Chaves seccionadoras, juntamente com os disjuntores, pertencem à classe dos equipamentos de manobra de uma subestação. Sua função é possibilitar a desenergização de trechos específicos do circuito quando forem necessárias intervenções diretas de manutenção em algum ponto ou manobras de contingência. Na posição fechada, as chaves seccionadoras devem manter a continuidade elétrica da linha e, eventualmente, proteger os demais equipamentos contra sobrecargas e correntes de curto circuito.
Dentro das subestações de energia, as chaves seccionadoras podem estar posicionadas em diversas regiões estratégicas do circuito elétrico, inclusive na parte inicial, próxima às torres de transmissão, como mostrado na Figura 4.9. Nesta figura também é apresentada a árvore de comando motorizado e, em destaque, as principais partes que constituem o componente.
Figura 4.9 – Detalhamento das partes de uma chave seccionadora. (Adaptado do catálogo DELMAR 2015, do grupo Hubbell Power Systems).
A chave seccionadora tem sua parte móvel basicamente formada por uma lâmina metálica, fixada em uma extremidade pelo mecanismo de articulação e tendo a extremidade oposta livre para permitir o acoplamento ou desacoplamento dos contatos. Essa parte da chave seccionadora, também denominada de parte viva, forma um caminho condutor eletricamente separado pelas colunas de isoladores, que têm a função de suportar as solicitações dielétricas e mecânicas do equipamento. Por fim, o conjunto é incorporado a uma base metálica, normalmente fabricada de aço laminado, que garante suporte mecânico e permite a fixação da chave seccionadora a outras estruturas. Cada caminho de passagem de corrente elétrica em uma chave seccionadora está associada a uma unidade básica, denominada pólo. São comumente encontradas nos catálogos de fabricantes chaves seccionadoras do tipo unipolar, bipolar e tripolar. Outra forma de classificação é com relação ao tipo de acionamento, no qual se inserem chaves
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seccionadoras com acionamento elétrico, pneumático, hidráulico e manual, sendo que as do último tipo são operadas com auxílio de uma vara de manobra.
Por fim, as chaves seccionadoras podem ser agrupadas quanto à forma de abertura dos contatos. Para esse tipo de classificação podem ser encontradas as seccionadoras de abertura lateral, central, vertical, e os seccionadores pantográficos e semipantográficos (SOUZA, 2002). Na Figura 4.10 estão reunidos alguns exemplares de chaves seccionadoras disponíveis no mercado, exemplificando as possíveis combinações das diferentes classificações existentes.
Figura 4.10 – Modelos diversos de chaves seccionadoras (Fonte: catálogo DELMAR 2015) Dentre os defeitos mais comuns que podem ocorrer nesse tipo de equipamento destacam-se a infiltração de umidade nos mancais e no mecanismo de acionamento, a deterioração do contato móvel devido à própria utilização da chave, falhas nos terminais de conexão com o sistema e o mau fechamento da lâmina de contato. Restringindo ao que pode ser analisado através das inspeções termográficas, as anomalias térmicas em chaves seccionadoras são normalmente identificadas nas proximidades do contato principal e articulação, regiões estas que serão foco na modelagem do processo de transferência de calor nesse trabalho.
Os motivos para aumento de temperatura nesses pontos podem ter justificativa desde o simples mau acoplamento das partes, até mecanismos mais complexos de formação e crescimento de camadas de óxido resultando em um aumento de resistência elétrica na interface. A limpeza periódica dos contatos e lubrificação das partes móveis são medidas cautelares que podem diminuir os efeitos do processo de oxidação, mas não os eliminam.
A modelagem matemática do aquecimento das chaves seccionadoras foi elaborada de maneira similar ao que foi executado no caso dos conectores elétricos das subestações. Igualmente para esse componente, será aplicado um balanço de energia envolvendo todos os mecanismos de transferência de calor significativos para o problema. Esse tipo de abordagem permitiu levar em conta a maioria dos parâmetros que direta ou indiretamente influenciam na temperatura superficial que está sendo medida durante um processo de inspeção termográfica. A Figura 4.11 mostra uma chave seccionadora unipolar Tipo Faca , com marcação das áreas do contato principal e da articulação à esquerda e à direita da figura, respectivamente.
