A sobretensão gerada quando os disjuntores a vácuo trocam bancos de capacitores é um problema comum e significativo em sistemas de energia que requer muita atenção. Essa sobretensão pode representar uma ameaça ao isolamento dos capacitores, dos disjuntores e de todo o sistema. A seguir está uma análise sistemática deste problema e possíveis soluções:
Análise das Causas da Geração de Sobretensão
A principal razão pode ser atribuída à interação entre as características de interrupção dos disjuntores a vácuo e as características de armazenamento de energia dos bancos de capacitores, que se manifesta especificamente como:
1. Corrente de partida de comutação e sobretensão de operação
2. Mecanismo: No momento do fechamento, a tensão no banco de capacitores é zero, enquanto a tensão do sistema está em um determinado valor instantâneo. A grande diferença de tensão entre os dois causa uma corrente de partida de alta-frequência com amplitude e alta frequência muito grandes (até várias a dezenas de vezes a corrente nominal).
Impacto: a corrente de pico de-alta frequência gera uma queda de tensão de alta-frequência na impedância do sistema, que pode ser sobreposta à tensão de frequência de energia para formar uma sobretensão de operação. No caso de vários bancos de capacitores operando em paralelo, quando outro banco de capacitores é conectado a um banco de capacitores carregado (ou sistema), a diferença de tensão pode ser ainda maior e os problemas de corrente de partida e sobretensão tornam-se mais graves.
Sobretensão de comutação (problema principal)
Esta é a fonte de sobretensão mais típica e desafiadora quando disjuntores a vácuo são usados para chavear capacitores, principalmente relacionada às características de interrupção do meio a vácuo:
Corte de corrente: A estabilidade do arco de vácuo é fraca. Em correntes baixas (como abaixo de dezenas de amperes), o arco pode extinguir-se repentinamente antes que a corrente cruze naturalmente zero, o que é conhecido como "corte de corrente". A energia do campo elétrico (a carga do capacitor) correspondente à corrente cortada (principalmente corrente capacitiva) não pode ser liberada imediatamente, resultando em uma sobretensão transitória de corte de corrente no capacitor que é superior à tensão do sistema.
Sobretensão de reativação múltipla (a mais perigosa): Esta é a forma mais grave de sobretensão.
Primeiro reajuste: Após a abertura do disjuntor, a folga do contato aumenta gradualmente. Quando a tensão residual no capacitor (CC ou baixa{1}}frequência) está na direção oposta à tensão de alimentação do sistema, a tensão de recuperação entre os contatos pode exceder a resistência dielétrica de recuperação do intervalo de vácuo naquele momento, fazendo com que o intervalo seja quebrado e ocorra um novo ataque. No momento do novo ataque, a tensão no capacitor oscilará em direção à tensão de alimentação do sistema através da indutância do circuito.
Aumento de "passo" de tensão: o novo ataque gera uma corrente oscilante de-alta frequência. Os disjuntores a vácuo são particularmente adequados para extinguir arcos no cruzamento-do zero de correntes-de alta frequência. Se o arco for interrompido com sucesso no primeiro ou segundo cruzamento-de zero da corrente-de alta frequência, o capacitor será "travado" em um novo valor de tensão. Devido ao processo de descarga de reinício, este novo valor de tensão pode ser muito maior que a tensão antes do reinício.
Processo de repetição: À medida que a distância do contato continua a aumentar, a tensão de recuperação aumenta novamente e um segundo, terceiro ou mais reinícios podem ocorrer. Cada reinicialização pode causar um aumento "escalonado" na tensão no capacitor. Teoricamente, após vários reinícios, a sobretensão de pico em ambas as extremidades do capacitor pode atingir três vezes ou até mais que a tensão de fase do sistema.
Principais perigos causados por sobretensão
1. Para o próprio capacitor: a sobretensão ameaça diretamente o isolamento dos elementos do capacitor, acelera o envelhecimento do dielétrico e os efeitos-de longo prazo podem levar à quebra, causando a explosão do capacitor.
2. Para disjuntores a vácuo: Reacendimentos múltiplos podem gerar tensões de recuperação e correntes de reacendimento extremamente altas, intensificando o desgaste elétrico dos contatos e potencialmente causando danos ao isolamento do próprio disjuntor.
3. Para outros equipamentos do sistema: A sobretensão pode ser transmitida através das linhas, colocando em risco o isolamento dos transformadores conectados, transformadores de instrumentos, cabos e outros equipamentos.
4. Acionamento de operação incorreta ou falha na operação da proteção: o processo transitório de-alta frequência pode interferir na amostragem e no julgamento lógico de dispositivos de proteção-baseados em microcomputadores.
Soluções e medidas de supressão
As principais abordagens de solução giram em torno de "limitar a corrente de partida", "prevenir a reignição" e "absorver/limitar a sobretensão".
Otimize a seleção e uso de disjuntores.
1.Selecione disjuntores a vácuo "grau C2" ou "corte de corrente capacitiva dedicado": Esta é a medida mais fundamental e eficaz. Esses disjuntores foram verificados através de testes de tipo rigorosos e podem garantir que nenhuma religação ocorra ou que a probabilidade de religação seja extremamente baixa ao interromper a corrente capacitiva nominal. Seus materiais de contato, designs de campo magnético e processos de fabricação são otimizados para cargas capacitivas.
