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FEUP – EFACEC Energia, S.A Trabalho Final de Curso Luís Folgado 2002/2003

ÍÍNNDDIICCEE

11 -- AAPPRREESSEENNTTAAÇÇÃÃOO DDOO GGRRUUPPOO EEFFAACCEECC 55

11..11 –– EEFFAACCEECC EENNEERRGGIIAA,, MMÁÁQQUUIINNAASS EE EEQQUUIIPPAAMMEENNTTOOSS EELLÉÉCCTTRRIICCOOSS SS..AA 55

11..11..11 –– IInntteerrnnaacciioonnaalliizzaaççããoo 66

11..22 –– EEFFAACCEECC EENNEERRGGIIAA 66

11..22..11 –– DDeeppaarrttaammeennttoo ddee MMééddiiaa TTeennssããoo 77

11..22..22 –– MMeeiiooss TTééccnniiccooss 88

11..33 –– QQUUAALLIIDDAADDEE NNOO GGRRUUPPOO EEFFAACCEECC 99

22 –– OOBBJJEECCTTIIVVOOSS DDOO TTRRAABBAALLHHOO 1111

33 –– FFEENNÓÓMMEENNOO DDOO CCOONNTTAACCTTOO EELLÉÉCCTTRRIICCOO 1122

33..11 –– IINNTTRROODDUUÇÇÃÃOO 1122

33..22 –– PPRRIINNCCÍÍPPIIOOSS FFUUNNDDAAMMEENNTTAAIISS DDOO CCOONNTTAACCTTOO 1122

33..22..11 –– PPrroodduuççããoo ddoo CCoonnttaaccttoo,, ÁÁrreeaa ee RReessiissttêênncciiaa ddee CCoonnttaaccttoo 1122

33..22..22 –– CCáállccuulloo ddaa RReessiissttêênncciiaa ddee CCoonnttaaccttoo 1144

33..22..33 –– EEffeeiittoo ddaa OOxxiiddaaççããoo 1177

33..22..44 –– DDeessggaassttee ppoorr FFrriiccççããoo 1199

33..22..55 –– RReessiissttêênncciiaa ee TTeemmppeerraattuurraa ddee CCoonnttaaccttoo 2200

33..22..66 –– DDiivviissããoo ddoo CCoonnttaaccttoo 2255

33..22..77 –– OOxxiiddaaççããoo ddaa SSuuppeerrffíícciiee ddee CCoonnttaaccttoo 2266

33..33 –– CCOONNSSIIDDEERRAAÇÇÕÕEESS NNOO PPRROOJJEECCTTOO DDOO CCOONNTTAACCTTOO 2288

33..33..11 –– PPrreessssããoo ddee CCoonnttaaccttoo 2288

33..33..22 –– FFoorrççaa ddee RReeppuullssããoo ddoo CChhooqquuee MMaaggnnééttiiccoo 2299

33..33..33 –– CCoonnttaaccttooss PPaarraalleellooss 3366

O Contacto Eléctrico na Aparelhagem de Média Tensão

3


33..44–– DDEESSEEMMPPEENNHHOO EE EESSCCOOLLHHAA DDOOSS CCOONNTTAACCTTOOSS 3388

33..44..11 –– IInnfflluuêênncciiaa ddaass CCoonnddiiççõõeess EEllééccttrriiccaass 4400

33..44..22 –– IInnfflluuêênncciiaa ddaass CCoonnddiiççõõeess MMeeccâânniiccaass 4411

