Função de um disjuntor

A principal função de um disjuntor é interromper e restabelecer a corrente em um determinado ponto do circuito durante o menor espaço de tempo possível. A ação de interromper a corrente serve para proteção do sistema contra curtos-circuitos. Os disjuntores também são solicitados para operar tanto em carga quanto em vazio, devem ser capazes de interromper as correntes de magnetização de transformadores, reatores e as correntes capacitivas de bancos de capacitores. O equipamento deve ser capas de interromper a corrente elétrica não só apenas em condições normais de operação, como também em condições de curto-circuito.

Princípio de interrupção da corrente elétrica

A interrupção de um circuito ocorre quando dois respectivos contatos que permitem a continuidade elétrica do circuito são separados.

Mesmo com a interrupção, a energia armazenada no circuito faz gerar um novo caminho através do arco elétrico, assim, dando continuidade à corrente pelo sistema até que atinja seu valor zero durante o ciclo senoidal. Mesmo que a corrente chegue ao valor zero, se a abertura dos contatos permanecerem ionizados, durante o meio ciclo seguinte, a corrente poderá ter sua continuidade elétrica restabelecida com a formação de um novo arco.

Fonte: Medição de Energia

O surgimento do arco elétrico precisa ser extinto pois sua presença pode causar danos ao sistema. O princípio básico de extinção de um arco elétrico explica que a eliminação de um arco elétrico qualquer deve ser feito através do alongamento por meios artificiais, redução de sua temperatura e substituição do meio ionizado entre os contatos por um meio isolante eficiente que pode ser o ar, o óleo ou gás.

Alongamento e refrigeração do arco: esse processo consiste em esticar o arco elétrico o máximo possível. Quando um arco sofre um alongamento consequentemente perde calor, dessa forma, quando atingido o valor zero durante o círculo senoidal, o arco é extinto.

Isolação entre os contatos: expor os contatos em um meio isolante aumenta a rigidez dielétrica, facilitando a extinção de arco ao passar pelo valor zero.

Tipos de disjuntores e seus meios de interrupção

Há uma grande variedade de disjuntores no mercado de diversas marcas para diversas aplicações. Normalmente, os disjuntores são classificados de acordo com seu método de extinção ou meio construtivo.

Disjuntores a vácuo

Fonte: Autoria própria	Fonte: Beghim

O processo de abertura dos contatos acontece no interior de uma ampola com um elevado nível de vácuo. Cada contato possui sua própria câmara de extinção e são fixados por meio de isoladoras na caixa de comando que integra todos os mecanismos de operação. Quando os contatos se separam surge um arco entre eles de grande intensidade junto com uma quantidade de vapor metálico resultante de uma pequena decomposição dos contatos formando um plasma. Após o arco ser extinto, os contatos do disjuntor estabelecem uma rigidez dielétrica e o vapor metálico se condensa em poucos microssegundos sobre as superfícies metálicas dos contatos.

A condição de vácuo é considerada quando a pressão atinge 10^-8 torr, que corresponde a uma pressão negativa de 1,3595 × 10⁻⁷ kgf/m², ou seja, 1 torr equivale a 1 mm de coluna de mercúrio, ou 13,95 kgf/m².

O disjuntor é montado em uma estrutura metálica e fixado em solo quando em operação, também á modelos que funcionam como disjuntores extraível e por ser um disjuntor pequeno é possível montá-lo em instalações de distribuição bem compactas.

Esse equipamento possui uma vida útil longa podendo permanecer até 10 anos em operação sem nenhuma necessidade de inspeção, são bastante usados em instalações que possui um grande número de manobras e uma frequência de manobras intensas, sendo muito aplicado em circuitos de transformadores com fornos a arco, pois esse tipo de operação requer uma grande quantidade de manobras podendo chegar a mais 300 operações mensais na corrente nominal.

Mesmo com todas essas vantagens, o disjuntor a vácuo para alta e extra alta tensão dependem do desenvolvimento de novas tecnologias para que seja economicamente viável, o aumento das tensões e correntes nominais das câmaras a vácuo e a redução dos seus volumes e pesos. O estudo em busca de disjuntores a vácuo que operem em tensões mais elevadas tem crescido devido as exigências relacionadas aos temas ecológicos, isso levou a redução de custo por desenvolvimento de novos disjuntores e hoje já se encontra disjuntores a vaco que operam em até 145 kV.

