Disjuntores ABB para aplicação em corrente contínua

Disjuntores  ABB  para  aplicação  em  corrente contínua    1.   INTRODUÇÃO  Corrente continua, que já foi o meio principal para distribuir energia elétrica, é ainda muito utilizada em plantas elétricas em todo mundo, alimentando aplicações específicas.     Adicionalmente, corrente continua é usada em sistemas de conversão (instalações onde diferentes  tipos de energia são convertidas diretamente em energia elétrica como o de plantas fotovoltaicas) e, acima de tudo, em aplicações de emergências onde uma fonte de energia auxiliar é necessária para alimentar  serviços  essenciais,  tais  como  sistema  de  proteção  de  subestações,  iluminação  de emergência,  sistemas  de  alarmes,  centros  de  computação,  etc.  Acumuladores-  por  exemplo  –   constitui-se  na  fonte  de  energia  mais  confiável  para  estes  sistemas,  tanto  em  corrente  contínua diretamente como fornecimento para no-breaks alimentarem cargas em corrente alternada.   Este  Artigo  Técnico  de  Aplicação  pretende  explicar  aos  leitores  os  principais  aspectos  das aplicações mais importantes em corrente contínua e apresentar soluções ofertadas pelos  produtos ABB SACE. Maiores  informações  poderão  ser  lidas  no  Artigo  Técnico  original  em  inglês,  disponibilizado  pela internet Conhecer as características elétricas da corrente continua e suas diferenças em comparação com a corrente alternada é fundamental para entender como empregar produtos em corrente contínua. Por  definição,  acorrente  elétrica  chamada  “continua” possui uma  tendência  unidirecional  constante  ao longo do tempo.  As fontes que podem prover corrente continua são baterias ou dínamos, além de um processo de retificação é possível converter de corrente alternada para corrente contínua.  Entretanto  uma  corrente  continua  “pura”,   aquela  que  não  apresenta  uma  flutuação  periódica,  é  gerada  exclusivamente  por  baterias  (ou  acumuladores).  De  fato,  a  corrente  produzida  por  um dínamo  pode  apresentar  pequenas  variações  a  fazem  não  ser  constante  no  tempo,  apesar  de,  do ponto  de  vista  prático,  ela  é  considerada  como  corrente  contínua.  Em  Sistema  CC,  respeitar  a direção da corrente tem grande importância; logo é necessário conectar corretamente as cargas em função  das  polaridades.  Pois,  em  caso  de  uma  má  conexão,  problemas  operacionais  e  de segurança podem aparecer.  Em resumo, corrente contínua tem as seguintes características:  Pode ser gerada por:  -  Pelo  uso  de  baterias  e  acumuladores  onde  a  corrente  é  gerada  diretamente  por  um  processo químico; - Pela retificação eletrônica de uma fonte de corrente alternada (conversão estática); - Pela conversão de um trabalho mecânico em energia elétrica usando dínamos (produção através de maquinas rotativas).  Na baixa tensão, corrente continua é usado em diversas aplicações, que são divididas em 4 grandes famílias incluindo:  - Conversão em outras formas de energia elétrica (plantas fotovoltaicas, onde acima de tudo bateria acumuladora são largamente utilizadas); - Tração elétrica (trens, metrôs, carros híbridos ou totalmente elétricos, etc.); - Alimentação de serviços auxiliares ou de emergência; - Aplicações industriais particulares (processos eletrolíticos, automação etc.).        

