Gestão de Energia / Eficiência Energética

Disjuntor fixo ou extraível: qual é melhor?

O uso de painéis de média tensão com disjuntores extraíveis e a sua real necessidade entrou na pauta de discussão devido à publicação recente de alguns trabalhos técnicos. Um deles, de Tobias et. al. [1], demonstra que há hábitos enraizados e questões históricas e culturais a favor da especificação de painéis de média tensão com disjuntores extraíveis. Esta preferência remonta às décadas de 1930 a 1950, quando era muito difundido o uso de disjuntores a grande volume de óleo. Nessa época, tecnologias de interrupção mais seguras e de maior durabilidade, como vácuo e hexafluoreto de enxofre (SF6), ainda não estavam disponíveis. A figura 1 mostra os diferentes tipos de disjuntores: a grande volume de óleo, a gás SF6 e a vácuo, sendo que este último é apresentado na sua forma extraível, com os acessórios para facilitar a extração. Nele vemos o subcubículo, que é o “alvéolo” ou “miolo” em que se instala no interior do painel. Este subcubículo contém o “truck” de movimento (mostrado sob o disjuntor), as guias, as guilhotinas, as buchas de passagem, os “braços” ou extensores de polo, e as conexões de força deslizantes ou tulipas, entre outros acessórios.

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Segundo o mencionado trabalho [1], os disjuntores a óleo tinham uma vida útil muito baixa e demandavam frequentes manutenções. Para mitigar esses problemas, foram desenvolvidos mecanismos e acessórios de inserção e extração que permitiam a rápida intervenção no disjuntor e aumentavam a disponibilidade da alimentação da energia. Um exemplo de painel com disjuntor extraível a óleo é mostrado na figura 2 — a figura mostra um equipamento antigo, em que o disjuntor “rolava” sobre o piso para evitar que os operadores necessitassem fazer grandes esforços para a remoção. Já a figura 3 apresenta um equipamento de concepção mais moderna, projetado com o disjuntor a “meia altura” do painel, o que torna mais ergonômica a ação de inserção, extração ou remoção.

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Fig. 2 – Painel de média tensão com disjuntor a óleo do tipo extraível (fonte: Schneider Electric)

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Fig. 3 – Disjuntor sendo removido do painel, o que é facilitado pelos subconjuntos extraíveis. A parte representada no interior do painel é o chamado subcubículo, provido de guilhotinas que impedem acesso aos barramentos, aumentando a segurança dos operadores (fonte: Schneider Electric)

Segundo os autores [1], a partir dos anos 1980, quando já estavam disponíveis disjuntores a vácuo e a SF6 — que apresentam maior durabilidade, e não exigem manutenções frequentes, trocas de óleo, engraxamento de mecanismos, etc. —, a forma extraível continuou a ser especificada, mais por questões culturais do que por razões de segurança e durabilidade da aparelhagem de manobra e proteção.

Falkingham e Montillet [2] apresentam uma revisão histórica dos tipos de disjuntores e dos seus meios de interrupção: ar, óleo, vácuo e gás SF6. De acordo com o trabalho, os disjuntores a ar predominaram até os anos 1920. A partir daí, os equipamentos com isolação a óleo tomam a dianteira até os anos 1970, quando os disjuntores a vácuo surgem em escala comercial. Já os disjuntores com isolação em gás SF6 aparecem entre os anos 1970 e 1980. Estas duas últimas tecnologias de interrupção dividem a preferência do mercado atualmente (ver a figura 4, que mostra a evolução histórica das tecnologias de interrupção).

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Fig. 4 – Evolução das tecnologias de interrupção dos disjuntores [1]

Em outro trabalho, Imming e Engbersen [3] investigam as causas da maior incidência de falhas elétricas nos painéis de média tensão com disjuntores extraíveis, em comparação aos equipados com disjuntores fixos. Segundo eles, a maioria dos acidentes ocorre durante os procedimentos de inserção e extração do disjuntor (racking-in/racking-out) do painel. Eles defendem que quanto maior o número de peças de um equipamento, maior a probabilidade e frequência de falhas. Painéis com disjuntores extraíveis são compostos por vários subconjuntos para apoiar a extração rápida — carrinho de inserção do disjuntor, roscas sem-fim do mecanismo do disjuntor (“trucks”), guilhotinas, extensores dos polos (“braços”), contatos deslizantes, etc. —, os quais aumentam a probabilidade de falhas. Estas podem dever-se a conexões ruins e ser potencializadas pelo uso, pelas operações racking-in/racking-out, mau encaminhamento dos dispositivos móveis nas guias, empenamento, estresse devido ao peso, etc. Dessa forma, uma arquitetura fixa seria menos exposta a falhas, dada a sua simplicidade: o disjuntor fixo é aparafusado ao barramento de alimentação e aos cabos de saída/entrada, com poucos elementos de fixação (parafusos, porcas, etc.). Nesse sentido, Imming e Engbersen tendem a defender o uso de equipamentos fixos em vez de extraíveis, por questões de segurança e confiabilidade.