Disjuntore a SF₆

Fonte: ABB

O processo de abertura dos contatos acontece no interior de um recipiente que contém determinada quantidade de gás hexafluoreto de enxofre (SF₆). O SF₆ é um gás eletronegativo, ou seja, possui a capacidade de absorver os elétrons livres no plasma de um arco elétrico, estabelecendo rapidamente a rigidez dielétrica e reduzindo com grande velocidade a condutividade para zero.

O SF₆ é um gás que não possui cheiro, cor e toxidade. Apesar de ser quase inerte possui uma densidade 5 vezes maior do que o ar podendo oferecer risco de asfixia em casos de vazamento quando manipulado em ambientes fechados, pois ele se acumula na parte inferior do ambiente expulsando o ar gradativamente conforme o aumento do volume do gás. O SF₆ pode sofrer decomposição quando exposto há umidade, ar ou descargas elétricas podendo gerar subprodutos como SF₂ e o SF₄ que se tornar uma substância extremamente corrosiva quando em contato com muita umidade. Sua rigidez dielétrica não é afetada significativamente quando misturada com o ar em proporções não superiores a 1/5. O SF₆ quando submetido a uma pressão sua rigidez pode subir substancialmente para cerca de 2 kg/cm² podendo chegar à rigidez dielétrica do óleo mineral isolante.

Os disjuntores que utilizam o gás SF₆ para extinção de arco podem ser utilizados em média e alta tensão e possuem em seu interior, características construtivas que corresponde ao tipo de técnica de interrupção de corrente.

Autocompressão

Esse tipo de disjuntor utiliza um único cilindro de compressão. Quando o disjuntor é acionado o embolo se desloca em conjunto com o contato móvel e bocal de injeção, pressionando o SF₆ contido no cilindro. O movimento do conjunto separa os contatos criando o arco, em seguida o um intenso sopro do gás é liberado sobre a região, atingindo o arco transversalmente, realizando o seu resfriamento e causando sua extinção.

Esse disjuntor possui duas versões, sistema estático e sistema dinâmico.

• Autocompressão (dinâmico): utilizado em sistemas de 170 a 1200 kV. Nessa versão ambos os contatos se deslocam, um contato se move mais rápido e o contato principal se move mais divagar para limitar a energia mecânica para o funcionamento do disjuntor. Os dois condutores em movimento ajudam na redução de tempo do arco, aumentando rapidamente a restabelecer o dielétrico dos condutores, assegurando uma maior capacidade livre de rendimento para manobras de correntes capacitivas. Com esse sistema é possível obter diversas velocidades para o contato principal e contato de arco.

Fonte: Autoria própria

• Autocompressão (estático): utilizado em sistemas de até 145 kV. Nessa versão apenas um dos contatos se movem.

Fonte: Autoria própria

Autossopro (puffer)

Conhecido também como “pressão única” porque o SF₆ permanece em uma pressão constantes de 3 a 8 bars, durante todo o tempo, para isolar os contatos do disjuntor. O disjuntor é integrado com um pistão e um cilindro de compressão. O pistão se desloca em conjunto com o contato móvel, comprimindo o gás presente no interior do cilindro contra a parede do contato de arco. A pressão do gás pode chegar a um valor de duas a seis vezes maior que a pressão original. No momento da abertura do arco, o gás se desloca rapidamente entre os contatos por um bocal de sopro com uma ou duas passagens (nozzles), extinguindo o arco. Normalmente esse tipo de disjunto se encontra em projetos mais simples e por trabalhar com baixas pressões oferece um preço acessível.

Fonte: Autoria própria

Fonte: Autoria própria

Esse tipo de disjuntor deve possuir dispositivos de monitoramento para indicação de nível de SF₆ e intertravamento para impedir a operação sobre condições perigosas de sobpressão e para evitar a emissão do gás na atimosfera. Atualmente o desenvolvimento em técnicas de selamento e em sensores de detecção de SF₆ para evitar o risco de emissão do gás tem agregado na prevenção de escape do gás em 0,5 % ao ano.

Disjuntores a óleo

Os disjuntores com isolação a óleo foram os primeiros disjuntores desenvolvidos e são utilizados até os dias atuais por sua simplicidade, robustez e custo baixo em comparação aos outros tipos de disjuntores.