2.  PRINCÍPIOS  DE  INTERRUPÇÃO  EM  CORRENTE  CONTÌNUA    Corrente continua apresenta diferentes problemas do que a corrente alternada do ponto de vista do fenômeno  associado  pela  interrupção  de  alto  valores  de  correntes,  pois  a  extinção  do  arco  é extremamente difícil. A Figura 1 mostra, que a corrente alternada tem uma passagem natural pelo zero a cada meio ciclo, sendo este o momento em que o arco elétrico é apagado. Com corrente continua isto não existe e então,  para  garantir  a  extinção  do  arco,  acorrente  deve  decrescer  a  zero  (forçando sua  passagem pelo  zero).  Isto  é  feito  com  a  tensão  de  arco  que  aparece  nos  polos  do  disjuntor  no  momento  da abertura  e  distância  entre  um  polo  e  outro  quando  o  disjuntor  permanece  aberto.       Portanto  para  garantir  a  abertura  de  uma  corrente  de  curto  circuito  num  sistema  CC  é  necessário aplicar disjuntores que garantam:  - Abertura rápida com capacidade de interrupção adequada; - Capacidade de limitação de altas correntes; - Redução do efeito de sobre tensão que aparece no momento da abertura. Aproveitando-se  das  características  construtivas  do  disjuntor,  abertura  rápida  e,  sempre  que necessário,  a  colocação  de  polos  em  série  poderemos  gerar  uma  tensão  de  arco,  interno  ao disjuntor, e essa tensão ajudará a reduzir a corrente a zero.     3.   TIPOS DE CIRCUITOS DE CORRENTE CONTÍNUA    Como explicado anteriormente, para interromper um curto-circuito em CC é necessário conectar os polos  do  disjuntor  de  maneira  correta.  Para  realizar  isso,  é  necessário  conhecer  a  forma  de aterramento  do  circuito.  Tal  informação  permite  avaliar  as  condições  de  uma  possível  falta  e  Corrente alternada  Corrente contínua 

consequentemente o tipo de conexão mais adequada em função das características necessárias ao funcionamento  (corrente  de  curto-circuito,  tensão  de  alimentação,  corrente  nominal  das  cargas, etc.). As páginas seguintes mostram esta informação fundamental para dois tipos de circuito CC:  - Descrição do circuito; - Comportamento das correntes de curto;    REDE ISOLADA DA TERRA   Este tipo de circuito representa a conexão mais fácil de se realizar, pois nenhuma conexão entre as polaridades  e  a  terra  é  feita.  Este  tipo  de  sistema  é  largamente  usado  onde  existem  dificuldades para realizar o aterramento, mas acima de tudo a continuidade de serviço é imprescindível, mesmo após a primeira falta para. Do  outro  lado,  quando  as  polaridades  são  aterradas,  esta  conexão  apresenta  risco,  pois  sobre tensões  perigosas  podem  ocorrer  entre  as  partes  condutoras  expostas  e  a  terra  devido  a eletricidade estática (que podem ser limitadas por sistemas de descargas).     Condições da falta numa rede isolada para a terra   Falta A:  A  falta  entre  as  duas  polaridades  a  corrente  de  curto  é  alimentada  pela  tensão  plena  U.  A capacidade de interrupção do disjuntor deve ser escolhida deve ser escolhida de acordo com o valor de corrente de curto-circuito relevante a cada falta.      Falta B:  A  falta  entre  uma  polaridade  e  a  terra  não  tem  consequências  do  ponto  de  vista  da  operação  da planta pois não existe um caminho de retorno para a corrente e consequentemente ela não circula.       Falta C:  Também  esta  falta  (como  em  B)  entre  a  polaridade  e  a  terra  não  tem  consequências  do  ponto  de vista de operação da planta.  

   Falha dupla (falta B + falta C):  Em  caso  de  falha  dupla  ,  como  mostrado  na  figura  abaixo,  a  corrente  pode  circular    e  achar  um caminho de retorno; neste caso, é aconselhável o uso de um dispositivo de sinalização da primeira  falta    a  terra  e  assim  a  falta  é  eliminada  ainda  no  seu  início  e  se  previne  a  ocorrência  de  uma segunda  falha  para  à  terra  vinda  da  outra  polaridade  e  consequente  parada  da  planta  devido  a abertura  do  disjuntor  ,  provocada  pela  corrente  de  curto-circuito  gerada  pela  conexão  das  duas polaridades para à terra.      Cuidados  Neste tipo de rede, a falha que afeta a versão e a conexão dos polos do disjuntor é a falta A (entre duas polaridades). Numa  rede  isolada  é  necessário  instalar  um  dispositivo  capaz  de  sinalizar  a  presença  da  primeira falta  à  terra  (vinda  somente  de  uma  polaridade  inicialmente)  para  que  seja  eliminada  e  evitar  os problemas que virão quando acontecer a segunda falta à terra (vinda da outra polaridade). De fato, no  caso  da  segunda  falta  à  terra,  o  disjuntor  tem  que  interromper  a  corrente  de  curto,  nas  piores condições possíveis, com tensão plena aplicada somente num polo e a geração da tensão de arco interno podendo ser insuficiente para extinguir o arco (veja a figura abaixo).       

