Disjuntor e transdutores – parte 1
Introdução
Há vários tipos de equipamentos na rede de transmissão e distribuição elétrica que realizam operações específicas e necessárias. O disjuntor não é exceção, pois serve para proteger os valiosos ativos da subestação. No entanto, o disjuntor é único porque, em um momento, ele deve funcionar como um condutor quase perfeito e, em outro, como um isolante quase perfeito. Ele deve fazer a transição de um estado para o outro em milissegundos, às vezes dispersando enormes quantidades de energia durante a transição.
Um disjuntor é definido como "um dispositivo de comutação mecânica" e a maneira de determinar se a função de comutação mecânica está funcionando corretamente é conectar um analisador de tempo e percurso para avaliar as características operacionais. Quando os disjuntores a óleo a granel eram a tecnologia predominante nas subestações, as medições de percurso eram realizadas rotineiramente. No entanto, por motivos como falta de tempo de interrupção, falta de pessoal de manutenção e a complexidade de conectar um transdutor ao disjuntor, as medições de percurso agora são realizadas com muito menos frequência. Muitas vezes, elas estão sendo substituídas apenas pelo tempo de contato ou reduzidas ao teste de primeiro disparo.
Um estudo recente do grupo de trabalho A3.06 do CIGRE, divulgado em 2012, constatou que 50% das principais falhas em um disjuntor eram devidas ao mecanismo de operação e 30% eram devidas ao controle elétrico e aos circuitos auxiliares. Embora o tempo de contato e o primeiro disparo sejam testes importantes e devam ser realizados, eles não testam totalmente as características operacionais do mecanismo. Portanto, as medições de percurso não devem ser negligenciadas se for necessário determinar a verdadeira saúde do disjuntor.
Medições básicas feitas com o transdutor
Embora um transdutor de movimento possa ser conectado ao disjuntor para determinar o percurso de diferentes partes de seus componentes, como o amortecedor de fim de curso, sua principal aplicação é medir o movimento dos contatos principais/arco do disjuntor, e este artigo se concentra nessa aplicação.
O transdutor pode ser conectado a muitas partes diferentes do disjuntor: diretamente à haste de tração dos contatos principais, diretamente ao mecanismo, em algum lugar na ligação intermediária ou até mesmo a um interruptor auxiliar.
Muitos parâmetros são determinados pelo transdutor, mas o mais importante é o curso do disjuntor, pois todos os outros parâmetros são derivados dele. O curso é definido como a distância total percorrida pelos contatos desde a posição de repouso no estado fechado até a posição de repouso no estado aberto, ou vice-versa. É essencial conectar o transdutor ao ponto de fixação recomendado pelo fabricante no disjuntor e aplicar os fatores de correção adequados se não for possível fazer uma conexão direta com os contatos. No mínimo, a medição do curso durante a manutenção periódica deve ser consistente, para que seja possível fazer uma tendência dos resultados.
Se o disjuntor for operado em grupo, ou seja, tiver um mecanismo que opere as três fases, será necessário apenas um transdutor. Se o disjuntor tiver mecanismos de operação separados para cada fase, deverá ser usado um transdutor individual para cada mecanismo.
Uma vez determinado o curso do disjuntor, é possível derivar a velocidade dos contatos em diferentes regiões do curso. A região mais comum para medir a velocidade é a zona de arco do disjuntor, onde ele interrompe ou elimina a falha. Ocasionalmente, o amortecimento também é medido na curva de percurso calculando a velocidade na zona de amortecimento ou o tempo entre dois pontos predefinidos na curva de percurso na zona de amortecimento.
Ao observar o tempo de fechamento junto com a medição do percurso, é possível determinar a penetração ou o desgaste do contato, ou seja, até onde os contatos estão engatados. A penetração é o comprimento medido desde o toque inicial do contato até a posição final de repouso após a operação. O sobrecurso é medido diretamente a partir da curva de percurso e é o deslocamento máximo além da posição de repouso que os contatos alcançam durante a operação.
Da mesma forma, o rebote é medido a partir do deslocamento mínimo, após o deslocamento máximo (sobrecurso), até a posição final de repouso dos contatos. A Figura 1 mostra exemplos dos parâmetros que podem ser medidos com um transdutor de deslocamento. Outros parâmetros podem ser determinados, mas todos eles são derivados da medição do curso real dos contatos, razão pela qual é importante conectar o transdutor corretamente e medir o curso com precisão.