44 –– MMAATTEERRIIAAIISS DDEE CCOONNTTAACCTTOO 4433

44..11 –– PPRROOPPRRIIEEDDAADDEESS DDOOSS MMAATTEERRIIAAIISS DDEE CCOONNTTAACCTTOO 4433

44..22 –– MMAATTEERRIIAAIISS DDEE CCOONNTTAACCTTOO PPAARRAA AARR,, ÓÓLLEEOO EE AAMMBBIIEENNTTEE SSFF66 4466

44..22..11 –– MMeettaaiiss ee LLiiggaass 4466

44..22..22 –– EEllkkoonniitteess 5500

44..33 –– MMAATTEERRIIAAIISS DDEE CCOONNTTAACCTTOO PPAARRAA DDIISSJJUUNNTTOORREESS DDEE VVÁÁCCUUOO 5522

44..33..11 –– MMeettaaiiss ee LLiiggaass 5555

55 –– EEXXPPEERRIIÊÊNNCCIIAASS LLAABBOORRAATTOORRIIAAIISS 6600

55..11 –– EENNSSAAIIOOSS LLAABBOORRAATTOORRIIAAIISS 6600

55..22 –– ÂÂMMBBIITTOO DDOO TTRRAABBAALLHHOO 6611

55..33 –– OOBBJJEECCTTIIVVOOSS 6611

55..44 –– UUNNIIDDAADDEE EEMM EENNSSAAIIOO 6611

55..55 –– MMÉÉTTOODDOO DDEE EENNSSAAIIOO 6622

55..66 –– EEXXPPEERRIIÊÊNNCCIIAA EE RREESSUULLTTAADDOOSS LLAABBOORRAATTOORRIIAAIISS 6633

55..66..11 –– RReeaalliizzaaççããoo ddoo EEnnssaaiioo ddee IInnfflluuêênncciiaa nnaa RReessiissttiivviiddaaddee EEllééccttrriiccaa 6633

55..66..22 –– RReeaalliizzaaççããoo ddoo EEnnssaaiioo ddaa RReessiissttêênncciiaa aaoo DDeessggaassttee MMeeccâânniiccoo 6699

66 –– CCOONNCCLLUUSSÕÕEESS FFIINNAAIISS 7788

77 –– AAGGRRAADDEECCIIMMEENNTTOOSS 7799

88 –– BBIIBBLLIIOOGGRRAAFFIIAA 8800

AAnneexxooss


4


11–– AAPPRREESSEENNTTAAÇÇÃÃOO DDOO GGRRUUPPOO EEFFAACCEECC

1.1 - EFACEC ENERGIA, MÁQUINAS E EQUIPAMENTOS ELÉCTRICOS S.A

Fig.1 - Sede do Grupo e centro fabril da Arroteia

A EFACEC foi fundada em 1948 iniciando então a sua actividade no fabrico de

pequenos motores eléctricos e de transformadores de distribuição. Presentemente, e na

sequência de uma política de desenvolvimento permanente e sustentada, a EFACEC

constituiu-se numa sociedade “ holding ” de empresas - afecta a diversas áreas de negócio

quer na fabricação de uma vasta gama de equipamentos eléctricos e electrónicos quer na

realização de sistemas eléctricos e electromecânicos, de automação, de logística e de

telecomunicações.

O suporte industrial da EFACEC é constituído por 4 pólos nos arredores da cidade

do Porto, por duas fábricas no Extremo Oriente, uma em Macau e outra na república

Popular da China em JV com parceiros chineses e ainda por uma fábrica na Argentina em

Joint Ventures (JV) com um parceiro local. As novas fábricas, em Portugal, onde são

produzidas as máquinas e os equipamentos eléctricos, estão equipadas com os mais

modernos meios de produção e de gestão integrada por computador, segundo os padrões da

tecnologia C.I.M.

Estas novas fábricas, consideradas como as mais modernas da Europa no seu ramo,

foram inteiramente concebidas e projectadas com recurso às competências das empresas


5


do Grupo, nomeadamente nas áreas da electrónica, gestão e informática e automação e

robótica. O Grupo EFACEC emprega, em Portugal, 2.800 pessoas entre as quais 500

licenciados.

