Disjuntor

Disjuntores em forma de Y para alta tensão em um quadro de distribuição externo

Os disjuntores são disjuntores projetados para comutar altas correntes. Em contraste com os interruptores de carga , os disjuntores podem não apenas alternar correntes de operação regulares e correntes de baixa sobrecarga, mas também ligar correntes de alta sobrecarga e correntes de curto-circuito ( disjuntores do gerador de até 800  kA ) em caso de falhas , mantenha essas falhas correntes por um tempo especificado e desligue-as com segurança e sem danos. Os disjuntores são unipolares ou tripolares.

Fundamentos

Representação esquemática: disjuntor de 63 amperes
com limitação de corrente

A corrente de sobrecarga está relacionada ao elo mais fraco no sistema a jusante do disjuntor, visto na direção do fluxo de energia. A fim de proteger esses sistemas a jusante de danos devido a sobrecarga ou curto-circuito, o disjuntor deve ser capaz de comutar essas correntes em conexão com os dispositivos de proteção de rede .

A interrupção do fluxo de corrente leva, pelo menos por um curto período, a um flashover de tensão entre os dois contatos de cada chave , uma vez que a distância durante o processo de separação ainda não é suficiente para o isolamento. Se houver gás entre os dois pólos, se houver uma diferença de tensão correspondentemente alta entre os pólos, ele é ionizado pelo flashover e uma descarga de gás autossustentável é formada , que é chamada de arco elétrico .

Este plasma não só continua a conduzir eletricidade , mas também reduz a vida útil do componente; com correntes fortes, pode até destruir a chave. Ao contrário dos seccionadores , os disjuntores são projetados de forma que o arco que ocorre quando os contatos de chaveamento são abertos se extinga rapidamente e sem danificar a chave, interrompendo o fluxo de corrente.

área de operação

Exemplos de aplicação de disjuntores

Além da aplicação trivial como um simples elemento de comutação, os disjuntores são usados ​​como proteção da rede em caso de erros, como curto-circuitos ou falhas à terra . Os disjuntores podem ser controlados usando diferentes mecanismos e são baseados principalmente na energia a ser comutada. Os drives são drives manuais e os chamados drives de energia usados. Drives de energia são drives que não são acionados por energia humana. Existem as seguintes unidades de energia:

  • Drives magnéticos
  • Acionamentos do motor
  • Unidades de primavera
  • Acionamentos pneumáticos.

Uma vantagem particular das unidades de alimentação é a possibilidade de controle remoto do switch.

Aplicações de baixa tensão

Existem quatro grupos:

  • Disjuntor de ar (ACB)
  • Disjuntores em caixa moldada (MCCB)
  • Chaves de interrupção de carga (LBS), versões com / sem fusíveis
  • Disjuntor miniatura (MCB)

Os disjuntores de baixa tensão são disjuntores eletromagnéticos. A forma como funcionam é basicamente igual à dos disjuntores em miniatura . Normalmente são equipados com um disparador térmico e magnético e, portanto, possuem os mesmos elementos estruturais dos disjuntores em miniatura. No entanto, eles são projetados para correntes nominais mais altas e os disparadores dos disjuntores, ao contrário dos disjuntores em miniatura, podem ser configurados separadamente.

Na faixa de baixa tensão, as chaves também são usadas como chaves de proteção do motor .

Os disjuntores não ajustáveis ​​com características de disparo K e Z de acordo com EN 60947-2 (VDE 0660-101) são usados ​​na prática como disjuntores em miniatura e também são referidos como tal.

  • Estrutura de um disjuntor de baixa tensão

  • Áreas funcionais de uma característica de disparo

  • Exemplo de opções de configuração em um disjuntor

Voltagem média

Unidade de controle do disjuntor para 20 kV

Os disjuntores atuam como dispositivos de proteção no nível de média tensão, podendo também separar os curtos-circuitos da rede em caso de falha. O acionamento em caso de erro (comando off) ocorre por meio de ímãs de tração , que liberam mecanismos de travamento que liberam a energia mecânica presente em uma memória (acumulador de pressão pneumática, acumulador de mola ). Isso significa que as peças de contato (contatos) são afastadas uma da outra ou em direção uma à outra em alta velocidade. Após o processo de comutação z. B. enrolado novamente com um motor elétrico do acumulador de mola.

