Dispositivo Limitador de Corrente de Curto-Circuito - Pirotécnico

Olá pessoal, tudo bem? Iniciando mais um ano com a esperança de dias com paz, amor, harmonia e muita saúde para todos nós.

No primeiro artigo de 2018, vou escrever sobre um dispositivo de proteção de circuitos elétricos: o IS Limiter (para quem gosta de inglês) ou, simplesmente, o Limitador de Corrente de Curto-Circuito. Antes de escrever sobre o assunto propriamente dito, é preciso reforçar que não devemos bobear com eletricidade. A tensão elétrica pode estar presente em fios e em circuitos, e precisamos ter a certeza de que os mesmos estejam desenergizados antes de qualquer tipo de intervenção. Além disso, devemos praticar a NR-10 (Segurança em Instalações e Serviços em Eletricidade). A corrente elétrica, ao atravessar o corpo humano e a depender de sua intensidade, pode ser fatal. Portanto, devemos tomar cuidado.

Sigamos em frente........

A área de Eletricidade tem vivido momentos de grandes mudanças, de uma maneira genérica, tanto aqui no Brasil como no mundo. Trata-se de processos de reestruturação, de modo a tornar as empresas mais competitivas e mais modernas. Empresas de geração, de transmissão e de distribuição de energia elétrica buscam criar novos modelos que gerem mais confiabilidade operacional de seus sistemas. Até mesmo as empresas de comercialização de energia elétrica voltam seus esforços para este fim. Desta forma, é possível verificarmos que está em prática um modelo chamado de desverticalização. 

O que significa desverticalização? É a separação ou desconexão dos segmentos de geração, transmissão, distribuição e comercialização de energia elétrica. Os segmentos de geração e comercialização possuem livre competição, enquanto os segmentos de transmissão e distribuição possuem uma regulação técnica e econômica regida pela Agência Nacional de Energia Elétrica (ANEEL) aqui no Brasil. E este processo de reestruturação trouxe um grande desafio para as operadoras do sistema elétrico. Com o leilão das linhas de transmissão, novas fontes, por exemplo termoelétricas, se instalam na rede elétrica existente, aumentando os níveis de corrente de curto-circuito, podendo atingir valores que o próprio sistema elétrico não possa suportar.

Quem aparece para ajudar na solução do problema? Quem? Quem?

Sim, eles. Os Dispositivos Limitadores de Corrente de Curto-Circuito (DLCC). Os DLCCs têm como objetivo a limitação das correntes de curto-circuito, em tempos extremamente rápidos. Um detalhe importante: esta proteção refere-se aos valores das correntes de curto-circuito SUPERIORES às características nominais dos sistemas elétricos os quais o DLCC esteja instalado. Correntes de curto-circuito abaixo destes valores, cabem aos disjuntores a função de desligar o sistema elétrico. Uma grande vantagem destes dispositivos está no fato de limitar, e muito, a corrente de curto-circuito que poderia danificar todo sistema elétrico. Os DLCCs mais comercializados são os de Reator com núcleo de ar, os pirotécnicos e os baseados em conversores de fornte de corrente. Os dispositivos baseados em supercondutores e em chaves eletrônicas estão em fase de estudos e desenvolvimento. Uma outra solução para o problema é a recapacitação ou substituição dos equipamentos obsoletos, tecnologicamente falando. Esta segunda opção, gera um efeito indesejável que é a inoperância de sistemas por um longo tempo, até a substituição dos equipamentos em questão.

Ao escolhermos estes dispositivos, devemos considerar as seguintes características:

• Baixo custo;
• Alta confiabilidade no funcionamento por longos períodos;
• Manutenção reduzida;
• Baixa impedância para as correntes de carga (em condições normais de operação) e alta impedância para correntes de curto-circuito;
• Rápida velocidade de resposta do regime normal para o regime limitador; e
• Dimensões reduzidas, o que facilita e instalação em sistemas elétricos existentes.

Vou abordar o dispositivo limitador pirotécnico que foi utilizado pela primeira vez nos anos 50, mas somente nos anos 90, as indústrias brasileiras passaram a adotá-lo. É um dispositivo capaz de interromper a passagem de corrente elétrica, corrente de curto-circuito elevada, em tempos extremamente rápidos, algo em torno de um quarto de ciclo de uma forma de onda senoidal. Esta rápida atuação pode evitar que sistemas elétricos sejam danificados para corrente de curto-circuito elevada. Elementos de proteção com atuação mecânica, como disjuntores, não são capazes de interromper a passagem de correntes elétricas tão elevados em tempos tão curtos. É composto por um cilindro isolante que contém um condutor principal e uma carga explosiva. Este cilindro é disposto em paralelo com um fusível (Figura 1).

