muitas das quais são CC.

No setor de transportes, em especial, os HSCBs CC existem há muito tempo e não é nada incomum encontrá-los em equipamentos que estão em serviço há anos ou até mesmo décadas. Os HSCBs CC são encontrados nas subestações de energia de tração e também no material rodante. Curiosamente, é bastante comum que as pessoas que trabalham nas subestações tenham muito pouco a ver com as que trabalham no material rodante; elas tendem a operar como dois grupos separados.

Há vários fabricantes de HSCBs CC que produzem uma gama diversificada de produtos, mas todos eles podem ser testados com sistemas BALTO. O primeiro deles remonta a 2008, quando, surpreendentemente, era praticamente impossível para os usuários testarem seus HSCBs CC! Alguns construíram sistemas de teste complicados do tamanho de uma sala grande, enquanto outros não testavam seus disjuntores, exceto por uma inspeção visual durante a limpeza. Essa situação era claramente insatisfatória e levou ao desenvolvimento do sistema BALTO.

Teste de HSBCs CC

As principais ocasiões em que os HSCBs de corrente contínua precisam ser testados são:

• Durante o comissionamento
• Durante a preparação para a atualização de uma linha (quando mais trens passam a circular em uma linha, mais corrente deve estar disponível e os disjuntores da subestação devem ser ajustados para uma corrente de desarme mais alta, o que exige recalibração e novos testes)
• Como parte da manutenção de rotina (normalmente a cada 2 a 3 anos em uma subestação, com mais frequência no material rodante)
• Após um disjuntor ter sido consertado ou reformado

Os disjuntores em material rodante podem ser testados convenientemente com um conjunto de teste BALTO Compact, mas para os disjuntores maiores usados em subestações de tração, é usado o sistema BALTO Modular, que pode acomodar até cinco unidades de potência. As unidades de potência são classificadas em 4000 A, o que significa que um sistema totalmente carregado, montado em um carrinho para mobilidade, pode fornecer até 20.000 A. Em uma configuração mestre-escravo, isso pode chegar a 40.000 A.

Essa alta classificação de corrente pode sugerir que o conjunto de teste é um equipamento potencialmente perigoso, mas esse definitivamente não é o caso. A fonte de alimentação são baterias e ultracapacitores que fornecem uma alimentação de 15 V a um conversor CC/CC. A saída do conversor - a corrente de teste - está em apenas 4 V, portanto, é tão segura quanto uma pilha AA! É claro que, quando um teste estiver sendo realizado e envolver a injeção de, digamos, 10.000 A em um disjuntor, os cabos ainda oscilarão um pouco devido ao campo eletromagnético produzido pela corrente de teste.

Existem normas IEC separadas para testar subestações de energia de tração (IEC 61992-2) e testar material rodante (IEC 60077-2/3), mas ambas especificam que a corrente de desarme, Ids, deve ser medida enquanto a corrente através do disjuntor estiver aumentando a uma taxa de 200 A/s. Na prática, antes de fazer essa medição, é feito um teste rápido para determinar (aproximadamente) o ajuste de desarme do disjuntor.

Ao realizar o teste rápido usando, por exemplo, um conjunto de teste equipado com dois módulos de potência de 4000 A, o conjunto de teste injeta uma corrente que aumenta de zero a 8000 A em 600 ms. Isso é rápido demais para fazer uma medição precisa de Ids, mas fornece uma indicação rápida da configuração do disjuntor. Com o teste rápido, um disjuntor ajustado para disparar, digamos, em 6.000 A provavelmente mostrará uma corrente de disparo de cerca de 6.500 A - muito alta, mas ainda assim uma informação útil.