REDE COM UMA POLARIDADE ATERRADA   Este tipo de rede é obtido pela conexão a terra de uma polaridade) tanto positive quanto negativa). Este tipo desconexão permite o aparecimento de sobre tensões devido a eletricidade estática que se descarregará para à terra.     Condições de falta numa rede com uma polaridade aterrada  (Nos exemplos seguintes a polaridade aterrada é a negativa)  Falta A:  A  falta  entre  as  duas  polaridades  a  corrente  de  curto  é  alimentada  pela  tensão  plena  U.  A capacidade de interrupção do disjuntor deve ser escolhida deve ser escolhida de acordo com o valor de corrente de curto-circuito relevante a cada falta.        Falta B:  A falta na polaridade não aterrada provoca uma corrente que passa pela proteção de sobre corrente cujo valor depende da resistência do solo.          Falta C:  A falta na polaridade não aterrada provoca uma corrente que passa pela proteção de sobre corrente cujo  valor  depende  da  resistência  do  solo;  tal  corrente  tem  um  valor  extremamente  baixa  pois depende da impedância do  solo e a tensão é quase zero  (pois a queda de tensão na carga reduz mais ainda este valor).      

    Cuidados  Com este tipo de rede, o tipo de falta que afeta a especificação do disjuntor e a conexão dos polos é a  falta  em  A  (entre  duas  polaridades)  ,  mas  é  necessário  levar  em  consideração  também  a  falta entre  a  polaridade  não  aterrada  e  a  terra  propriamente  dita  (  falta  B  )  desde  que  ,  como  descrito acima  ,  a  corrente  (com  o  valor  dependendo  também  da  impedância  do solo  e  consequentemente difícil  de  determinar)  possa  fluir  a  tensão  plena;  por  esta  razão,  todos  os  polos  do  disjuntor necessário para a proteção devem ser conectados em série na polaridade não aterrada.      4.   ESCOLHA DOS DISJUNTORES     Para  o  correto  dimensionamento  de  um  disjuntor  numa  rede  de  corrente  continua,  alguns parâmetros elétricos que caracterizam o próprio dispositivo devem ser considerados. Abaixo uma breve descrição destes parâmetros.   Tensão Nominal Ue  Representa o valor da tensão que determina a aplicação do equipamento e em função dela todos os outros parâmetros típicos são referidos.  Corrente nominal ininterrupta Iu  Representa  o  valor  de  corrente  que  o  equipamento  pode  suportar  por  um  tempo  indefinido.  Este parâmetro é usado para definir o tamanho do disjuntor.   Corrente nominal in  Representa o valor de corrente que caracteriza a unidade de desarmamento montada no disjuntor e determina como funciona a proteção do próprio disjuntor de acordo com os ajustes disponibilizados na unidade de desarmamento. Esta corrente é frequentemente referida a corrente nominal da carga protegida pelo disjuntor.  Capacidade de interrupção de curto-circuito em serviço Ics  A  capacidade  de  interrupção  de  curto-circuito  de  um  disjuntor  é  a  maior  corrente  de  falta  que  o disjuntor pode desligar em três operações de abertura e fechamento de acordo com uma sequência pre  -  determinada  (O  -  t  -  CO  -  t  –   CO)  numa  tensão  operacional  (Ue)  e  constante  de  tempo  especificados (para corrente contínua). Após esta sequência o disjuntor deve ser capaz de suportar sua corrente nominal.  Corrente nominal de curta duração admissível Icw  Ela  é  a  corrente  que  o  disjuntor  deve  suportar  passar  na  posição  fechada  durante  um  período  de tempo determinado e em condições pré-estabelecidas de uso e comportamento; o disjuntor deve ser capaz  de  suportar  esta  corrente  durante  a  presença  de  um  curto-circuito  e  seu  tempo  de desligamento promovido por outro disjuntor para garantir a seletividade entre os dois dispositivos em série.  Dimensionamento de disjuntor 