Fig. 1: Esquema de um DLCC Pirotécnico típico
Fonte: o autor 

Como ele funciona?

Em condições normais de operação, a corrente do circuito atravessará o condutor principal que está dentro do cilindro isolante. Neste condutor, há um estrangulamento no qual encontra-se a carga explosiva. A quantidade de estrangulamentos dependerá da quantidade de cargas explosivas que o fabricante dispõe. Em condições de anormalidade, a carga explosiva é acionada por sensores, localizados no próprio condutor principal (barra), alimentandos por um transformador de corrente (TC), quando a corrente aumenta bruscamente em função de um curto-circuito. A corrente é, então, desviada para a câmara em paralelo que contém um elemento fusível capaz de atuar e interromper correntes de curto-circuito com valores de até 210 kA (depende do fabricante do dispositivo), extinguindo esta corrente em menos de um quarto de ciclo. Uma vez ocorrido os fatos relatados, somente haverá passagem de corrente elétrica no circuito após a substituição do DLCC.

Vamos ver a explicação do funcionamento de forma esquemática? É mais fácil de aprender. Vou simular uma condição de falha no sistema elétrico com um curto-circuito. As figuras a seguir (todas tem como fonte o autor), demonstram os instantes antecedentes à atuação do DLLC. Vejam a seguir.

Na Fig. 2, o sistema elétrico está operando normalmente. A corrente de entrada do limitador está dentro dos parâmetros aceitáveis. Assim, a corrente circula pelo condutor principal, representado por uma chave de abertura rápida, e não pelo fusível. O transformador de corrente monitora a corrente de entrada, a fim de sentir variações abruptas repentinas, oriundas de curto-circuito e o elemento explosivo está intacto.

 Na Fig. 3, ocorreu um curto-circuito, percebido pelo transformador de corrente (TC). Desta forma, um pulso de disparo é enviado ao elemento explosivo. A corrente na saída do DLLC começa a aumentar.

A Fig. 4 mostra o início da ignição do elemento explosivo, após o envio do pulso de disparo enviado pelo TC. Como o elemento explosivo é sólido, uma vez iniciada a ignição, não há como voltar.

 

A Fig. 5 mostra o momento em que há o rompimento do condutor principal, uma vez que o elemento explosivo está em atuação. Neste instante, surge um arco voltaico dentro da câmara isolante e a corrente é desviada para a câmara em paralelo que contém o fusível. A corrente de saída do DLCC atinge o valor máximo de proteção que é muito menor do que o valor que poderia atingir sem este dispositivo de proteção. 

Na Fig. 6, o elemento explosivo encontra-se totalmente atuado, o condutor principal rompido e o fusível em processo de fusão, a fim de proteger o sistema elétrico.

Encerrando-se o processo de proteção do sistema, em torno de um quarto de ciclo, muito rápido, a Fig. 7 mostra o fusível aberto (rompido), cessando a passagem da corrente elétrica pelo circuito. Este circuito voltará a operação quando um novo DLCC for instalado, em substituição ao dispositivo do simulado. 

Apenas para exemplificar com números, suponha que um disjuntor de 52 kA foi instalado em um circuito que tem o DLCC em estudo. Em havendo um curto-circuito, sem o dispositivo limitador, a corrente poderia atingir o valor de 120 kA, bem acima da capacidade do disjuntor, enquanto que, com o dispositivo pirotécnico instalado, esta corrente de curto-circuito poderia atingir 36 kA antes da atuação do dispositivo limitador. Este valor é inferior ao valor da corrente do disjuntor e muito inferior ao valor da corrente sem o DLCC.

Não devemos esquecer que este DLCC não elimina a necessidade de dispositivos convencionais de manobra dos circuitos elétricos, tais como chaves seccionadoras, disjuntores, entre outros. O DLCC somente será acionado em caso de o sistema elétrico correr o risco de se danificar em função de correntes muito superiores às correntes dos disjuntores, por exemplo. Como já escrevi, para correntes pequenas de curto-circuito, os disjuntores exercem sua função de interrupção das mesmas.

Para finalizar, quero deixar um alerta. As correntes aqui tratadas neste artigo, são na casa de 10³ A (kA). Correntes elevadíssimas! Lembra-se do disjuntor principal instalado na sua residência? É de 35 A ou 40 A? Aqui tratamos de correntes com valor mil vezes maior. Como escrevi no início deste artigo, não devemos bobear com eletricidade.

Tudo de bom e até o próximo artigo no Blog.