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dossier sobre alta tensão
manutenção de disjuntores Hélder L. Cruz Mestrado Integrado em Engenharia Eletrotécnica e Computadores FEUP – Faculdade de Engenharia da Universidade do Porto
Nota introdutória Os disjuntores são elementos cruciais para o funcionamento da rede, proporcionando funções de controlo ao seu operador. Podem ser operados manual ou automaticamente de modo a manter os circuitos elétricos ligados ou desligados permitindo ou não o fluxo da corrente. Os disjuntores encontram-se normalmente na posição fechada, conduzindo a corrente elétrica e são chamados a atuar ocasionalmente para interromper situações de defeito que surgem na rede protegendo, assim, os equipamentos que a constituem de danos. Por esta razão os disjuntores têm de ser equipamentos aos quais está associada uma elevada fiabilidade devido ao seu extenso período estacionário e à rápida necessidade de atuação. No enquadramento atual o número de manobras efetuadas pelos disjuntores aumentou. Este aumento deve-se ao facto de os operadores da rede efetuarem cada vez mais o uso racional dos recursos elétricos. Retirar linhas aéreas de serviço ou ligar baterias de condensadores à rede de modo a controlar o perfil das tensões, a reduzir as perdas e a criar condições de segurança para trabalhos fora de tensão são algumas das manobras em que os disjuntores prestam auxílio. Como qualquer outro equipamento eletromecânico, o disjuntor necessita de manutenção ao longo do tempo de vida útil. Devido ao aumento do número de manobras e aos requisitos para manter os índices de fiabilidade dos disjuntores num nível elevado surge então a necessidade de implementação de estratégias de manutenção adequadas para que estes permaneçam no seu estado normal de funcionamento. O disjuntor é classificado por nível de tensão efetuando-se a distinção entre dois grandes grupos. São eles os disjuntores de Baixa Tensão, os quais possuem uma tensão nominal até 1000 V e disjuntores de Alta Tensão que operam com tensão nominal de 1000 V ou superior. No enquadramento deste artigo é efetuada uma análise focada no grupo de disjuntores de Alta Tensão. Ao longo deste artigo é apresentada uma descrição dos principais aspetos construtivos de um disjuntor, sendo ainda apontadas as principais causas que levam à necessidade de realização de ações de manutenção. Finalmente são apresentadas algumas das principais estratégias de manutenção existentes. www.oelectricista.pt o electricista 51
Princípio de funcionamento Um disjuntor é um equipamento elétrico, de comutação mecânica, capaz de conduzir ou interromper a corrente em condições normais de operação ou em condições de defeito. De modo a efetuar esta interrupção o disjuntor tem a capacidade de, no menor espaço de tempo possível, passar de um condutor ideal a um isolador e vice-versa. O disjuntor deve cumprir os seguintes requisitos: • No estado fechado, em regime normal, ser capaz de conduzir a corrente nominal e suportar correntes de curto-circuito sem que haja um aumento de temperatura ou falha mecânica dos seus componentes; • No estado fechado ou aberto, em regime normal, ser capaz de suportar qualquer tipo de sobretensão dentro da sua gama de operação; • No funcionamento à sua tensão nominal ser capaz de conduzir ou interromper qualquer corrente, dentro da sua gama de operação sem ficar inoperacional.
Principais elementos constituintes Existe uma grande variedade de configurações existentes nos disjuntores consoante o meio que estes utilizam para auxiliar a extinção do arco elétrico que se forma no momento de separação dos contactos. Como exemplos desses meios temos o ar-comprimido, o vácuo, o óleo ou o Hexafluoreto de enxofre (SF6). Devido a esta variedade são apresentados os principais grupos de equipamentos e elementos constituintes de acordo com a função que desempenham:
Condução de corrente Este tipo de equipamentos tem como principal função a condução da corrente, quando o disjuntor se encontra na posição fechada. Os contatos e os terminais de um disjuntor estão englobados neste grupo de equipamentos. Existe ainda uma distinção ao nível dos contactos estando estes divididos em principais e auxiliares, sendo que os auxiliares têm como objetivo ser o último ponto de contacto antes da separação sofrendo, assim, uma maior ação de desgaste. Os elementos do disjuntor que estão sujeitos à passagem de correntes de defeito são fabricados de modo a suportar os seus efeitos elétricos, térmicos e mecânicos durante 1 segundo sem ocorrer deterioração.