Existe dois tipos de disjuntores a óleo, os que possuem grandes volumes de óleo (GVO) e os que possuem pequeno volume de óleo (PVO).

Disjuntores a grande volume de óleo (GVO)

Fonte: USP	Fonte: Ebah (2016)

Os disjuntores GVO são utilizados em média e alta tensão de até 230 kV. A grande quantidade de óleo mineral presente no disjuntor é utilizada para armazenar os contatos dos três polos que são instalados no interior de uma pequena câmara de extinção feito de um tubo de fenolite de alta resistência para conter o arco elétrico em sua operação. O interior do tanque de óleo possui um revestimento feito de material isolante, sua carcaça é constituída de uma chapa de aço robusta e em seu topo uma tampa metálica com borrachas em torno da guarnição garantido uma vedação completa do conjunto. Possui contatos prateados para evitar oxidação que pode causar elevação de temperatura devido ao aumento de resistência de contatos.

O processo de abertura dos contatos acontece no interior de um recipiente que contém determinada quantidade de óleo mineral. Quando os contatos se separam surge um arco entre eles que circula pelo óleo. O óleo quando em contato com o arco elétrico se decompõem e se gaseifica criando uma formação de gases, em grande parte o hidrogênio acompanhado de acetileno e metano. O arco tende a acompanhar os gases que se elevam para superfície do óleo, esse acompanhamento gera o alongamento e o resfriamento do arco elétrico assim se extinguindo quando seu valor chega a zero no círculo senoidal.

O equipamento pode oferecer um risco considerável em casos em que a corrente a ser interrompida é maior que a capacidade nominal do disjuntor. Ao separar os contatos é gerado um arco de intensidade elevada que não se extingue com o alongamento e resfriamento feito pelos gases, assim ocasionando em uma explosão.

O GVO mesmo tendo um ótimo desempenho sua tecnologia é ultrapassada e tem perdido espaço no mercado devido a presença dos disjuntores a vácuo e de PVO.

Disjuntores a pequeno volume de óleo (PVO)

Fonte: Radial Energia

O disjuntor utiliza uma câmara de extinção em cada polo, que são montadas juntamente a caixa de mecanismo de comando numa estrutura de cantoneiras de ferro galvanizado. No interior das câmaras de extinção de cada polo existe um contato fixo e um contato móvel e uma quantidade de óleo. Cada polo do disjuntor possui uma abertura superior para o preenchimento e outra inferior para o escoamento do óleo isolante. O nível deste óleo pode ser monitorado por meio de um visor transparente posicionado ao nível da câmara de extinção.

Quando acionado o disjuntor, o contato móvel se desloca se afastando do compartimente que faz a extinção das correntes de baixa intensidade, em seguida a base da câmara em conjunto com o cabeçote faz a injeção do óleo, que passa pelo canal anelar e guiando até atingir arco elétrico em alta pressão.

Fonte: Autoria propria

O disjuntor PVO é utilizado em baixa, média e alta tensão até 138 kV, interrompendo uma corrente de até 20 kA. Em caso de variação de corrente entre 31,5 kA, 40 kA e 50 kA são utilizadas câmaras em série com capacitores de equalização.

Os disjuntores PVO são construídos em duas versões, construção aberta e construção tipo extraível.

Disjuntores de construção aberta

Esse tipo de disjuntor possui um grau de proteção IP00 (não possui proteção) e seus componentes ativos são totalmente expostos. Esse disjuntor é montado sobre um suporte tipo perfil L com quatro rodas para facilitar o deslocamento do equipamento. Sua instalação deve ser feita em cubículos de alvenaria ou metálicos e deve ser fixo ao chão quando em operação. Normalmente esses disjuntores de construção aberta se encontram em instalações de pequeno e médio porte.

Disjuntores de construção tipo extraível (Conjunto de manobra)

Esse tipo de disjuntor fica armazenado em cubículos metálicos apropriados chamados de metal clad, em seu interior se encontra os contatos fixos que fazem a conexão com o disjunto extraível. Os disjuntores do tipo extraível são constituidos de duas partes, o suporte móvel e o disjuntor em si. O suporte móvel se em caixa na parte fixa do cubículo metálico e o disjuntor fica fixado no suporte móvel.