1.1.1 Internacionalização

A partir dos anos 70, a EFACEC começou a exportar motores eléctricos e

transformadores. No início dos anos 90, com os primeiros indícios da globalização mundial

da economia, a EFACEC pôs em prática uma estratégia de internacionalização com o

objectivo de criar uma rede comercial de Agentes, Delegações e Filiais para a venda dos

seus produtos e sistemas na Europa, África, Américas, Médio e Extremo Oriente, cobrindo

mais de 50 países. No seu essencial, esta tarefa foi considerada terminada em 1995 e a sua

operacionalidade confirmada por um crescimento muito rápido e sustentado das

exportações. Porém a consolidação das posições adquiridas não era mais possível com toda

a produção concentrada em Portugal.

Para penetrar mais eficazmente nos mercados considerados estratégicos, a

EFACEC decidiu então criar competências nesses mercados mediante a constituição de

JV’s com parceiros locais quer para a fabricação total ou parcial de alguns dos seus

equipamentos quer para a realização de certos trabalhos envolvidos no fornecimento dos

seus sistemas. Na área dos sistemas, a contribuição local também foi implementada nas

delegações e Filiais já existentes e em outras a constituir, dotando-as dos meios necessários

à realização de uma parte de engenharia de obra e de configuração, bem como SW

específico. Em resultado desta estratégia foram criadas e estão em fase de criação novas

JV’s, Delegações e filiais no Extremo e Médio Oriente, em África e na América Latina.

1.2 EFACEC ENERGIA

Fabrico e Comercialização de:

• Transformadores de potência até 500kV

• Reactâncias shunt até 500kV

• Seccionadores até 420kV


6


• Transformadores de distribuição imersos e secos encapsulados

• Aparelhagem de Média Tensão:

- Disjuntores de vácuo e SF6

- Quadros de distribuição modular

- Quadros extraíveis isolados a ar

- Quadros isolados a SF6

• Subestações compactas

• Subestações móveis até 245 kV

• Subestações GIS

1.2.1 Departamento de Média Tensão

Fig.2 – Instalações do departamento de Média Tensão

DIVISÃO APARELHAGEM DE MÉDIA TENSÃO

A EFACEC é o maior grupo industrial português nos domínios do projecto,

fabricação e instalação de sistemas eléctricos, de electrónica, de telecomunicações e de

automação e robótica.

A Divisão Aparelhagem Média Tensão tem, desde 1950, uma longa experiência no

fabrico de disjuntores, interruptores, seccionadores, quadros eléctricos e outros produtos

para redes de média tensão

As instalações fabris situam-se a 5 km do centro do Porto, integradas num dos

pólos industriais EFACEC. Estão equipadas com os mais modernos meios de produção e


7


gestão integrada por computador, pelo que são consideradas como as mais modernas da

Europa no seu ramo.

O constante desenvolvimento é acompanhado por elevados níveis de qualidade,

reconhecidos, há bastantes anos, pelas certificações ISO 9001 da Loyd’s RQA e APCER (

IQNet).

1.2.2 Meios Técnicos

O desenvolvimento de novos produtos é fruto de anos de experiência e elevados

investimentos nas mais avançadas tecnologias de projecto, fabrico e ensaios:

• CAD - projecto tridimensional assistido por computador

• CAE – Análise de campos eléctricos e magnéticos, análise cinemática e de

estruturas

• CIM – fabrico integrado por computador

• Linha de produção de chaparia de alta precisão e grande capacidade

• Linha de produção automática de injecção de peças em resina epóxida (método de

gelificação rápida).

• Laboratório de ensaios de média tensão:

- Ensaios de choque

- Frequência industrial

- Descargas parciais

- Aquecimento

- Análise de transitórios

Fig.3 Desenho tridimensional assistido por Fig.4 Análise mecânica de movimentos

computador -CAD e estruturas – CAE


8


1.3 QUALIDADE NO GRUPO EFACEC

A Qualidade1, isto é, a totalidade das características de um produto ou serviço que

determinam a sua aptidão para satisfazer as necessidades explícitas ou implícitas, tem hoje

em dia, uma importância incontestável no mundo dos negócios. Cada vez mais empresas

reconhecem esta realidade e o que ela representa para a sua competitividade em mercados

cada vez mais exigentes.

