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    Avaliao e Reduo das Degradaes emContatos Eltricos

    M. J. Pereira, FURNAS e E. S. Costa, CEPEL

    M.J. Pereira trabalha em FURNAS CENTRAIS ELTRICAS S.A (e-mail: marciajp@furnas.com.br)E.S. Costa trabalha no Centro de Pesquisas de EnergiaEltrica (e-mail: eleilson@cepel.br)

    RESUMOEste documento apresenta o estudo e desenvolvimento de umametodologia aplicada na avaliao e identificao das degra-daes de contatos eltricos de disjuntores, tipo PK, de fabri-cao Alsthom aplicados nas tenses de 345 kV a 800 kV.Foram realizados ensaios eltricos e mecnicos os quais de-monstraram serem amplamente aplicveis, fornecendo resul-tados potencialmente utilizveis para a reduo das degrada-es, eliminao da importao e tempo de espera de reposi-o desses contatos.

    PALAVRAS-CHAVEContatos eltricos, disjuntores, ensaios.

    I. INTRODUOA necessidade de substituio de contatos eltricos

    desgastados em disjuntores tem onerado as concessionri-as em seus custos de manuteno. Muitos dos disjuntoresj no so produzidos pelos fabricantes, o que dificulta aaquisio dos contatos de reposio. Paralelamente, a pos-sibilidade de extenso de vida til dos contatos correspondediretamente ao prolongamento da vida til dos disjuntores,podendo-se estender os perodos de reviso geral e suasubstituio.

    O objetivo desse relatrio apresentar os resultadose concluses obtidos atravs dos ensaios laboratoriais emprottipos de contatos eltricos de disjuntores a ar com-primido, tipo PK, de fabricao Delle Alsthom, aplicadosnas tenses de 345kV a 800kV.

    Estes ensaios foram realizados dentro do escopo doprojeto de pesquisa 1110 Avaliao e Reduo das De-gradaes em Contatos Eltricos de Disjuntores, onde fo-ram pesquisados o tempo de vida til e os mecanismos dedegradao de contatos eltricos, aplicados a disjuntoresde alta tenso. Como resultado, foi levantado um conjuntode critrios para fabricao / recuperao dos contatos quebuscam no s melhorar a qualidade e o desempenho emservio destes componentes, mas tambm a extenso desua vida til.

    II. HISTRICOEste projeto de pesquisa, foi dividido em duas fases,

    na primeira fase foram ensaiados dois contatos mveis edois conjuntos de molas corrugadas, fabricados pela OMG,dentro da especificao solicitada.

    Em funo dos resultados desta primeira fase foi des-cartada a fabricao das molas corrugadas e decidiu-se pelapossibilidade de recuperao dos contatos fixos e mveis.

    Houve a redefinio do projeto e o seu enquadramentono mbito de projetos P & D, quando foram estabelecidosos seguintes marcos previstos para serem cumpridos emduas etapas:

    A. 1 etapa Elaborao de procedimentos operacional e de seguran-

    a para o projeto; Projeto e construo de dispositivo para os ensaios de

    operaes mecnicas; Recuperao de 8 contatos com diferentes caractersti-

    cas construtivas, executada pela OMG; Ensaios de operaes mecnicas em vazio dos protti-

    pos, temperatura ambiente, com medies peridicasde resistncia eltrica de contato; Ensaios de elevaode temperatura;

    Seleo dos contatos a serem submetidos aos ensaios deinterrupo; Ensaios de interrupo de corrente de curtocircuito com medies de resistncia eltrica de contato;

    Ensaios de operaes mecnicas em vazio, temperatu-ra ambiente, com medies peridicas de resistncia el-trica de contato; Ensaios de elevao de temperatura;

    Ensaios de condutividade; Anlise metalogrfica; Anlise por disperso de energia

    de raio-x; Ensaio de dureza e Medio da camada deprata (revestimento).

    B. 2 etapa Anlise e seleo dos contatos com melhor desempenho

    para confeco de prottipos com caractersticas construti-vas padro do processo de recuperao e de fabricao;

    Comprovao do desempenho dos novos contatos recu-perados e fabricados (prottipos padro) atravs da re-petio da mesma seqncia de ensaios, medies e an-lises da primeira etapa.

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    III. DESCRIO DOS ENSAIOSREALIZADOS

    A. Ensaios de operaes mecnicas em vazio, temperatura ambiente

    Estes ensaios foram definidos com a finalidade de ve-rificar a degradao dos contatos recuperados / fabricadosfrente a um grande nmero de operaes sucessivas e ba-seado no fato de que se espera, para contatos de disjuntoresa ar comprimido, uma vida til mdia de, pelo menos, 2000operaes.

    Foi realizado um total de 2000 operaes mec-nicas (ciclos fecha-abre) com intervalo de 1min entrecada ciclo, sendo 1000 antes e 1000 aps os ensaiosde interrupo de corrente, em cada um dos contatosselecionados. Estas operaes em vazio foram reali-zadas com um dispositivo construdo especialmentepara este ensaio.

    Todos os contatos submetidos a estes ensaios tive-ram suas quatro faces identificadas e fotografadas a cada200 operaes.