 Anteriormente as características principais do disjuntor foram definidas, que são necessárias para a escolha correta do disjuntor para garantir a proteção elétrica da instalação elétrica. Para proceder com o dimensionamento é necessário conhecer as seguintes características da rede:  - o tipo de rede que define a conexão dos polos do disjuntor de acordo com as possíveis condições da falha; -  a  tensão  nominal  da  instalação  (Un)  para  definir  a  tensão  de  operação  (Ue)  a  depender  da conexão dos polos verificando a relação: Un ≤  Ue;  - a corrente de curto- circuito da instalação no ponto onde será colocado o disjuntor (Ik) para definir a versão do disjuntor (dependendo da conexão dos polos) verificando a relação Ik  ≤  Icu (na tensão  de operação de referência Ue); -  a  corrente  nominal  absorvida  pela  carga  (Ib)  para  definir  a  corrente  nominal    (In)  do  disparador termo magnético dos dispositivos eletrônicos, sempre verificando a relação Ib ≤  In.    6.   OFERTA ABB     ABB SACE oferece a seguinte gama de produtos para proteção e desconexão para redes CC:  Disjuntores automáticos  Disjuntores  automáticos,  que  tem  a  função  de  proteção  contra  sobre  correntes  e  são  divididos  em três famílias:  Mini disjuntores   Para uso em corrente continua, tanto mini disjuntores da série S280 UC bem como da série S800S UC e S800 PV estão disponíveis. Mini disjuntores da série S280 UC estão de acordo com a norma IEC 60947-2 e diferem das versões padrões  pois  tem  elementos  magnéticos  permanentes  nas  câmaras  de  extinção  de  arco.  Tais elementos permitem que o arco elétrico seja quebrado em tensões equivalentes a V cc. A  presença  destes  elementos  magnéticos  permanentes  estabelece  uma  polaridade  no  disjuntor (positiva ou negativa); como consequência, sua conexão deve ser feita de acordo com a polaridade indicada no produto. Uma conexão incorreta de polaridade poderá danificar o disjuntor. Disjuntores  da  série  S280  UC,  versão  especial  para  aplicações  em  corrente  contínua  estão disponíveis nas curvas B, C, K e Z.        Para verificar as opções de conexão dos polos em função do tipo de rede e tensão de alimentação  deve ser consultada as tabelas no “ ABB Techical paper nr 5  “, disponível  na internet.    Diferente  do  S280  UC,  o  mini  disjuntor  da  série  S800S  UC  pode  ser  conectado  com  qualquer polaridade (+/-).   Para a série de disjuntores S800S UC as curvas disponíveis são a B e a  K e ambos tem correntes até 125A e capacidade de interrupção de  50kA.  