Os disjuntores, assim como as chaves seccionadoras, têm a função de comutar objetos como geradores , transformadores , acoplamento de barramentos , bem como cabos e linhas aéreas.

Em comparação com as chaves seccionadoras, os disjuntores são capazes de comutar com segurança, mesmo em caso de falha (por exemplo, curto-circuito).

Extinção de arco

Modelo de corte de um disjuntor a óleo para 110 kV. No meio do pino de contato e da câmara de arco

Uma distinção é feita entre o tipo de extinção de arco :

  • Disjuntor com cancelamento de ponto zero
  • Disjuntor com limitação de corrente de curto-circuito.

Exclua o chamado inibidor de zero no cruzamento zero do AC -Schaltlichtbogen. No caso de disjuntores com limitação de corrente de curto-circuito, a corrente de curto-circuito de surto é limitada a uma corrente direta menor. A abertura rápida das peças de contato é realizada na faixa de baixa tensão através do bloqueio do interruptor . O arco é extinto em uma câmara de deion . Existem também outros mecanismos de desligamento, como B. uma armadura de queda ou o acionamento pela força de duas peças de contato transportadoras de corrente paralelas.

Agente Extintor

Linha de disjuntores SF 6 em um quadro de distribuição externo
Mudanças de óleo de caldeira mais antigas em um painel externo (foto de 1942)

No caso de disjuntores na faixa de alta tensão - essas chaves pertencem ao grupo de chaves de alta tensão - vários meios de extinção podem ser usados ​​para extinguir o arco que ocorre durante a comutação. Os seguintes meios de extinção são usados ​​em diferentes tipos de disjuntores de alta tensão.

ar

Botão de jato de ar livre

O ar comprimido é comprimido a uma pressão de 30 bar por meio de um sistema de geração, armazenamento e distribuição de ar comprimido e, durante o processo de comutação, garante que os arcos sejam soprados por bicos apropriados. O ar foi limpo, comprimido e desumidificado por esses sistemas de tratamento.

Na tecnologia ao ar livre, o ar ambiente ainda é usado hoje para isolá-lo e como meio de extinção. Em comparação com disjuntores isolados com gás inerte, isso leva a uma necessidade de espaço maior, uma vez que a capacidade de extinção do ar é menor.

Gás isolante SF 6

O gás hexafluoreto de enxofre ( SF 6 ) é usado na tecnologia de disjuntores como um gás isolante para extinguir arcos que ocorrem quando o disjuntor é comutado. É adequado para isso devido à sua alta resistência elétrica e alta condutividade térmica. Além disso, após a dissociação no arco de combustão, apresenta boa capacidade de recombinação. Desta forma, os portadores de carga livre no caminho de comutação são rapidamente eliminados e o endurecimento por tensão ocorre mais rapidamente. SF 6 é usado para altas capacidades de interrupção em chaves de pistão, enquanto chaves auto-soprantes são usadas para capacidades médias de interrupção . SF 6 é o gás de efeito estufa mais poderoso conhecido .

óleo

Até por volta de 1940, o óleo era usado em um tipo de troca de óleo, a troca de óleo da caldeira. Desde 1975, os interruptores de óleo foram e estão sendo substituídos pelos disjuntores SF6 mais potentes e eficientes. A partir da década de 2010, os disjuntores de baixo nível de óleo ainda podem ser encontrados em redes de alta tensão.

No caso de interruptores de óleo, a alta temperatura do arco transforma parte do óleo nas câmaras de arco em um gás. A pressão do gás cria um fluxo de óleo que extingue o arco. No caso de pequenas potências de comutação, o menor fluxo de óleo foi suportado por um efeito de bombeamento. Este tipo de interruptor pode, por exemplo, B. alternar uma corrente de 4 kA a uma tensão de 240 kV. Com tensões de chaveamento mais baixas, as correntes de chaveamento são significativamente mais altas.

vácuo

No caso de vacuostatos, os contatos estão sob vácuo para evitar um arco elétrico. Essas chaves são preferidas para quadros de distribuição de média tensão com tensões de até aproximadamente 40 kV.