    Atravs de anlise visual, efetuada a cada 100 opera-es, foram verificados os seguintes aspectos: a partir deque nmero de operaes comea a haver degradao maissevera do contato, como se comporta quanto adernciada camada de prata e qual estado geral do contato. Estasobservaes, sempre que pertinentes, foram registradas emtabelas de acompanhamento do processo.

    B. Ensaios de resistncia eltrica de contatoDurante os ensaios de operaes mecnicas em va-

    zio, a cada 100 ciclos, foram realizadas as medies deresistncia eltrica em 4 faces de cada contato.

    Durante os ensaios de interrupo de corrente decurto circuito, tambm foram efetuadas medies de re-sistncia eltrica, de acordo com a figura 1, a cada 2interrupes.

    D. Ensaios de interrupo com corrente de curto-circuito de 24 kA em 12 kV

    Os ensaios de interrupo de corrente foram reali-zados com a finalidade de verificar o desgaste dos con-tatos frente s solicitaes trmicas e dinmicas presen-tes na abertura de uma corrente de curto-circuito. Deveser ressaltado que o ensaio realizado no se configuracomo um ensaio de interrupo nos valores nominais dacmara do disjuntor (105 kV 24 kA). No entanto, comoo tempo de arco do disjuntor sob investigao se situaentre 4 e 10ms, para condies de abertura simtrica, eentre 10 e 14ms, em condies de abertura assimtrica,as aplicaes foram representativas das solicitaes tr-micas e dinmicas reais impostas cmara na aberturade uma falta na rede.

    O circuito de ensaio utilizado tpico para ensaiossintticos, compreendendo somente a fonte de potn-cia. A tenso de 12 kV utilizada no ensaio, deveu-se aofato da limitao da potncia de curto-circuito que olaboratrio de Alta e Mdia Potncia do CEPEL podesolicitar do sistema para ensaios monofsicos. Essa li-mitao de potncia, frente a um dispositivo de capaci-dade de interrupo elevada, caso da cmara sob en-saio, faz com que a corrente interrompida sofra defor-mao, levando a uma reduo da amplitude da corren-te e uma correspondente reduo da energia de arco.Nos ensaios realizados essa reduo ficou em torno de5% e foi considerada aceitvel.

    Durante os ensaios foram registrados os sinais decorrente e tenso nos terminais do disjuntor e, a partirdesses, foi calculada a energia desenvolvida durante a in-terrupo. O tempo de arco medido a partir do instantede incio da rampa de energia. A energia calculada, quecompreende integral do produto da tenso e correntedurante o perodo de arco, foi utilizada como parmetroauxiliar na avaliao da degradao dos contatos duranteas interrupes.

    Foram realizadas 10 operaes de abertura sob con-dies de corrente simtrica (componente contnua dacorrente de curto-circuito menor que 20%) e 10 opera-es de abertura sob condies de corrente assimtrica(componente contnua da corrente de curto-circuito iguala 50%). As condies de corrente simtrica ouassimtrica foram obtidas por meio da atuao de chavede fechamento sncrono. A figura 3, mostra o circuitode ensaio utilizado.

    C. Ensaios de elevao de temperaturaOs ensaios de elevao de temperatura foram baseados

    nas prescries das normas IEC 56-87 (1) e IEC 694-90(2), tendo sido realizados antes e aps os 1000 e 2000 ciclosde operaes mecnicas de fechamento e abertura a vazio.

    O ensaio consistiu na circulao da corrente nominal dodisjuntor (2000A) durante o tempo necessrio para ser atingi-da a temperatura de estabilizao em todos os pontos do con-junto de medio. Por limitaes operacionais o ensaio foirealizado com os conjuntos de contatos fora da cmara.

    A figura 2, mostra os pontos de medio adotados.

    FIGURA 2. Detalhe dos pontos de medio de temperaturaantes do encaixe dos contatos

    FIGURA 1. Medio de resistncia eltrica vista dos terminaisdo disjuntor

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    E. Ensaios de condutividade eltricaFoi efetuada a medio da condutividade IACS no

    cobre dos contatos, sem a camada de prata. A condutividadeeltrica do contato funo da condutibilidade eltrica domaterial. A condutibilidade uma propriedade inerente domaterial, servindo, portanto, para revalidar os resultadosda anlise qumica.

    F. Anlise metalogrficaOs contatos sob anlise foram cortados transversal-

    mente e embutidos com resina epox isolando para anlise asuperfcie do cobre, do revestimento de prata e da interfaceentre ambos. As amostras foram desbastadas por meio delixas com granulao de 200mm, 400mm e 600mm e poli-das com pastas de diamante com granulometria de 6-12mme 0-2mm, at a eliminao dos riscos superficiais. Em se-guida, as amostras foram atacadas com 7,5ml de soluode dicromato de potssio (4g de k2Cr2O7 + 16ml deH2SO4 + 4ml de NaCl saturada + 200ml de H2O), de for-ma a revelar a estrutura metalogrfica (microestutura) domaterial base da amostra (cobre), bem como a qualidadeda interface material base/revestimento.

    Esta anlise possibilitou uma visualizao geral da es-trutura metalogrfica dos contatos eltricos confirmando-se, dentre outros, as diferentes durezas medidas dos mate-riais. A figura 4 mostra dois exemplos de microestruturados contatos ensaiados.

    G. Anlise por disperso de energia de raio-xOs contatos foram observados em um equipamento

    analisador por disperso de ener