Prevenindo Altas Correntes de Inrush na Comutação de Capacitores: Estratégias Comprovadas para Sistemas de Energia Confiáveis

Como Prevenir a Alta Corrente de Inrush na Comutação de Capacitores?

Introdução à Alta Corrente de Inrush na Comutação de Capacitores

Aplicações de comutação capacitiva não se restringem apenas a correntes capacitivas, mas têm sua implementação no processo de energização de bancos de capacitores, linhas aéreas e cabos. Comutação de bancos de capacitores é conhecida por causar valores muito grandes de tensão transitória entre os contatos do disjuntor.

A comutação capacitiva é caracterizada comumente pela comutação de correntes baixas a moderadas em redes industriais ou públicas, e por uma baixa taxa de subida da tensão de recuperação. Novos disjuntores (CBs) que garantem longa vida mecânica e elétrica sem manutenção parecem ser os mais adaptados a este dever de comutação; recentemente, o SF6 puffer foi desenvolvido para melhor desempenho com menos interruptores por polo, mas obviamente um cenário ideal não pode ser atingido.Em circuitos de sistema de energia onde disjuntores têm amplas aplicações para prevenir danos, o desequilíbrio de tensões ao longo dos terminais do disjuntor pode levar a alta corrente de inrush; por isso, qualquer interrupção em corrente capacitiva pode causar problemas no dielétrico usado para comutação de dispositivos. Capacitores em bancos de capacitores podem ser danificados devido à pesada corrente de inrush.

Em sistemas de energia, muitos bancos de capacitores concentrados estão presentes para regular tensão, melhorar o FP (fator de potência) e também bancos de capacitores têm muitas aplicações na filtração de harmônicos altos no sistema geral.

No processo de distribuição de sistema de energia, existem redes de cabos que geram carga capacitiva. Quando ocorre qualquer interrupção de corrente no sistema, a carga capacitiva é carregada e esta carga nos capacitores expõe o circuito a danos por re-ignição do dielétrico junto com geração de alta sobretensão.

Quando grande corrente de inrush começa a fluir através de subestações, o sistema é forçado a enfrentar consequências que ocorrem no sistema de proteção e também durante a comutação, quando a tensão presente na linha começa a oscilar em frequência ligeiramente menor, sua magnitude torna-se igual ao dobro da tensão de pico presente no circuito, o que pode causar riscos severos. Neste artigo, será discutido como podemos minimizar a alta corrente de inrush e quais são as recomendações básicas para isso.

Métodos para Inserir Capacitores a Fim de Prevenir Corrente de Inrush

Existem duas maneiras de colocar capacitores de forma que a corrente de inrush possa ser minimizada a níveis negligenciáveis. Ambos os métodos são descritos aqui um por um.

Circuito de Banco de Capacitores Único

Primeiro Cenário

Vamos considerar o circuito acima; é um circuito monofásico e tem elementos concentrados para um circuito capacitivo. Tem um disjuntor que fecha seus contatos em qualquer interrupção, um capacitor e dois indutores presentes no circuito, assumindo que a resistência do circuito é aproximadamente zero e o valor do indutor L₁ é maior que L₂.

Um disjuntor está presente no circuito para definir a interrupção no circuito. Esta forma de circuito é chamada de banco de capacitores isolado.

Neste caso, a corrente depende dos parâmetros do circuito e do estado inicial do circuito. Suponha que o capacitor esteja carregado à tensão v0 no tempo t0. A corrente pode ser calculada pela expressão:

Onde:
Neste cenário, devido ao amortecimento, a corrente diminuirá e a corrente geral no circuito será estabelecida.

Circuito de Banco de Capacitores Back-to-Back

Segundo Cenário:
Este cenário é conhecido como comutação capacitiva banco a banco; vamos considerar o diagrama para ele.

Neste caso, existem dois capacitores e dois indutores; quando o disjuntor é fechado na interrupção, se ocorrer qualquer ruptura dielétrica no ponto b-b' (ou seja, diferença de tensão nos dois contatos do disjuntor), a expressão da corrente pode ser computada como
Onde:
Nesta corrente pode ser cerca de dez vezes mais que a corrente de pico presente no circuito, mas esta corrente pode afetar apenas um capacitor (local) e o resto do sistema estará seguro.

Passos para Prevenir Alta Corrente de Inrush

Aqui estão algumas recomendações para se livrar desta alta corrente de inrush.

1. Deve haver um resistor presente no circuito, pois a resistência aumentará e a corrente será utilizada a algum nível.
2. Reatância extra pode ser colocada no sistema, porque pela colocação de reatância extra haverá perdas de energia extras no sistema junto com redução nos efeitos dos capacitores.

Comutação Síncrona

Como sabemos que alta sobretensão é criada pela ruptura do dielétrico entre os contatos do disjuntor, temos que remover este problema permanentemente. Então, para remover o problema de alta sobretensão, deve-se garantir que, em qualquer situação de interrupção, quando um disjuntor é fechado, não deve haver diferença de tensão entre os contatos do CB.

Não se pode atingir a situação ideal, pois o fator de mais e menos está sempre presente; então a comutação síncrona é uma das soluções. Um dispositivo foi fabricado com o nome de chave de capacitor SmartClose, que pode converter qualquer banco em banco síncrono usando sensores.

Características e Funcionamento da Chave SmartClose

Ela tem 6 sensores de tensão que detectam a forma de onda de tensão tanto no lado do capacitor quanto no lado da fonte de cada interruptor. Um comando de fechamento emitido por um controlador separado de banco de capacitores faz com que a chave de capacitor SmartClose feche cada interruptor independentemente quando a diferença de tensão através de cada interruptor é zero; então o comando de fechamento é emitido para o SC (SmartClose) e iniciará o fechamento a tensão zero em todo o circuito.

O controlador separado de cada banco de capacitores decide quando o banco de capacitores é necessário; a chave SmartClose compreende isso e faz tudo automaticamente por fechamento síncrono.