A melhoria da qualidade, sob a forma de eliminação das falhas do produto, ou ainda

da eliminação de desperdícios, é também cada vez mais um meio importante de melhorar a

produtividade.

O mercado é algo móvel que exige das empresas uma contínua revisão dos seus

produtos, de modo a ajustá-los a novas exigências e expectativas, para assim satisfazer as

necessidades dos clientes.

Essa contínua revisão e melhoramento dos produtos, só é possível através do

planeamento e implementação da Qualidade dos produtos.

Um importante segmento do planeamento da Qualidade no ciclo de vida de um

produto, é na fase de desenvolvimento de um novo produto.

Uma fase fundamental, pois há evidência crescente de que muitos problemas de

adequação ao uso podem ser atribuídos ao projecto do produto2.

A Qualidade na concepção consegue-se quando primeiro que tudo, os requisitos

dos clientes são o ponto de partida para o desenvolvimento de qualquer produto e de

seguida a prevenção toma lugar à resolução de problemas após eles terem surgido.

Este pensamento está na base das modernas técnicas de desenvolvimento de novos

produtos, entre as quais estão inseridas a AMFE (Análise Modal de Falhas e Efeitos) e o

DFQ (Desenvolvimento da Função Qualidade).

1 Segundo a ISO 8402 2 Segundo Juran-Controlo da Qualidade Handbook, no caso específico de produtos mecânicos e electrónicos, acredita-se que os erros durante o desenvolvimento são responsáveis por cerca de 40% de problemas de adequação.


9


A EFACEC e neste caso mais especificamente a divisão de Aparelhagem de Média

Tensão, tem desde há muitos anos uma longa experiência no fabrico de disjuntores,

interruptores, seccionadores, quadros eléctricos e outros produtos para redes de média

tensão.

O desenvolvimento de um novo produto é feito a partir dessa longa experiência e

elevados investimentos nas mais avançadas tecnologias de projecto e fabrico.

O constante desenvolvimento é acompanhado por elevados níveis de qualidade

reconhecidos há bastantes anos, pelas certificações ISO 9001 da Lloyd’s RQA e APCER

(IQNet).

A acompanhar este desenvolvimento e este nível de qualidade, exigências

permanentes dentro do departamento de Investigação & Desenvolvimento da divisão de

Aparelhos de Média Tensão estão novas ferramentas de gestão da Qualidade entre as quais

está a AMFE e o DFQ, já referidas acima e que permitem melhorar e garantir a qualidade

de novos produtos através de acções preventivas ainda na fase de projecto.


10


2 - OBJECTIVOS DO TRABALHO

O trabalho desenvolvido neste projecto pretende colocar à disposição de uma forma

adequada e de fácil consulta, informação que possa ajudar os Engenheiros Electrotécnicos

a seleccionar os materiais e forma de contacto para as aplicações de Aparelhagem de

Média Tensão. Numa empresa electrotécnica como é o caso da EFACEC o contacto

eléctrico é fundamental para a sua existência, sem este facto real a empresa perderia a

essência da sua criação e presente desenvolvimento.

Numa primeira fase os objectivos deste trabalho podem ser sintetizados em:

• Estudo do fenómeno do contacto eléctrico;

• Sistematização dos diversos tipos de materiais utilizados para estabelecimento de

contactos eléctricos na aparelhagem de Média tensão, desde contactos ao ar, óleo,

ambiente SF6 e em vácuo;

• Análise da influência do tratamento superficial no desempenho térmico e mecânico.

Numa segunda fase teremos:

• Formulação de ensaios laboratoriais de amostras com vários materiais condutores e

protecções superficiais;

• Ensaios laboratoriais realizados de acordo com a formulação elaborada.

Numa última fase e dentro do contexto dos ensaios laboratoriais realizados:

• Conclusões finais.