No mesmo caminho apontam Tobias et. al. [1]. Além de defenderem que a escolha de painéis com disjuntores extraíveis baseia-se em questões históricas, eles também afirmam que o processo de extração/inserção do disjuntor é a causa principal de falhas como: 1) sobreaquecimento dos contatos, devido a desalinhamentos mecânicos entre as partes móveis e fixas do painel–disjuntor, causados pelas repetidas ações de extração/inserção ao longo do tempo; 2) emperramento do “truck” do disjuntor, das guilhotinas e dos intertravamentos mecânicos; e 3) contato elétrico pobre nos circuitos auxiliares de baixa tensão. Os autores ressaltam que os disjuntores fixos teriam vantagens devido à confiabilidade e qualidade das junções aparafusadas, comparativamente aos contatos deslizantes dos disjuntores extraíveis.

Esse mesmo trabalho [1] traça um amplo e claro panorama do mercado e das tecnologias de painéis e disjuntores, com sua evolução histórica, tendências e tipos isolados a ar (AIS) e isolados a gás (GIS). Apesar de enfocarem o mercado global, com ênfase um pouco maior para a China, são análises consistentes que valem também para o Brasil. O trabalho finaliza com a apresentação de uma nova geração de painéis com dupla isolação sólida (2SIS) que, segundo os autores, aumenta em muito a segurança dos operadores e das instalações (figura 5). Os autores ressaltam que o equipamento é eficaz em termos de custo devido ao uso de disjuntores fixos.

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Sobre o tema de “eficácia de custos”, os autores esclarecem tratar-se de uma exigência de mercado, levantada por ampla pesquisa que identificou necessidades atuais e futuras das distribuidoras de energia elétrica. Segundo essa pesquisa, tais companhias operadoras esperam comprar equipamentos seguros, confiáveis, simples de operar, com pouca manutenção, sem, entretanto, que tenham de pagar muito mais pelos novos painéis.

 

O caso brasileiro e critérios de escolha

Mas que tipo de relação é possível estabelecer entre os trabalhos mencionados, suas conclusões e o que ocorre no Brasil? É possível que a argumentação relativa aos hábitos enraizados que privilegiam o uso de painéis com disjuntores extraíveis também tenha eco em nosso país. Falhas decorrentes do processo de racking-in/racking-out não encontram no Brasil nenhuma estatística, mas é possível imaginar que os mecanismos extraíveis sofram os mesmos problemas relatados pelos autores estrangeiros.

No mercado brasileiro, percebe-se a preferência pelos painéis com disjuntores extraíveis, especialmente nos empreendimentos industriais mais intensivos no uso de energia (acima de 20 MVA), tais como as indústrias de alumínio, aço, minérios, petróleo e concessionárias de energia. E também em alguns usuários que sofrem fortemente com a interrupção no fornecimento de energia, tais como a indústria automotiva, indústrias médias em geral e grandes datacenters e complexos hospitalares. É possível que alguns desses segmentos ainda escolham seus painéis de média tensão por questões históricas e hábitos enraizados. A tabela I sumariza o perfil dos consumidores de energia e seus hábitos de uso, em termos de painéis e disjuntores de média tensão.

Tab. I – Tipos de consumidores e painéis/disjuntores mais empregados, de acordo com o perfil de potência/demanda
Consumidor Potência Tipo de painel/disjuntor preferencial Empresa ou segmento
Usuário intensivo de energia > 20 MVA Painel compartimentado com disjuntor extraível Petróleo, siderurgia, alumínio, mineração
Grande usuário de energia 5 a 20 MVA Painel, compartimentado ou não, com disjuntor fixo OU painel compartimentado com disjuntor extraível (de acordo com a aplicação) Grandes datacenters, indústrias
Usuário com perfil de subestação secundária (SE com rebaixamento de tensão, MT/BT) 1 a 5 MVA Painel, compartimento ou não, com disjuntor fixo ou semi-fixo (aparelhos desconectáveis) Edifícios comerciais, datacenters de médio porte, shoppings centers
Fonte: Schneider Electric

É muito recorrente entre os profissionais da indústria elétrica que lidam com painéis de média tensão (engenheiros, técnicos de manutenção e projetistas) o pensamento de que, para atividades críticas e eletrointensivas, é melhor empregar disjuntores com execução extraível. Isso se deve à mencionada ideia de que tal execução permitiria a rápida remoção dos disjuntores de dentro dos painéis em caso de necessidade de uma manutenção. É fato que disjuntores extraíveis são removidos sem a necessidade de se soltarem conexões, fixações, barramentos, etc., bastando rebocá-los para fora do painel por meio do “truck do disjuntor” (sistemas de manivela ou rosca sem fim, que não requerem ferramentas). A operação é mais rápida do que a de soltura de parafusos, porcas, etc., com uso de ferramentas convencionais de aperto/desaperto, necessária nos painéis de disjuntores fixos.