FIGURA 1. ASPETO INTERIOR DE UM DISJUNTOR SF6 COM DUPLA CAMARA INTERRUPTORA.
Isolamento O isolamento é conseguido através de uma combinação de materiais dielétricos, podendo estes ser sólidos, líquidos ou gasosos. A porcelana e o vidro são materiais geralmente utilizados como isoladores sólidos. O ar (Vácuo), o nitrogénio e o hexafluoreto de enxofre (SF6) são bons exemplos de materiais com elevada rigidez dielétrica utilizados no auxílio da extinção do arco elétrico.
Mecanismo de Operação Os equipamentos que constituem o mecanismo de operação têm como principal função a separação e aproximação dos contactos. Estes mecanismos devem atuar de forma imediata no momento da separação dos contactos. Podem ser constituídos por um circuito hidráulico, pneumático ou por um conjunto de molas auxiliadas por um motor. Existe ainda a possibilidade de combinar dois mecanismos como por exemplo: fecho do disjuntor hidráulico e abertura com mola; fecho do disjuntor pneumático e abertura com mola.
Equipamento auxiliar De modo a permitir a operação dos disjuntores existem equipamentos de comando e controlo. Estes encontram-se no exterior dos disjuntores e tem como função enviar os comandos de abertura ou fecho para o mecanismo de operação permitindo ainda a sua operação manual. Existem também equipamentos de monitorização que têm como propósito o envio de sinalizações, alarmes. Na sua construção os disjuntores são fabricados de modo a possuir diferentes
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Desgaste dos contactos que resulta da interrupção de correntes capacitivas e indutivas; Degradação das caraterísticas do meio extintor do arco elétrico (Óleo; Hexafluoreto de enxofre).
Reativa Manutenção
Corretiva
Preventiva Proativa Preditiva
A degradação do disjuntor devido a esforços mecânicos pode manifestar-se das seguintes formas: • Enfraquecimento dos componentes do circuito de abertura/fecho da mola; • Perda de pressão do circuito de abertura/ fecho hidráulico ou pneumático; • Desgaste de diversos componentes móveis.
Estratégias de manutenção de disjuntores As estratégias de manutenção existentes são normalmente divididas em dois tipos, sendo estes a manutenção reativa e a manutenção proativa. A manutenção reativa está relacionada com ações de manutenção efetuadas após a ocorrência de avarias nos disjuntores. A manutenção corretiva é então aplicada de modo a restabelecer o funcionamento normal do disjuntor. O planeamento deste tipo de manutenção centra-se na gestão de componentes de substituição de modo a procurar responder rapidamente à ocorrência de avarias. Atualmente este tipo de manutenção é utilizado apenas em disjuntores de pequenas dimensões cujas avarias impliquem impactos reduzidos na operação da rede e os custos da sua indisponibilidade sejam menores do que os custos necessários para evitar a sua falha. A utilização deste tipo de estratégia pode implicar elevados custos com equipamentos de reserva, de mão-de-obra extra e de elevados tempos de paralisação dos disjuntores. A manutenção proativa traduz-se em ações de manutenção planeadas, realizadas previamente à ocorrência de avarias. Com esta estratégia de manutenção procurase reduzir a probabilidade de ocorrência de avarias de modo a garantir o correto funcionamento dos disjuntores. Neste tipo de
FIGURA 3. ASPETO DE DEGRADAÇÃO DOS CONTACTOS. www.oelectricista.pt o electricista 51