11


33–– FFEENNÓÓMMEENNOO DDOO CCOONNTTAACCTTOO EELLÉÉCCTTRRIICCOO

3.1 – INTRODUÇÃO

A eficiência dos contactos é vital para o sucesso de operação de inúmeros tipos de

equipamentos eléctricos, desde telefone, a rádio, televisão, aparelhos de comando de

motores, aparelhagem de comando em subestações e transmissão de tensões elevadas. Tem

de se ter em conta que a selecção do material para contactos é um dos problemas mais

difíceis com que os engenheiros electrotécnicos são confrontados. Para cada um dos

desempenhos é impossível ter total conhecimento das propriedades, vantagens e limitações

de todos os materiais possíveis para o contacto – Prata, Ouro, Cobre, Platina, Paládio,

Irídio, Ródio, Tungsténio, Molibdénio e muitas outras ligas e combinações – sendo isto o

resultado de muitos anos de procura e experiências.

3.2 – PRINCIPIOS FUNDAMENTAIS DO CONTACTO

3.2.1 Produção do Contacto, Área e Resistência de Contacto

O contacto entre duas superfícies é sempre o somatório de pontos de contacto. Os

dois cilindros mostrados na figura 5 estão ligados entre si e é medida a resistência entre os

pontos a e b, a resistência será encontrada sendo a resistência total entre a e b, ou seja, a

resistência total do volume dos cilindros mais a resistência do contacto RT=RB+RC.

Fig. 5 – Contacto Eléctrico


12


A razão para isto é que não importa se as superfícies dos cilindros foram preparadas

com cuidado, pois nunca estarão perfeitamente lisas. Certamente, farão somente o contacto

em um número de pontos discretos nestas superfícies planas. Se fosse efectuado um exame

ampliado do retrato da superfície de contacto, ver-se-ia que esta conteria um certo número

de micro picos e vales. Quando estas superfícies são juntas, tocam inicialmente em dois

micro picos. Mesmo sob uma carga ligeira as pressões nestes picos podem ser elevadas e

os picos vão-se deformando elasticamente e plasticamente até que a força nos contactos

esteja inteiramente suportada. Isto é mostrado conceptualmente na figura 6. Neste exemplo

toda a película da superfície é quebrada.

Fig. 6 – Deformação plástica e área real de contacto

A força de fecho do contacto é aproximadamente igual à dureza do material vezes a

micro área real do contacto ou pela equação:

F=ξ*H*AR (3.1)

Onde ξ é uma constante menor que 1 e tipicamente entre 0.1 a 0.3. Pode ver-se

pela equação (3.1) que a área de contacto real depende somente da força e das

propriedades dos materiais de contacto e não da área total da face de contacto. A

figura 7 ilustra isto para uma mudança da ondulação em 10 vezes na área da face de

contacto.


13


Fig. 7 – Exemplo da área real de contacto versus carga para dois tamanhos de contacto. (a) linha

contínua, 10 cm2 de área nominal; (b) linha descontínua, 1 cm2 de área nominal.

3.2.2 Cálculo da Resistência de Contacto

A área de contacto real de um pequeno disco de raio = a é considerada como

primeira aproximação na figura 8, onde a área AR formada pelo disco de raio a é

conseguida após os contactos se terem junto (colado). O fluxo da corrente de um contacto

ao outro seria confinado a fluir através desta área. A resistência é dada por:

RK=a*2

ρ (3.2)

Onde ρ é a resistividade do contacto. Substituindo na equação (3.1) e fazendo AR= ,

temos:

2* aπ

RK=F

H***2

ξπρ (3.3)


14


Se R for a resistência de qualquer superfície, a resistência total será dada por:

RC= RK * RF (3.4)

Fig. 8 – Esquema do fluxo das linhas de corrente para o fluxo na área real de contacto

A figura 9 dada para os contactos em cobre mostra como a resistência varia com F

e quanto perto está a equação (3.3) do resultado correcto.

