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O sistema de energia de controle CC da subestação é uma fonte de alimentação elétrica independente - normalmente 110 V ou 125 V CC de um banco de baterias e carregador - que alimenta os relés de proteção, as bobinas de disparo do disjuntor e os circuitos de controle, independentemente das condições do sistema CA. Quando essa base falha, os disjuntores não podem disparar, os relés não podem operar e as falhas não são controladas.
A experiência de campo em mais de 50 subestações industriais revela um padrão preocupante: 15-20% das “falhas” do relé de proteção são, na verdade, atribuídas ao desempenho degradado do sistema CC. O relé funcionava bem. A bateria não funcionou.
Os relés de proteção exigem tensão CC estável dentro de ±10% da classificação nominal. Um sistema de 125 V CC que cai para 95 V durante uma falha - quando várias bobinas de disparo exigem corrente simultaneamente - pode não conseguir operar os disjuntores dentro do tempo de liberação necessário de 3 a 5 ciclos. O esquema de proteção parecia perfeito no papel. A subtensão acabou com ele na prática.
As baterias de estação em aplicações industriais e de serviços públicos geralmente consistem em células de chumbo-ácido (tipo inundado ou VRLA) classificadas para capacidade de descarga de 8 horas. Os cálculos de dimensionamento de acordo com [VERIFICAR PADRÃO: IEEE 485] exigem que as baterias forneçam as piores cargas possíveis, incluindo:
Cargas contínuas: carga de relé, luzes indicadoras, RTUs SCADA (normalmente de 5 a 15 A no total)
Testes em aplicações de mineração com troca frequente de carga revelaram que as baterias com capacidade inferior a 80% não conseguiram suportar o disparo simultâneo de vários disjuntores durante falhas no barramento. A proteção coordenada entrou em colapso exatamente quando era mais importante.
O carregador deve manter a tensão de flutuação entre 2,17 e 2,25 V por célula (130 a 135 V para strings de 60 células) e, ao mesmo tempo, fornecer corrente para cargas contínuas e recarga da bateria. As falhas do carregador geralmente se manifestam gradualmente por meio de desvios na regulagem da tensão, o que torna essencial a verificação periódica.
Duas tecnologias de bateria dominam os aplicativos de subestação:
Chumbo-ácido ventilado (VLA): Células inundadas com tampas removíveis que exigem adição periódica de água. Elas produzem hidrogênio durante o carregamento e precisam de salas ventiladas. A vida útil chega a 15-20 anos com manutenção adequada - mas “adequada” significa verificações trimestrais do eletrólito e cargas anuais de equalização.
Chumbo-ácido regulado por válvula (VRLA): Construção vedada usando manta de vidro absorvido ou eletrólito em gel. Menor necessidade de manutenção, mas menos tolerante a sobrecargas e altas temperaturas ambientes. Espere de 10 a 12 anos em condições favoráveis. A 35°C de temperatura ambiente contínua, esse tempo cai para 5-6 anos.
A configuração das células depende da tensão alvo. Um sistema de 110 V CC usa 55 células a 2,0 V nominal. Um sistema de 125V CC usa 60 células. As conexões em série significam que uma célula fraca afeta toda a cadeia.
O carregador opera em três modos:
Os carregadores modernos com modo de comutação oferecem regulagem precisa e monitoramento digital. Projetos ferroressonantes mais antigos ainda operam em muitas instalações - funcionais, mas menos precisos.
[Percepção do especialista: realidades da sala de baterias]
O carregador mascara muito bem esse problema. A tensão parece normal durante a operação de flutuação. O consumo de corrente parece estável. Então, a energia CA falha e um banco VRLA com 10 anos de idade fornece 60% da capacidade nominal. O tempo de backup cai de 8 horas para menos de 3.
Os sintomas surgem somente sob carga: rápida queda de tensão quando o carregador fica off-line, duração reduzida do backup e desequilíbrio da tensão da célula sob estresse de descarga.
O desligamento completo é óbvio. O desvio de tensão não é. Uma condição de sobretensão (acima de 2,30 V/boia de célula) acelera a corrosão da grade e resseca o eletrólito. A subtensão deixa as baterias parcialmente descarregadas, reduzindo a capacidade de backup e acelerando a sulfatação.