Princípios de mudança

Os princípios de chaveamento dos disjuntores individuais diferem essencialmente em seu projeto. Disjuntores encapsulados e não encapsulados, que muitas vezes estão disponíveis como painéis em combinação com outros dispositivos de alta tensão, como aterramentos de trabalho e isoladores, transformadores de tensão e corrente, drives, eletrodos de aterramento de alta velocidade à prova de curto-circuito e alimentadores de barramento , já estão disponíveis. A seguir, no entanto, apenas o meio isolante e extintor do disjuntor real será explicado, uma vez que este meio pode variar dentro de um campo, que é frequentemente referido coloquialmente como um disjuntor.

Células de chaveamento para 20 kV em uma subestação

Chaves não encapsuladas

Chaves não encapsuladas são disjuntores que não são protegidos do ar circundante. Eles podem estar localizados ao ar livre ou em painéis de controle. A falta de blindagem significa que o único meio de extinção que pode ser usado aqui é o ar.

Interruptores isolados a ar

Chaves isoladas a ar (Inglês: Aparelhagem isolada a ar , AIS para abreviar ) são disjuntores que extinguem um arco devido ao comprimento do movimento de comutação dos contatos. Esses movimentos de chaveamento dependem do nível de tensão em que a chave é usada. Em áreas internas, AIS de até 20 kV de tensão nominal são normalmente usados. Níveis de tensão mais altos são comutados em disjuntores encapsulados ou em interruptores externos .

Interruptor externo

Os interruptores externos separam uma linha ativa, separando os dois contatos. A distância é projetada de forma que o canal de plasma do arco se quebre mesmo com alta umidade. Isso pode significar que, dependendo do nível de tensão, essa distância de isolamento pode ser de vários metros. Portanto, esses sistemas são principalmente ao ar livre ("ao ar livre").

Chaves encapsuladas

O disjuntor do gerador isolado a gás comprimido na usina nuclear de Krümmel foi inaugurado para fins de manutenção

Chaves encapsuladas são disjuntores protegidos do ambiente por um sistema de tubos, caixas e invólucros. Essa blindagem também possibilita o uso de meios diferentes do ar ambiente para extinguir o arco.

Interruptor de gás comprimido / interruptor de 2 câmaras

Aqui, o ar é usado como agente extintor do arco. O ar geralmente também é usado para operar o switch. É ligado ou desligado com alta pressão. O tempo de comutação dos contatos é muito curto devido à alta pressão. Ao desligar, há também o fato de que o comprimento do arco resultante é traçado pelo fluxo de ar até que se rompa (uma vez que a tensão sobre este comprimento não é suficiente para permitir a existência do arco). Esses interruptores eram preferidos quando precisavam ser ligados ou desligados com frequência. Os interruptores de gás comprimido quase não são usados ​​há várias décadas devido ao alto nível de geração de ruído. Eles foram amplamente substituídos por interruptores auto-infláveis ​​ou interruptores de fluxo - principalmente com gás SF 6 .

Chave de pistão de sopro

Nos interruptores desenvolvidos de acordo com o princípio do pistão de sopro, a unidade extintora consiste em um contato fixo e no contato móvel do cilindro de sopro. Durante o movimento de desligamento, o volume do cilindro de sopro é continuamente reduzido e, portanto, a pressão do gás fechado aumenta até que o contato fixo e móvel se separem. A separação dos contatos cria um arco, que resulta em um novo aumento na pressão do gás. No entanto, a compressão principal do gás é feita pelo acionamento do interruptor. Se a pressão for alta o suficiente, o gás comprimido pode fluir para fora e, por meio do movimento do fluxo, retirar energia do arco e, finalmente, soprá-la. A formação dos dois contatos como contatos do bico resulta em um fluxo ideal e propriedades de extinção.

Interruptor de sopro automático

A pressão de extinção necessária para o interruptor de sopro é gerada durante o movimento de desligamento, como é o caso do interruptor de sopro do pistão. Porém, a energia do arco é usada intensamente aqui no chamado volume de aquecimento para aumentar a pressão do gás isolante. Como resultado, o acionamento do interruptor de sopro automático só precisa usar a energia para o movimento de comutação do interruptor e apenas de forma insignificante para comprimir o gás isolante e extintor. Isso resulta em uma economia de energia de cerca de 80%, o que significa que o inversor também pode ser projetado de forma pequena. Exemplos desse tipo de disjuntor são os quadros de distribuição isolados a gás , que estão disponíveis na forma modular como painéis.