Fig. 9 – Resistência de contacto versus força de contacto, para contactos em Cobre. As

linhas têm diferentes valores de ξ*H.

A densidade de corrente para uma superfície de contacto de distância ao centro r é

dada por:

J=22**

*2ra

VO

−ρπ para r < a (3.5)


15


Onde Vo é o pequeno potencial de a até b da figura 5. No centro da área de contacto, a

densidade de corrente tem o valor:

J=a

VO

***2ρπ

para r= 0, e tende para infinito em r → a (3.6)

Os pontos iguais do contacto, cada um com raio α dentro de um círculo de raio β mostra-se

que para n tais micro pontos:

RK=

+

βαρ

*21

**21*n

(3.7)

Um vector de n pontos, de raio αI, Greenwood que investigou este modelo de contacto

realístico e mostrou a partir da expressão:

RK=

+ ∑∑∑ ijSni

132

*3*2

1* 2

πα

ρ (3.8)

Onde Sij é a distância entre os pontos. Se notarmos que ∑ = αα *ni , onde n é o número

total dos pontos e α é o diâmetro médio do ponto, temos então:

∑∑=ijSn

1*163

2β

Então:

RK=

+

βαρ

*21

**21*n

Isto é, a equação (3.8) reduz-se ao formulário de (3.7). Agora se definirmos o raio da área

contacto para ser:

βαβα

+=

***

nna


16


Então:

RK=a*2

ρ (3.9)

Esta é a fórmula dada pela equação (3.3), onde as propriedades do contacto são

calculadas, usando geralmente o valor a . Isto prova realmente ser uma aproximação muito

útil. A Figura 10 dá exemplos de conjuntos diferentes do ponto de contacto e do seu efeito

no tamanho de a e de β .

Fig. 10 – Contactos diferentes mostrando o contacto equivalente simples.

Figura da esquerda para raio = a e figura da direita para raio =β .

3.2.3 Efeito da Oxidação

Uma película isolante do óxido que cobre um dos micros pontos do contacto na

Figura 10 tem apenas um pequeno efeito na resistência total do contacto. É importante

perguntar, contudo, quantos pontos teriam que parar a condução antes que RC começasse a

aumentar. Esta é uma pergunta importante para os contactos eléctricos que permanecem

juntos (fechados) por períodos de tempo longos e que estão sujeitos à oxidação muito lenta

dos pontos do contacto.

A Figura 11 ilustra este processo. Os contactos estão na posição de fechado, mesmo

que as superfícies de acoplamento apresentem uma barreira ao fluxo de todo o gás

ambiente, o gás pode penetrar o ponto do contacto após um longo período de tempo. Todo

o gás que puder reagir com o material do contacto para dar forma a uma camada isolante é

um gás potencial ao problema (por exemplo, O ). Os pontos do contacto

reduzir-se-ão gradualmente em tamanho ao mesmo tempo que o gás reage com a superfície

SHSO 222 ,,


17


de contacto. Williamson estudou este processo e mostrou que os efeitos da perda da área de

contacto mostrados acima acontecem muito lentamente. A figura 12 dá-nos os cálculos do

aumento previsto da RC, resultando da difusão gasosa nos pontos do contacto. Neste

exemplo a difusão do óxido é suposta ser contínua, mas como pode ser visto, a RC muda

muito até imediatamente antes da falha, quando ocorre uma situação ausente do

funcionamento. Resultados similares foram obtidos por Lemelson, quando modelou a falha

de contactos de cobre de correntes elevadas debaixo do óleo (ver figura 13). Este

fenómeno ocorre somente se os óxidos formados estiverem isolados. Isto é possível se as

películas condutoras ou semi-condutoras poderem dar forma. Neste caso a Rc pôde mesmo

diminuir se houver um aumento de Ar.

Fig. 11 - Difusão dos gases ambiente para o ponto de contacto

Fig. 12 - Aumento da resistência de contacto em função do tempo para um conector (20µΩ) normalmente usado desde 100 até 500 A, num ambiente com 20ºC de temperatura.