Figura 1 – Traço típico de movimento
Tipos de transdutor e parâmetros necessários para medições adequadas
Dois tipos de transdutores são usados para medir o curso dos contatos dos disjuntores: linear e rotativo. Um transdutor linear medirá um comprimento em polegadas ou milímetros, enquanto um transdutor rotativo medirá um ângulo, normalmente em graus, que deve ser convertido em uma medida de comprimento. Há vários tipos de transdutores, incluindo resistivos, ópticos e magnéticos, e eles fornecem saídas analógicas ou digitais.
Os transdutores lineares estão disponíveis em comprimentos que variam de 25 mm ou menos, comumente usados para disjuntores a vácuo, até 1000 mm ou mais. Os comprimentos típicos são de 225 a 300 mm para disjuntores de tanque morto de SF6 e de 500 a 600 mm para disjuntores de óleo a granel. Ao se preparar para fazer medições de movimento, é preciso primeiro decidir se será usado um transdutor rotativo ou linear. Embora muitos disjuntores permitam o uso de qualquer tipo, o fabricante geralmente especifica uma preferência e é sempre recomendável usar o ponto de fixação especificado pelo fabricante, o tipo de transdutor e, se necessário, o fator de conversão.
CUIDADO! Antes de conectar o transdutor, certifique-se sempre de que o disjuntor esteja na posição aberta. Certifique-se de que não haja energia armazenada no mecanismo ou, se for impraticável descarregar toda a energia, como é o caso de alguns mecanismos pneumáticos e hidráulicos, certifique-se de que o pino de manutenção que bloqueia a operação esteja ajustado. Por fim, remova a energia do circuito de controle. Independentemente de onde o transdutor for colocado, 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 que possa causar danos ao transdutor ou a seus acessórios.
Se for usado um transdutor linear, ele deverá ter o comprimento adequado para cobrir o percurso total que ele encontrará, incluindo o sobrecurso, tanto nas operações de fechamento quanto nas de abertura. Quando não houver certeza de que o transdutor tem o comprimento adequado, uma prática comum é conectar o transdutor, por exemplo, na posição aberta ou fechada, depois desconectar o transdutor e operar o disjuntor para que ele mude de estado. Em seguida, é possível tentar reconectar o transdutor para confirmar que ele tem o comprimento adequado. Depois que um transdutor de comprimento adequado for selecionado, a próxima consideração é garantir que o transdutor caiba no espaço disponível.
Há dois tipos de medições feitas com transdutores lineares: a primeira é a medição direta, conforme mostrado na Figura 2, em que o transdutor ou a haste de ligação é conectada diretamente aos contatos móveis. As medições diretas são comuns em óleo a granel, óleo mínimo, a maioria dos disjuntores a vácuo e alguns disjuntores de SF6 de tanque morto. Embora às vezes possa ser difícil encontrar um suporte de montagem adequado e montar corretamente o transdutor, a medição direta é vantajosa porque o curso real do transdutor é igual ao curso real dos contatos. Não é necessário nenhum fator de conversão e todos os parâmetros medidos são diretamente representativos do movimento dos contatos no disjuntor; o movimento não é distorcido por engrenagens, ligações ou folga mecânica nas interconexões.
Figura 2 – Disjuntor de óleo a granel com conexão linear direta
O segundo tipo de medição com um transdutor linear é uma medição indireta, conforme mostrado na Figura 3. O transdutor não está conectado diretamente aos contatos móveis, mas a uma parte do disjuntor que está conectada aos contatos móveis, como o mecanismo ou a ligação de interconexão. Quando esse tipo de medição é usado, o curso do transdutor pode ou não ser igual ao curso dos contatos principais. Se o curso do transdutor for diferente, um fator de conversão deverá ser usado para obter o comprimento correto do curso e os parâmetros de curso. Por exemplo, se o fator de conversão for 1,5, 80 mm de curso do transdutor serão equivalentes a 120 mm de curso do contato.