Interruptor de fluxo

Os fluxostatos são oferecidos para todas as tensões alternadas (atualmente até 765 kV, em breve até 1100 kV) na rede de extra-alta tensão . As correntes de interrupção máximas permissíveis típicas estão na faixa de 25–63 kA, em casos especiais também de 80 kA e mais. Já há algum tempo , o gás hexafluoreto de enxofre (SF 6 ) tem sido usado cada vez mais no lugar do petróleo .

literatura

Evidência individual

  1. ↑ a b Adolf J. Schwab: Sistemas de geração de energia elétrica, transporte, transmissão e distribuição de energia elétrica. 3ª edição revisada, Springer Verlag, Berlin-Heidelberg-Dartredt-London-New York 2012, ISBN 978-3-642-21957-3 .
  2. ↑ a b c Wilfried Knies, Klaus Schierack: Tecnologia de sistemas elétricos; Centrais elétricas, redes, aparelhagem, dispositivos de proteção. 5ª edição, Hanser Fachbuchverlag. 2006 ISBN 978-3-446-40574-5 .
  3. ↑ Ernst Hörnemann, Heinrich Hübscher: Formação especializada em engenharia elétrica em eletrônica industrial. 1ª edição. Westermann Schulbuchverlag GmbH, Braunschweig, 1998, ISBN 3-14-221730-4 .
  4. ↑ a b c d Theodor Schmelcher: Manual de baixa tensão, informações de planejamento de projeto para quadro, quadro de manobra e quadros de distribuição. 1ª edição, Siemens Aktiengesellschaft (Abt. Verlag), Berlin e Munich, 1982, ISBN 3-8009-1358-5 .
  5. ↑ Noções básicas de tecnologia de comutação de baixa tensão. Siemens AG, 2008, p. 336 , acessado em 1 de março de 2014 (capítulo Critérios de seleção para quadro de baixa tensão , tabela de distribuição com fusíveis e disjuntores . Vários disjuntores Siemens e símbolos de suas curvas características. Com 3WN, por exemplo, o retardo dependente da corrente (a) e as características de liberação de curto-circuito eletromagnético instantâneo ajustáveis. Veja também com relé de sobrecarga na página 333).
  6. ↑ a b c d Hans-Günter Boy, Uwe Dunkhase: O exame de mestrado em tecnologia de instalação elétrica. 12ª edição, Vogel Buchverlag, Oldenburg and Würzburg, 2007, ISBN 978-3-8343-3079-6 .
  7. ↑ a b Réne Flosdorff, Günther Hilgarth: Distribuição de energia elétrica. 4a edição, Verlag BG Teubner, 1982, ISBN 3-519-36411-5 .
  8. ^ Klaus Tkotz, Peter Bastian, Horst Bumiller: Engenharia elétrica. 27ª edição revisada e ampliada, Verlag Europa-Lehrmittel Nourney Vollmer GmbH & Co. KG, Haan Gruiten 2009, ISBN 978-3-8085-3188-4 .
  9. ^ A. Senner: Engenharia elétrica. 4ª edição. Verlag Europa-Lehrmittel, 1965.
  10. ^ Günter Springer: Engenharia elétrica. 18ª edição, Verlag Europa-Lehrmittel, Wuppertal, 1989, ISBN 3-8085-3018-9 .
  11. ↑ interruptor de gás comprimido, ABB Management AG, Baden, Aargau, CH, documento de identificação DE4427163A1 8 de fevereiro de 1996 Online (acessado em 4 de junho de 2012).
  12. ↑ Interruptor de gás de pressão elétrica, Mitsubishi Denki KK, Tóquio / Tóquio, JP, documento de identificação DE2811509C3 24 de junho de 1993 online (acessado em 4 de junho de 2012).
  13. ^ Pedido de patente europeia do interruptor de pistão EP 0 039 096 A2 Online (acessado em 4 de junho de 2012).
  14. ↑ Interruptor auto - inflável Pedido de patente europeia nº EP 2 299 464 A1 Online (acessado em 4 de junho de 2012).