A próxima etapa é realizar o teste de acordo com as normas IEC, e isso é ilustrado na Figura 1. Como o valor aproximado de Ids é conhecido a partir do teste rápido, a corrente de teste pode ser organizada para aumentar muito rapidamente até se aproximar desse valor. Isso faz o melhor uso possível da carga das baterias e dos ultracapacitores do conjunto de teste. Quando o valor Ids previsto se aproxima, a taxa de variação da corrente de teste é reduzida para 200 A/s, conforme estipulado na norma. O ponto de disparo, mostrado pela linha vertical sólida na Figura 1, deve estar de acordo com as normas IEC.

Figura 1: Medição de Ids

Vale destacar que a energia armazenada em um conjunto de teste BALTO é suficiente para fornecer a corrente de teste por até 5 segundos, período no qual ela aumentará em 1000 A (5 segundos x 200 A/s). Esse amplo intervalo de variação de corrente permite medir com precisão a corrente de disparo, mesmo que o resultado do teste preliminar tenha sido um pouco impreciso. Em contraste, os conjuntos de teste de alguns outros fabricantes conseguem fornecer a corrente de teste por apenas 0,5 s, resultando em uma variação de corrente de apenas 100 A. Isso torna fácil perder o ponto de disparo, o que pode causar muitos transtornos e desperdício de tempo.

Figura 2: Medição do tempo de abertura do disjuntor

Após a medição de Ids, é realizado um teste para determinar o tempo de abertura do disjuntor, conforme mostrado na Figura 2. Para esse teste, a corrente é aumentada lentamente até ficar 10% menor do que o valor medido de Ids e, em seguida, é aumentada em uma mudança gradual para 10% acima do valor medido de Ids. O disjuntor dispara e o tempo entre a mudança de etapa na corrente e a interrupção do fluxo de corrente é medido. Esse é o tempo de disparo. No caso mostrado, ele é de 11 ms, o que é um bom valor para um HSCB CC.

O teste final é medir a resistência de contato, que determina a queda de tensão nos contatos principais do disjuntor. Ela deve estar em torno de 30 μΩ, valores significativamente mais altos do que isso indicam um problema. A corrente de teste usada para medir a resistência de contato é especificada pelo fabricante do disjuntor. Os valores típicos são 1000 A para disjuntores pequenos e o dobro disso para os maiores.

Entre si, esses testes proporcionam uma avaliação completa do desempenho de um HSCB CC e, desde que seja usado um equipamento de teste adequado, eles podem ser realizados rapidamente. Na maioria dos casos, os testes em si levam apenas cerca de cinco minutos para serem realizados, mas, dependendo das circunstâncias, fazer as conexões de teste necessárias pode aumentar significativamente o tempo total do teste.

Disjuntores com relés de proteção

Até agora, consideramos os HSCBs CC com disparo direto. Isso significa que eles são disparados somente pela corrente que flui através deles. Os disjuntores instalados em subestações de tração podem, no entanto, ser acionados indiretamente por meio de um relé de proteção (consulte a Figura 3), embora esse esquema não seja usado por todas as empresas de transporte. Há uma opção disponível para o sistema BALTO que permite que os disjuntores com relés de proteção sejam testados simulando a saída de um shunt, que pode ser de 60 mV, 150 mV ou outros valores, e injetando uma corrente ajustável no relé de proteção. Observe que os usuários que só desejam testar disjuntores com liberação direta não precisarão dessa opção.

Figura 3: Um disjuntor com um relé de proteção

Conclusão

Com o equipamento certo, testar disjuntores CC de alta velocidade é rápido e fácil. E é uma proteção eficaz contra os altos custos e os transtornos que podem resultar de uma falha no disjuntor. Em uma rede de transporte, um disjuntor que desarma desnecessariamente pode incomodar milhares de passageiros, e um que não desarma quando deveria pode destruir equipamentos caros, levando a custos e interrupções ainda maiores. As consequências de falhas de disjuntores em outros setores são igualmente terríveis, portanto, para todos os usuários de HSCBs CC, um investimento modesto em equipamentos de teste certamente será um dinheiro bem gasto!