Por outro lado, uma parte importante do mercado já utiliza painéis com disjuntores fixos, semifixos e desconectáveis. É o caso dos segmentos de consumidores com demanda entre 5 e 20 MVA e daqueles na faixa das subestações secundárias (1 a 5 MVA). Exemplos desses grandes consumidores são shopping centers, prédios comerciais, hospitais e datacenters.

Mesmo as distribuidoras de energia utilizam uma mistura de disjuntores extraíveis e fixos em suas redes de distribuição. É comum a aplicação de painéis com disjuntores extraíveis nas subestações alimentadoras dos circuitos, e painéis com disjuntores fixos mais próximos às cargas, por exemplo em redes subterrâneas. A figura 6 mostra um painel do tipo compartimentado com disjuntor extraível, e outro para aplicação em redes em anel (Ring Main Unit – RMU), equipado com chaves seccionadoras e disjuntores fixos.

A questão central, portanto, é: dado que a tecnologia empregada nos disjuntores atualmente dispensa o manuseio de óleo, manutenções recorrentes, engraxamento de mecanismos, etc., por que continuar utilizando disjuntores extraíveis?

Uma boa prática para o mercado brasileiro, ou qualquer outro, seria adotar, como fatores de decisão para a escolha de painéis de média tensão e seus disjuntores, não a manutenção do polo, a troca do óleo isolante ou a cultura enraizada, mas sim o tipo de aplicação, o tipo de carga, a quantidade de manobras previstas versus a vida útil do disjuntor, e mesmo a sensibilidade ou importância da carga alimentada. Há situações em que uma subestação só é operada muito tempo depois de energizada, e com frequência de, digamos, 20 vezes por ano. Tradicionalmente, disjuntores de média tensão têm vida útil elétrica de 10 mil operações. Se um equipamento opera 20 vezes a cada ano, pode-se esperar que tenha vida útil longa e não vá necessitar de dispositivos de execução extraível para que se realizem manutenções rápidas. Nessa situação, disjuntores de execução fixa seriam apropriados. Já em aplicações de grandes motores ou outras, em média tensão, que exijam alta frequência de operações de abertura e fechamento do disjuntor, é conveniente avaliar o uso do tipo extraível.

Além disso, assim como evoluíram os disjuntores e a tecnologia de painéis, os painéis com disjuntores extraíveis e seus subconjuntos também têm passado por aprimoramentos. Hoje em dia, já se empregam mecanismos e disjuntores mais simples e leves, materiais mais resistentes, menor número de peças, etc. Ensaios de inserção e extração também estão cada vez mais presentes nos processos de pesquisa e desenvolvimento dos fabricantes. Tudo isso objetiva evitar problemas de desalinhamento, empenamento, estresse pelo peso, etc., de forma a tornar disponíveis equipamentos extraíveis com alto grau de confiabilidade e segurança.

Conclusões

Na seleção do tipo de painel ou de execução do disjuntor não cabe falar em preferências. Não se deve optar a priori por este ou aquele tipo, nem apegar-se a ideias preconcebidas ou basear-se apenas em critérios e experiências passadas ou “enraizadas”. É preciso, em vez disso, avaliar efetivamente a necessidade específica de cada aplicação e o impacto para a operação ou atividade econômica do empreendimento/consumidor. A experiência de fornecedores de painéis para diversos tipos de usuários e aplicações mostra que tanto disjuntores extraíveis quanto fixos têm seu espaço, e que não há esse ou aquele que esteja superado no mercado.

Para a tomada de decisão, é preciso primeiro avaliar se o número de operações provocaria o final precoce da vida útil do disjuntor e, depois, analisar o impacto de uma manutenção desse disjuntor para o processo. Essas análises devem necessariamente considerar a criticidade do processo/carga alimentada pelo painel, o tipo e frequência de manobras, os recursos disponíveis para investimento (isto é, se o orçamento permite a aquisição deste ou daquele tipo de aparelhagem de manobra e proteção), a real necessidade maior de agilidade na troca ou manutenção do disjuntor, etc. Somente após essas análises se pode tomar uma boa decisão sobre a adoção de um tipo específico de painel e de equipamento de manobra, se fixo ou extraível. Convém até mesmo um autoquestionamento final: não estaria a decisão tomada sob influência de hábitos enraizados ou mesmo de preconceito contra uma ou outra tecnologia, por ser mais complexa ou mais simples, mais cara ou mais econômica?

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