manutenção é possível ainda efetuar a distinção entre duas estratégias: estratégias de manutenção preventiva e estratégias de manutenção preditiva. Relativamente à estratégia de manutenção preventiva este é um tipo de manutenção baseada no tempo, ou seja são realizadas ações de manutenção em períodos previamente estipulados. A definição destes períodos é estipulada pelos fabricantes dos disjuntores na respetiva especificação técnica. No planeamento da manutenção dos disjuntores, a entidade exploradora baseia-se usualmente nestas recomendações do fabricante. As vantagens da utilização deste tipo de manutenção traduzem-se na previsão dos custos de manutenção que estão associados aos disjuntores. Quanto a estratégias de manutenção preditiva estas são baseadas no controlo do estado real dos disjuntores. Com recurso à monitorização do estado dos disjuntores em tempo real, por exemplo o controlo do diagnóstico da qualidade do SF6; número de ciclos de manobras ou a análise de vibrações, é possível planear e aplicar previamente à ocorrência da falha a respetiva correção. Este tipo de manutenção é auxiliado devido ao facto de grande parte das avarias serem precedidas por alguma forma de pré-aviso, estando este compreendido no espaço de breves segundos até dias ou meses. Com a aplicação deste tipo de manutenção é possível obter uma redução de custos de manutenção, devido ao esforço necessário para a realização dos trabalhos e a indisponibilidade associada ao disjuntor ser menor.
Ações de manutenção Os principais objetivos da manutenção de disjuntores são: • Análise do estado de desgaste de peças, e do estado do disjuntor em geral; • Assegurar que as peças operacionais mantenham o seu bom estado; • Substituição de peças a título preventivo. Particularizando agora no tipo de ações de manutenção dos disjuntores é possível efetuar a distinção entre três tipos: Rondas de inspeção, pequenas ações de manutenção e grandes ações de manutenção. Nas rondas estão incluídas inspeções visuais aos disjuntores, de forma a confirmar o bom estado/funcionamento do equipamento.
Estas rondas são usualmente efetuadas, entre períodos de 6 meses a 1 ano, com o disjuntor em serviço não havendo nenhum período de indisponibilidade associado. Alguns dos seus principais objetivos consistem em: • Verificação de estruturas de suporte: existência de sinais de corrosão ou peças soltas; • Verificação do estado das colunas de isolamento: porcelana limpa e sem danos; • Registo do número de manobras efetuadas; • Inspeção visual ao mecanismo de molas; • Verificação a pressão de SF6; • Verificação dos circuitos de aquecimento da caixa de comando. Em relação a ações de manutenção de pequena escala, estas são geralmente efetuadas entre um período de 6 a 8 anos. São realizadas com o disjuntor isolado da rede e por essa razão implicam um período de indisponibilidade. Em adição à inspecção visual, os seus objetivos são: • Inspeção detalhada do estado e função dos elementos constituintes do disjuntor; • Execução de ensaios ao disjuntor; • Substituição de pequenos componentes de fácil acesso; • Mudanças de filtros de óleo, ou do gás extintor SF6. Quanto a ações de manutenção de disjuntores de larga escala, estas implicam também o isolamento do equipamento da rede e a sua respetiva indisponibilidade associada. Este tipo de ações são realizadas quando surge a necessidade de trocas ou reparações de elementos cruciais para o funcionamento do disjuntor como a câmara interruptora, o mecanismo de acionamento ou reservatório de armazenamento do meio extintor. A periodicidade associada a estas ações depende do tipo de tecnologia do disjuntor, no caso de disjuntores do tipo SF6 o período pode ser de aproximadamente 20 anos.
Nota de conclusão A constante evolução na área da monitorização em tempo real do estado dos disjuntores, e a criação de soluções que permitem prever com maior eficácia a ocorrência de falhas irão continuar a traduzir-se numa melhor previsão da necessidade da aplicação de ações de manutenção.