18


3.2.4 Desgaste por Fricção

Há uma forma de acelerar a oxidação atmosférica que ocorre na interface dos

contactos dos metais que se submetem aos movimentos cíclicos muito ligeiros de um ao

outro. Este fenómeno foi descrito há muitos anos, mas é significante que para os contactos

eléctricos tenha sido somente recentemente reconhecido, o efeito é ilustrado na figura 14.

Quando um contacto se move relativamente ao outro, a parte da área velha de contacto fica

exposta ao ambiente. Uma película isolante pode dar forma em cima dela. Se o contacto se

mover para trás em relação à sua posição anterior, pode quebrar esta película e empurrá-la

para um lado. Este processo continuará até que as configurações suficientes do isolador

levantem e as regiões reais (actuais) do contacto estiverem modificadas. A mudança rápida

na RC mostrada nas figuras 12 e 13 será observada novamente.

Fig. 13 - Aumento da resistência de contacto em função do tempo para um contacto de Cobre para uma carga de 400 A e para diferentes temperaturas ambiente.


19


Fig. 14 – Processo de desgaste por fricção

Na primeira etapa há um contacto metálico estável entre as duas superfícies e a RC

não é afectada. Durante este tempo a película do óxido é penetrada e ocorre prensação

mecânica dos pontos do contacto. Como os contactos se movem, as pontes microscópicas

penetram. Em resultado disso, os primeiros produtos formados do desgaste serão partículas

de metal. Embora uma boa proporção destes seja oxidada, será mantido um bom contacto.

Na segunda etapa, após uma longa exposição ao processo de oxidação, as camadas do

metal tornam-se macias e vão-se separando progressivamente. A camada de óxido cresce e

o contacto metálico perde-se. O aumento da RC durante esta etapa é uma função forte da

corrente, da força do contacto, e do material de chapa.

3.2.5 Resistência e Temperatura de Contacto

O aumento da RC faz a entrada de potência na junção do contacto, que resulta num

aumento da temperatura na junção do contacto. Um aumento da temperatura pode resultar

num aumento da taxa da oxidação e num aumento da RC. Em casos extremos as interfaces

do contacto podem mesmo derreter e uma falha severa no contacto pode ocorrer. Seria

consequentemente útil estimar a temperatura da junção do contacto sem ter que realmente

medi-la.


20


Cálculo da temperatura do contacto

Este é um procedimento muito directo para medir a queda de tensão através de um

contanto fechado. Se pegarmos em qualquer condutor e supusermos que as linhas

equipotenciais são as mesmas que as linhas com a mesma temperatura e que não há

nenhuma perda de calor por radiação, pode-se mostrar que:

∫=p

Vθ

θ

λρ0

**82 θd (3.10)

Onde V é a queda de tensão através do condutor, θ0 é a temperatura ambiente, θp a

temperatura máxima que o condutor alcança, ρ a resistividade, e λ a condutividade térmica.

Usando a lei de Wiedemann Franz, temos:

θλρ ** L= (3.11)

Onde L é a constante de Lorenz dada por:

22

*3

=

eKL π

(3.12)

Onde k é a constante de Boltzmann e e é a carga electrónica, o L=2.7*10-13 esu/degree2 ou

L=2.45*10-8 W Ω/ degree2 .

( )[ ] 212

02**4 θθ −= pLV (3.13)

Se 0θθ >>p isto pode ser reduzido a:

LV

p *2=θ (3.14)


21


Figura 15 – Comparação da medida da tensão de derretimento (fusão) com os valores calculados pela equação (3.14).

A Figura 15 apresenta a comparação da tensão medida através de um condutor no

seu ponto de derretimento (fusão) a partir da equação (3.14). Pode-se ver que é possível

obter uma estimativa muito boa da temperatura do contacto medindo apenas a tensão

através dos contactos. É interessante anotar que as quedas de tensão muito pequenas

representam temperaturas muito altas (se a tensão através de um contacto de Cobre for

somente 0,43 V, as superfícies de contacto serão derretidas).