Figura 3 – Disjuntor de tanque morto SF6 com conexão linear indireta
Quando um transdutor rotativo é usado, a medição é feita em graus ou, ocasionalmente, em radianos, e deve ser convertida em uma unidade de comprimento. Há dois tipos de conversão. O primeiro é uma conversão constante em que um grau é igual a um determinado comprimento durante todo o percurso dos contatos. Isso é comum quando a articulação mecânica é simples, com poucas peças interconectadas. Quando a articulação é mais complicada, a relação entre o ângulo e o comprimento pode não ser constante em todo o percurso total dos contatos. Por exemplo, um grau pode corresponder a 1,5 mm nos primeiros dez graus, mas nos dez graus seguintes, um grau pode corresponder a 2,5 mm. Nesses casos, é necessário usar uma tabela de conversão.
Os transdutores rotativos têm a vantagem de serem relativamente pequenos e, com alguns acessórios, um kit pode ser usado com muitos estilos e tipos diferentes de disjuntores. A desvantagem dos transdutores rotativos é que sempre é necessário um fator ou tabela de conversão para calcular os parâmetros corretos para o disjuntor em questão. Se o fator ou a tabela de conversão não estiver incluído no manual, o fabricante do disjuntor deverá ser contatado. Os transdutores rotativos são mais comumente usados em disjuntores de SF6 de tanque ativo, mas também são empregados em certos tipos de disjuntores de SF6 de tanque morto, de óleo a granel e de gerador. Consulte as Figuras 4 e 5 para ver exemplos de conexões de transdutores rotativos.
Figura 4 – Transdutor rotativo em disjuntor SF6 de tanque ativo, – a imagem vai aqui
Figura 5 – Transdutor rotativo no disjuntor SF6 de tanque morto – a imagem vai aqui
Depois que o transdutor correto for selecionado e o fator de conversão (se necessário) for determinado, a maioria dos parâmetros, como curso, sobrecurso, rebote e penetração, sairá automaticamente das medições. Uma exceção é a velocidade; para calcular a velocidade, o analisador deve ser informado em que ponto da curva de deslocamento a velocidade deve ser medida. Dois pontos na curva são selecionados, e a velocidade média entre esses pontos é calculada. Os pontos escolhidos podem fazer referência a muitos pontos diferentes na curva, como distância abaixo do fechamento, distância acima da abertura, porcentagem do curso, distância abaixo do ponto superior etc.
Outro ponto de referência comum é um evento durante a cronometragem – toque de contato ou separação de contato, por exemplo. Os dois fatores mais importantes que influenciam a seleção dos pontos de cálculo de velocidade são que a velocidade é medida em uma parte linear da curva de percurso e que é medida durante a zona de arco. Os pontos de cálculo são, portanto, geralmente próximos ao toque de contato para a operação de fechamento e à separação de contato para a operação de abertura.
Um erro comum ao calcular a velocidade é pegar a distância total do percurso (curso) e dividi-la pelo tempo total que os contatos levam para atingir a posição totalmente fechada. Isso determinará a velocidade média do percurso total, NÃO a velocidade durante a zona de arco. A aceleração no início do percurso e a desaceleração no final mascararão a velocidade instantânea em torno da zona de arco.
Os pontos de cálculo de velocidade podem variar de acordo com o fabricante, o tipo de disjuntor, o tipo de mecanismo e assim por diante, mas a orientação do fabricante deve ser seguida para selecionar os pontos de cálculo de velocidade corretos. Essas informações geralmente estão disponíveis no manual ou no relatório de teste original fornecido com o disjuntor. Se nenhuma informação for fornecida, recomenda-se usar o toque de contato e 10 ms antes disso para os pontos de cálculo de fechamento, e a separação de contato e 10 ms depois disso para os pontos de cálculo de abertura.
Consulte a Tabela 1 para obter uma lista de tipos comuns de transdutores e pontos de cálculo de velocidade usados por diferentes fabricantes, mas observe que o fabricante ou o manual deve ser sempre consultado para determinar o transdutor correto e os pontos de cálculo de velocidade.
Tabela 1 – Tipos típicos de transdutores e pontos de cálculo de velocidade
A ser continuado
A segunda parte deste artigo, que aparecerá em uma edição futura da Electrical Tester, incluirá um estudo de caso de investigações realizadas em um disjuntor Siemens SPS2-38-40-2 e também analisará o que fazer quando o fabricante do disjuntor disponibilizar pouca ou nenhuma informação para apoiar as medições de deslocamento.