Limites críticos de alarme para um sistema de 110V CC:
| Condição do alarme | Limite | Consequência |
|---|---|---|
| Alta tensão CC | >126V | Danos ao equipamento, envelhecimento acelerado da bateria |
| Baixa tensão CC | <105V | Bateria descarregando, possível falha do carregador |
| Falha de CA do carregador | Perda de entrada | Bateria com carga total |
| Falha de aterramento | >0,5mA para o terra | Detecção de degradação do isolamento |
A maioria dos sistemas CC de subestações opera sem aterramento. Esse projeto tolera uma única falha de aterramento - nenhum caminho de retorno significa nenhum fluxo de corrente. O sistema continua operando enquanto você localiza o problema.
Uma segunda falta à terra muda tudo. Se a primeira falta estiver no barramento positivo e a segunda entrar em contato com o terminal negativo de uma bobina de disparo, a corrente flui pelo terra. A bobina de disparo pode operar de forma espúria. Ou pior: as falhas que contornam totalmente a bobina de disparo impedem a operação durante as falhas reais.
Um terminal de bateria solto apresenta resistência insignificante a uma corrente de flutuação de 2A. Essa mesma conexão com uma corrente de 30 A da bobina de disparo deixa a tensão abaixo do limite operacional da bobina. A resistência de 0,5Ω que parecia aceitável cria uma queda de 15V sob carga.
O ciclo térmico das oscilações diárias de temperatura afrouxa progressivamente as conexões aparafusadas. Os postes da bateria e os conectores intercelulares são os culpados mais comuns.
Os perfis de carga se dividem em contínuos (relés, indicadores: 5-15A), momentâneos (bobinas de disparo: 30-50A por 100-200ms) e de emergência (iluminação, ventilação durante a falta de energia). Os bancos subdimensionados lidam com a operação normal, mas falham quando uma falha no barramento exige o disparo simultâneo de vários disjuntores.
A capacidade diminui com a temperatura:
| Temperatura | Capacidade aproximada |
|---|---|
| 25°C | 100% (referência) |
| 15°C | 90% |
| 0°C | 75% |
| -18°C | 50% |
O calor acelera o envelhecimento - a vida útil da bateria cai pela metade para cada 8-10°C acima de 25°C. As subestações externas em climas quentes apresentam ciclos de substituição de VRLA de 6 a 7 anos, em vez de 12.
A localização da falha de aterramento requer isolamento sistemático:
Passo 1: Confirme a indicação de falha no relé de detecção de aterramento ou no dispositivo de monitoramento de isolamento. Observe se a falha está no barramento positivo ou negativo.
Passo 2: Abra os disjuntores de derivação sequencialmente, começando pelos circuitos maiores ou mais suspeitos.
Passo 3: Monitore o detector de aterramento após a abertura de cada disjuntor. Quando a indicação de falha desaparecer, você terá isolado o ramo com falha.
Passo 4: Dentro do ramo com falha, segmente e teste ainda mais usando a mesma abordagem de abertura e monitoramento.
Passo 5: Inspecione os locais de falhas comuns:
O equipamento de detecção inclui circuitos de ponte balanceados por resistência, divisores de tensão com referência de tomada central e dispositivos de monitoramento de isolamento ativo que fornecem leituras quantitativas em kΩ.
[Percepção do especialista: detecção de falha de aterramento]
As consequências são em cascata:
Os relés de proteção perdem energia. A detecção de falhas é interrompida. O elemento de sobrecorrente que deveria ser detectado em 20 ms não vê nada porque sua fonte de alimentação está inoperante.
As bobinas de disparo permanecem sem alimentação. Mesmo que um relé de backup opere por meio de um esquema alimentado por TC, o disjuntor a vácuo não pode disparar sem CC em sua bobina. O mecanismo fica travado enquanto a corrente de falha flui.
Falha na comunicação SCADA. Os operadores não conseguem ver o problema em desenvolvimento. Os alarmes que deveriam ter sido acionados minutos antes nunca chegaram à sala de controle.
O religamento automático é desativado. A sequência de restauração que teria reenergizado a linha após uma falha transitória não pode ser executada.
A falha queima até que a proteção upstream opere - se a proteção upstream tiver alimentação CC saudável. Caso contrário, a destruição do equipamento acaba limitando a corrente de falta. Os enrolamentos do transformador falham. Os cabos explodem. Os incidentes de arco elétrico aumentam.