Evite usar disjuntores-de uso geral ou somente disjuntores testados "L75": os disjuntores-de uso geral podem atender aos requisitos de interrupção de cargas indutivas, mas não podem garantir o desempenho de interrupção para cargas capacitivas.
Garanta características mecânicas estáveis: Certifique-se de que a velocidade de abertura do disjuntor seja rápida e estável o suficiente para estabelecer rapidamente uma distância de abertura suficiente e aumentar a resistência de recuperação dielétrica.
2. Instalação de dispositivos de proteção contra sobretensão
Pára-raios de Óxido Metálico (MOA): Conectado em paralelo no início do banco de capacitores ou no lado do barramento, é uma configuração padrão para limitar a amplitude de sobretensão. Ele pode fixar a sobretensão a um nível seguro. O modelo apropriado com tensão operacional contínua adequada e tensão residual deve ser selecionado e instalado o mais próximo possível do banco de capacitores.
Circuito de absorção de amortecimento RC: um circuito de capacitor-resistor paralelo é instalado entre os contatos do disjuntor ou entre o banco de capacitores e o disjuntor.
Função: Reduzir a taxa de aumento da tensão de recuperação (du/dt); fornecer um caminho de baixa-impedância para a corrente-de alta frequência que pode ocorrer após a reinicialização e consumir sua energia; para suprimir a sobretensão de interrupção de corrente.
Chave de projeto: Os parâmetros (valores R e C) precisam ser calculados com base nos parâmetros do sistema para obter o melhor efeito de amortecimento.
3. Melhorar os métodos de operação
Adote interruptores síncronos (dispositivos de fechamento/desarme de seleção de fase): Ao controlar o disjuntor para fechar no momento em que a diferença entre a tensão do sistema e a tensão residual do capacitor for menor (como no cruzamento zero da tensão), a corrente de irrupção e a sobretensão no fechamento podem ser **bastante reduzidas**. Da mesma forma, também pode ser controlado para disparar precisamente no cruzamento zero da corrente, reduzindo o risco de interrupção da corrente. Esta é atualmente uma tecnologia avançada para suprimir sobretensões de operação.
Otimize a sequência de operação: Para bancos de capacitores paralelos, recomenda-se que a sequência de operação seja a seguinte: quando a energia estiver desligada, desconecte primeiro o disjuntor e depois a chave seccionadora; quando a alimentação estiver ligada, feche primeiro a chave de isolamento e depois o disjuntor. Evite operar capacitores carregados com a chave seccionadora.
4. Considerações-do lado do sistema
Reatores em série: Reatores em série com uma certa taxa de reatância (normalmente 0,5% a 1% para limitar a corrente de partida e 5% a 6% para suprimir a amplificação harmônica) são conectados no circuito do banco de capacitores.
Funções: Limitar a amplitude e frequência da corrente de partida; formar um ramo de filtro com capacitores; também pode alterar os parâmetros do processo transitório até certo ponto e afetar as condições de reinicialização.
Layout elétrico razoável: Encurte o comprimento da linha de conexão entre o banco de capacitores e o disjuntor, reduza o indutano do circuito
Resumo e sugestões
O problema de sobretensão causado por disjuntores a vácuo que comutam bancos de capacitores é fundamentalmente devido ao conflito entre as características de interrupção e reativação de corrente dos arcos a vácuo e as características de armazenamento de energia dos capacitores.
As estratégias de solução devem seguir a seguinte hierarquia:
1. Prevenção primeiro (abordando a causa raiz): Durante as fases de projeto e aquisição, apenas disjuntores de "grau C2" ou a vácuo projetados especificamente para comutação de bancos de capacitores que tenham sido certificados por órgãos competentes devem ser selecionados.
2. Proteção como blindagem (abordando os sintomas): Padronizar a configuração dos pára-raios de óxido metálico (MOA) como última linha de defesa contra sobretensão.
3. Otimização como medida auxiliar (aumento de eficiência): Dependendo da importância e orçamento do projeto, considerar a instalação de circuitos de amortecimento RC, chaves síncronas e configuração racional de reatores em série.
4. Operação e manutenção como base: Inspecione regularmente as características mecânicas dos disjuntores e o status dos pára-raios e siga rigorosamente os procedimentos operacionais corretos.
Na engenharia prática, uma comparação técnica e económica deve ser feita tendo em conta factores como o nível de tensão do sistema, a capacidade do banco de condensadores, o modo de operação e o custo, para seleccionar uma ou mais medidas de supressão combinadas para garantir a operação segura e fiável do sistema.
Disjuntor a vácuo interno miniaturizado ZN85B-40.5
Disjuntor a vácuo interno miniaturizado ZN85B-40.5é um produto miniaturizado de 40,5kV projetado e desenvolvido por nossa empresa. Ele pode substituir perfeitamente os carrinhos de piso das séries VD4-40.5 e HD4-40.5 produzidos pela ABB. Esta série inclui principalmente duas séries: mecanismo de ímã permanente e mecanismo de mola. É um componente de painel interno de tensão nominal de 40,5KV, AC 50HZ.
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