O disjuntor extraível é dotado de rodas que facilita o seu deslocamento de entrada e saída do cubículo, o acoplamento dos contatos é feito quando encaixado o disjuntor no cubículo.

O disjuntor possui bloqueios mecânicos como medida de segurança permitindo somente a ação de inserir ou retirar o disjuntor quando os contatos estão abertos, assim evitando um seccionamento em carga do disjuntor que poderia causar sérios danos ao sistema.

Fonte: FILHO (2019, p. 359)

Fonte: FILHO (2019, p. 359)

Disjuntor a ar comprimido

Fonte: SILVEIRA; CARVALHO (2013)

Disjuntores a ar comprimido são utilizados em subestações com tensões iguais ou superiores a 230 kV. O disjuntor utiliza o nitrogênio do ar sob uma pressão alta tanto para o resfriamento e extinção do arco elétrico quanto para o seu acionamento do sistema mecânico. O sistema possui uma quantidade de ar comprimido armazenado em um vazo que funciona em conjunto com a câmara de extinção composto de contatos fixos e móveis que também armazena uma determinada quantidade de ar comprimido. O ar utilizado deve ser puro e seco. Para isso são utilizados filtros e desumidificadores.

Para realizar a alimentação de ar comprimido em grandes subestações geralmente são instaladas centrais de ar comprimido para realizar o abastecimento dos disjuntores tanto para o mecanismo de acionamento quanto para a extinção de arco elétrico. Para subestações de pequeno porte são utilizados sistemas individuais para o abastecimento.

O disjuntor a ar comprimido pode ser construído com base em duas diferentes técnicas de extinção.

Sopro unidirecional (mono blast)

Fonte: Autoria propria

É constituído de um contato maciço que permanece fixo e um contato oco que se desloca quando realizado o acionamento do disjuntor. O ar comprimido que saí do cilindro em alta pressão, acerta o arco elétrico e passa por dentro do contato móvel.

Empregar essa técnica dificulta na coordenação dos valores de diâmetro das passagens, extinção do arco, comprimento do gap necessário do ponto vista dielétrico e condições de fluxo de ar comprimido. Contudo é necessário utilizar resistores de abertura para reduzir as taxas de crescimento da tensão de restabelecimento transitória (TRT), para não exceder a suportabilidade dielétrica do disjuntor.

Sopro bidirecional (duo-blast)

Fonte: Autoria propria

Com base nas dificuldades mecânicas que a técnica unidirecional apresenta, foi desenvolvido a técnica de sopro bidirecional, onde ambos os contatos (fixo e móvel) são ocos para oferecerem passagem ao fluxo de ar comprimido. O sistema de sopro de duas direções aumenta a eficiência do disjuntor, possibilitando a dispensa do uso de resistores de abertura para a interrupção de faltas quilométricas e outras manobras caracterizadas por elevadas taxas de crescimento da TRT.

Assim como disjuntores a SF₆, os disjuntores a ar comprimido devem possuir dispositivos de monitoramento para indicação de nível de pressão e intertravamento para impedir a operação sobre condições perigosas de sobpressão.

O aperfeiçoamento dos disjuntores a gás SF₆ ao longo dos anos para aplicação em sistemas mais elevados (230, 326, 550 e 800 kV) tem diminuído a presença dos disjuntores a ar comprimidos, fazendo-o perder cada vez mais o seu espaço no mercado.

Disjuntores a sopro magnético

Fonte: Portal IDEA

Esse disjuntor é utilizado em sistemas de média tensão de até 24 kV e pode ser usado para interromper sistemas de corrente contínua e alternada, o disjuntor funciona através do princípio da força eletromagnética para conduzir o arco elétrico a uma câmara de extinção, assim dividindo, desionizando, resfriando e extinguindo o arco. O disjuntor pode atuar por mola pré-carregada ou sistema motorizado.

Seu funcionamento segue uma sequência, os contatos fixo e móvel se separam rapidamente e junto dessa ação surge o arco elétrico (1), o sistema pneumático conduz o arco do contato principal para o contato auxiliar (2) chegando até a entrada da câmara de extinção (3). Movido pelo efeito magnético e térmico, o arco é conduzido para o interior da câmara de extinção (4). A câmara é constituída de placas paralelas, quando o arco entra em contato com a câmara ele é fracionado, ou seja, cada parte do arco penetra entre as placas causando seu alongamento, gerando mais resistência elétrica e ao mesmo tempo sendo resfriado quando em contato com as paredes da câmara até que seja extinto.