. .
² No Apêndice C estão reunidas as correlações empíricas para determinação do coeficiente convectivo médio, segundo as configurações de particular interesse nesse trabalho.
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Figura 4.11 – Chave seccionadora unipolar Tipo Faca .
De maneira geral, essas duas regiões oferecem uma maior resistência à passagem de corrente elétrica quando a linha está energizada. Associado a isso, inicia-se um processo de geração de calor (dissipação de energia elétrica) por Efeito Joule, sendo que todo o calor gerado é dissipado através dos modos básicos de transferência de calor: convecção, radiação e condução térmica. Em regime permanente, esses mecanismos estão relacionados segundo a Equação (4.45):
̇ − ( ̇ + ̇ + ̇ ) = .
Assim como para as conexões elétricas, essa equação representativa do balanço de energia pode ser resolvida em termos de variáveis globais (formulação integral), sendo de solução mais simples em comparação com a formulação diferencial. No entanto sua aplicação requer certos cuidados, uma vez que as variações locais de temperatura podem ser significativas e, com essa abordagem, a temperatura é avaliada segundo um valor médio. A delimitação do volume de controle deve ser feita de forma a manter razoavelmente baixo o número de Biot ( < , ), e assim garantir a validade do método da capacitância global.
A geometria particular do contato principal e da articulação da chave seccionadora pode ser simplificada como a composição de geometrias mais simples como placas verticais, horizontais e cilindros no caso dos contatos, para as quais existem na literatura correlações empíricas específicas que se propõem a modelar a convecção². Portanto, essa idealização permite simplificar o cálculo do coeficiente convectivo médio que representa o processo de transferência de calor por convecção, conforme a Equação (4.46):
ℎ̅ = ∑ ℎ̅
=
.
Ou seja, o coeficiente convectivo médio para a convecção na região de interesse pode ser calculado como a média ponderada (pela área) dos coeficientes convectivos individuais obtidos para cada geometria elementar que compõe o conjunto.
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Com maior relevância, o fenômeno da condução também está presente nessa modelagem. Sendo a chave seccionadora um elemento do circuito que, em geral, apresenta uma resistência elétrica superior a dos cabos condutores, é natural que exista uma diferença de temperatura entre um ponto do componente e um ponto do cabo. Essa diferença de temperatura pode ser entendida como uma diferença de potencial térmico, a qual promove um fluxo de calor oriundo da região de maior potencial, em direção à região de menor potencial.
Da mesma forma que a chave tende a perder energia térmica através da transferência de calor por condução para os cabos, esse fenômeno também ocorre em direção a outras duas regiões de menor temperatura: as colunas de isoladores (por onde não ocorre geração de calor) e as lâminas de contato (onde a resistência elétrica é menor). A Figura 4.12 ilustra as direções preferenciais de transferência de calor por condução partindo do contato principal e da articulação da chave seccionadora.
Figura 4.12 – Transferência de calor por condução na chave seccionadora.
Cada parcela acima representada recebe tratamento específico por se tratar de casos diferentes de transferência de calor por condução. No primeiro caso, o isolador cilíndrico não gera calor; no segundo, as lâminas de contato tem secção reta retangular e possuem geração de calor; e no terceiro caso os cabos tem secção circular, geram calor e podem apresentar uma camada de isolamento. A equação diferencial do perfil térmico em cada caso, de dedução similar ao realizado na seção 4.1.3, é dada a seguir.
Caso 1: − ℎ − ∞ = .
Caso 2: − ℎ − ∞ + = .
Caso 3: −
�n / − + = .
A taxa de transferência de calor por condução é obtida pela aplicação da Lei de Fourier na solução das Equações (4.47) a (4.49) na posição = , como já mostrado.
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