A tolerância de tensão da bobina de disparo é importante aqui. A maioria das bobinas especifica 80-110% de tensão nominal para uma operação confiável. Uma bobina de 110V CC precisa de pelo menos 88V para gerar força suficiente para destravar o mecanismo. Abaixo desse limite, ocorre operação parcial ou falha total.
A compreensão dos requisitos de disparo do disjuntor a vácuo ajuda a especificar corretamente os sistemas CC: https://xbrele.com/what-is-vacuum-circuit-breaker-working-principle/
Tarefas mensais:
Tarefas trimestrais:
Anualmente:
Teste de capacidade:
A correspondência da tensão CC com as especificações do disjuntor evita falhas operacionais. Verifique a classificação da tensão da bobina de disparo, a tensão operacional mínima e a tensão contínua máxima antes de finalizar o projeto do sistema CC. O interruptor a vácuo depende da operação confiável do mecanismo: https://xbrele.com/what-is-a-vacuum-interrupter/
As opções de redundância para instalações críticas incluem:
Os sistemas de monitoramento contínuo de baterias medem a tensão de células individuais, a resistência da conexão entre células e a temperatura ambiente. Eles fazem a tendência dos dados e emitem alarmes sobre desvios antes que ocorram falhas, justificando seu custo por meio de alertas antecipados e redução da carga de inspeção manual.
Inclua requisitos de tensão de controle CC nas especificações de aquisição. A lista de verificação da solicitação de cotação em https://xbrele.com/vcb-rfq-checklist/ abrange os parâmetros do circuito de controle juntamente com as classificações primárias. Para obter soluções completas de disjuntores a vácuo com sistemas de controle adequadamente combinados, entre em contato com a equipe de engenharia da XBRELE: https://xbrele.com/vacuum-circuit-breaker-manufacturer/
Referência externa: IEC 62271-106 - Norma IEC 62271-106 para contatores CA
P: Qual é o nível de tensão CC mais comum para a proteção de subestações de média tensão?
R: A tensão de 110 VCC predomina nas regiões alinhadas à IEC, incluindo China e Europa, enquanto a tensão de 125 VCC é padrão nas subestações de serviços públicos da América do Norte, seguindo as práticas da IEEE/ANSI. A seleção depende dos padrões regionais e da compatibilidade do equipamento instalado.
P: Por quanto tempo um banco de baterias de tamanho adequado deve fornecer energia de reserva?
R: A prática de projeto normalmente especifica de 4 a 8 horas de autonomia, proporcionando tempo suficiente para a resposta do operador ou para a restauração da equipe de serviços públicos. As instalações críticas podem especificar uma duração maior com base na análise do tempo de restauração.
P: Por que as subestações usam sistemas CC não aterrados em vez de aterrados?
R: Os sistemas não aterrados continuam operando com uma única falta à terra, dando tempo para localizar e reparar o problema antes que uma segunda falta cause falha na proteção. Essa resiliência tem o custo de exigir equipamentos de detecção de aterramento e procedimentos sistemáticos de localização de falhas.
P: Como posso saber se a capacidade da bateria diminuiu sem um teste de descarga?
R: A dispersão da tensão de células individuais durante a carga flutuante indica a saúde relativa da célula - células com mais de 0,05 V da média da cadeia justificam uma investigação. Entretanto, somente um teste de descarga controlada revela a capacidade real disponível em condições de carga.
P: O que causa falhas no disparo do disjuntor que parecem aleatórias?
R: As conexões de alta resistência no caminho da alimentação CC criam quedas de tensão que aparecem somente durante a operação da bobina de disparo de alta corrente. As medições de tensão de flutuação mostram leituras normais, mas a conexão falha sob a carga momentânea de 30-50 A da operação da bobina de disparo.
P: Os sistemas de monitoramento de bateria podem substituir os testes periódicos de descarga?
R: Os sistemas de monitoramento fornecem tendências contínuas e aviso antecipado de deterioração da célula, mas medem indicadores indiretos em vez da capacidade real de entrega. A prática do setor usa o monitoramento para otimizar a programação de testes, em vez de eliminar totalmente os testes.
P: Qual é o intervalo de substituição típico para baterias VRLA em subestações?
R: As baterias VRLA em ambientes com controle climático normalmente precisam ser substituídas entre 10 e 12 anos. Temperaturas ambientes elevadas, descargas profundas frequentes ou resultados de testes de capacidade abaixo de 80% da classificação acionam a substituição antecipada, independentemente da idade.