  Para verificar as opções de conexão dos polos em função do tipo de rede e tensão de alimentação  deve ser consultada as tabelas no “ ABB Techical paper nr 5  “ ,  disponível na internet.     A  série  de  produtos  S800  PV  inclui  dispositivos  que  podem  ser  usados  em  circuitos  CC  em  altas tensões, típicos de plantas fotovoltaicas (na seção entre os painéis solares e o inversor CC/AC). O S800PV-S prove máxima segurança mesmo no evento de uma polarização reversa, o S800PV-S pode oferecer Alta performance num tamanho reduzido. Os terminais intercambiáveis (para conexão de cabos ou barras) torna a instalação mais fácil. Adicionalmente, barramentos estão disponíveis para facilitar a conexão serial entre os polos. A chave desconectora S800PV-M é usada como a principal chave para Sistema fotovoltaicos  –  todo  o  lado  CC  pode  ser  isolado  com  segurança,  tanto  localmente  quanto  remotamente.  O  dispositivo tem características próprias  para aplicações de segurança. O desconector suporta  até  125A  numa temperatura  ambiente  de  até  60°C.  S800PV-M  garante  chaveamento  seguro  sob  carga  e  é habilitado para uso internacional.       Para verificar as opções de conexão dos polos em função do tipo de rede e tensão de alimentação  deve ser consultada as tabelas no “ ABB Techical paper nr 5  “ ,  disponível na internet.      Disjuntores caixa moldada  Disjuntores de caixa moldada da série SACE Tmax XT, conforme a norma IEC 60947-2 e equipado com unidade de desligamento termo magnética, estão divididas em quarto tamanhos básicos, com aplicações variando entre 1.6A a 250A e capacidade de interrupção variando entre 16 kA a 100 kA (em 250V CC com dois polos em série).  Os disjuntores caixa moldada disponíveis são:  - SACE Tmax XT  tipo XT1, XT2,  XT3  e XT4 equipados com  disparador TMD termomagnético com ajuste térmico (I1 = 0.7...1 x in) e magnético fixo (I3 =10x in); - SACE Tmax XT tipo XT2 e XT3 equipados com disparador TMG termomagnético com baixo ajuste magnético  para  proteção  de  cabos  longos,  provendo  ajuste  térmico  (I1  =  0.7...1  x.  In)  e  ajuste magnético fixo (I3 =3 x. In) ou ajustável (I3 =2.5...5 x. In); -  SACE  Tmax  XT  tipo  XT2  eXT4  com  disparador  TMA  termomagnético  com  ajuste  térmico  (I1  = 0.7...1 x. In) e ajuste magnético (I3 =5...10 x. In). Os disjuntores na versão tripolar XT2, XT3 e XT4 podem ser equipados com disparador magnético somente tipo MF ou MA.  

    Para verificar as opções de conexão dos polos em função do tipo de rede e tensão de alimentação  deve ser consultada as tabelas no “ ABB Techical paper nr 5  “ ,  disponível na internet.     Disjuntores a Ar  A série de disjuntor a ar Emax, que atende a norma IEC 60947-2, equipado com os disparadores de corrente  continua,  são  divididos  em  quarto  tamanhos,  com  aplicação  entre  800A  (com  disjuntor  E 1.1) a 5000A (com disjunto  E6.1) e capacidade de interrupção variando entre  35 kA a 100 kA (em 500VCC.).  Graças  a  sua  exclusive  tecnologia,  os  disparadores  eletrônicos  desenvolvidos  pela  ABB  SACE permitem  cobrir  qualquer  necessidade  de  instalação  e  realizar  funções  de  proteção  previamente exclusivas de aplicações CA. Os  disjuntores  da  série  Emax  para  corrente  continua  não  tem  dimensões  alteradas  e  usam  os mesmos acessórios mecânicos que a linha Emax para aplicações CA.        Para verificar as opções de conexão dos polos em função do tipo de rede e tensão de alimentação deve ser consultada as  tabelas no “ ABB Techical paper nr 5  “, disponível  na internet.     7.   CONCLUSÕES   Podemos observar que, cada vez mais, o uso de corrente contínua tem se tornado importante nas  instalações  elétrica,  principalmente  em  áreas  de  segurança  e  fotovoltaicas.  Por  isso  a correta aplicação de um sistema de proteção se torna fundamental. O conhecimento por parte dos  técnicos  de  como  dimensionar  adequadamente  poderá  tornar  estes  sistemas  mais confiáveis e garantir o bom fornecimento de energia elétrica para o utilizador. 

Para tal, se torna necessário que o técnico aprenda as diferenças entre o sistema CA e o CC, a maneira  de  como  se  comporta  uma  rede  CC  e  como  acontecem  suas  eventuais  falhas,  para dimensionar corretamente os disjuntores. Este artigo pode ser tomado como uma leitura inicial, a ser complementado com os detalhes necessários para esta correta aplicação.