Fonte: Portal IDEA

O disjuntor não apresenta um bom desempenho quando a corrente a ser interrompida possui um valor menor ou igual a 150 A. Como a intensidade da corrente é baixa, o campo magnético que conduz o arco até a câmara de extinção é muito fraco, logo, o tempo de exposição do arco é maior podendo aquecer a câmara de extinção.

O disjuntor deve passar por manutenção periódica, pois a extinção do arco elétrico é feita no ar sobre uma pressão natural e os contatos sobre essas condições podem sofrer oxidação ao longo do tempo podendo causar danos ao disjuntor.

Por não possuir compostos inflamáveis em seu sistema, sua instalação é permitida no interior de edificações em locais públicos, conforme a norma NBR 14039. Porém, o local da instalação não pode apresentar muita umidade, salinização, poeira ou partículas em suspenção em quantidades enormes em seu ambiente. Esse equipamento foi feito para operar sobre condições normais em ambientes com temperatura entre 30 e 40 °C em altitudes não superiores a 1.000 metros.

Referências

FILHO, João M. Manual de Equipamentos Elétricos. Grupo GEN, 2019. E-book. ISBN 9788521636434. Disponível em: https://integrada.minhabiblioteca.com.br/#/books/9788521636434/. Acesso em: 16 out. 2023.

FRONTIN, Sergio O. Equipamentos de Alta Tensão Prospecção e Hierarquização de Inovações Tecnológica. 1 ed. Brasília: 2013.

Gás SF6 (Hexafluoreto de Enxofre) Conceitos sobre o Gás e a sua Reutilização. Disponível em: < https://www.electrisa.com.br/fornecedores/dilo/02-sf6/as-caracteristicas-do-sf6-portugues.pdf > Acesso em: 17 outubro 2023.

EBAH. Disjuntor alta tensão - Ensaios de simultaneidade. Disponível em: < http://www.ebah.com.br/content/ABAAAgrjIAJ/disjuntor-alta-tensao# >. Acesso em: 22/11/2023

MERLIN, Victor. Energia Incidente. Medição de Energia. Disponível em: < https://medicaodeenergia.com.br/energia-incidente/> Acesso em: 22/11/2023

Tipos de disjuntor. Portal IDEA. Disponível em: < https://portalidea.com.br/cursos/bsico-de-termografia-apostila01.pdf > Acesso em: 24/11/2023

PORTO, Bruno Patrício da Silva. Disjuntores de potência: Uma Breve Introdução a Teoria e Ensaio Básicos em Laboratório. Orientador: Tarso Vilela Ferreira. 2009. 32 f. TTC (Graduação) – Engenharia Elétrica, Universidade Federal de Campina Grande. Campina Grande. 2009. Disponível em: < http://dspace.sti.ufcg.edu.br:8080/jspui/bitstream/riufcg/17389/1/BRUNO%20PATR%C3%8DCIO%20DA%20SILVA%20PORTO%20-%20TCC%20ENG.%20EL%C3%89TRICA%202009.pdf > Acesso em: 23/11/2023

MONTENEGRO, Renan. Disjuntores a óleo. Universo Elétrico. Disponível em: < https://universoeletrico.wordpress.com/2016/08/13/disjuntores-a-oleo/ > Acesso em: 23/11/2023

SAS Sistema de Automação de SEs. USP. Disponível em: < https://edisciplinas.usp.br/pluginfile.php/5555519/course/section/6032164/AULA%20SAS_Final%202015.pdf > Acesso em: 23/11/2023

CARVALHO, Diego Moraes de. SILVEIRA, Rafael Franco. Elementos de Subestação. Slideshare. Disponivel em: < https://pt.slideshare.net/RafaelSilveira15/elementos-de-subestao > Acesso em: 30/11/2023

Disjuntor com acionador de molas EDF SK. Direct Industry. Disponivel em: < https://www.directindustry.com/pt/prod/abb-ag/product-70728-583090.html > Acessado em: 30/11/2023