Outra importante consideração é a temperatura amaciada dos metais. Esta

temperatura, geralmente de aproximadamente 25 a 45% da temperatura de derretimento

(fusão), é onde o metal amacia e onde se pode deformar muito facilmente. A equação

(3.13) permite então definir VS como a tensão de amaciamento.

( )[ ] 212

0***4 θθ −= mS SLV (3.15) Onde S é uma constante entre 0.25 e 0.45 e θm é a temperatura de derretimento. A tabela

3.1 mostra tensões de amaciamento determinadas experimentalmente.


22


Tabela 3.1 – Comparação das temperaturas de amaciamento e tensões de amaciamento

Corrente de fusão e amaciamento

É agora possível investigar a quantidade de corrente que pode fluir através de uma

junção de contacto antes que o metal na região do contacto amacie ou derreta. Uma

corrente amaciada IS e uma corrente de derretimento Im podem ser definidas como:

C

SS R

VI = e

m

mm R

VI = (3.16)

Assumindo isto não há nenhuma película isolante nos pontos do contacto, RC pode ser

dada pela equação (3.3), por sua vez dá:

HFVI S

S ***

*2ξπρ

= (3.17)

e

HFVI m

m ***

*2ξπρ

= (3.18)

Isto é, para um dado material IS e Im devem ser proporcionais a F . A Figura 16 dá-nos os

valores experimentais de IS em função de F e pode ver-se que IS FK *≈ . Pode-se

esperar algum furo ou uma pequena soldadura dos contactos com estas correntes.


23


Por causa dos pontos do contacto amaciarem, espera-se também um aumento da Ar,

causando uma resistência de contacto mais baixa. Isto pode em parte explicar-se porque na

figura 17 a corrente Im não é proporcional a F , mas num exponente menor do que

metade.

Figura 16 – Corrente de amaciamento em função da carga de contacto.

Figura 17 – Corrente de derretimento I em função da carga de contacto F m


24


3.2.6 Divisão (partição) do Contacto

Durante o período em que os contactos começam a dividir-se a área de contacto

começa a diminuir. Eventualmente, a tensão através do contacto alcança a tensão de

derretimento Vm (a RC aumentou até Vm=RC*I), e o metal na região de contacto derrete.

Neste momento, uma ponte de metal derretido (fundido) forma-se entre os contactos e é

esticada agora enquanto os contactos continuam a dividir-se. A figura 18 mostra uma ponte

do metal derretido entre os eléctrodos de aço. Esta ponte forma-se a uma corrente muito

elevada e é mostrada porque é um bom exemplo de uma ponte estável do metal derretido.

Há um número de estudos detalhados deste fenómeno. A ponte da figura 19 mostra que a

ponte tem um centro oco. De facto, nós poderíamos ter esperado tal estrutura se a

distribuição da corrente através do ponto do contacto [equação (3.5)] fosse considerada.

Enquanto a ponte estica a tensão através dela aumenta, e (como pode ser visto da tabela

3.2) a tensão não aumenta muito antes que a temperatura de fervimento do metal esteja

alcançada (estes valores supõem que a lei de Franz do Wiedemann permanece válida). Na

prática a ponte derretida tende a tornar-se instável antes de ferver por causa dos efeitos da

tensão de superfície. Também, sob as circunstâncias dinâmicas, mostrou-se que serão

obtidas tensões mais elevadas do que aquelas dadas na figura 15 e tabela 3.2; há uma

retardação entre o tempo em que a tensão alcança um valor dado e o momento em que

temperatura aumenta até ao seu valor máximo. Eventualmente, a ponte derretida rompe e é

formado um arco eléctrico. Somente após a formação do arco é que o projecto da câmara

do arco determina o desempenho de corte do disjuntor.

Figura 18 – Ponte de metal derretido entre contactos


25


Figura 19 – Ponte de metal derretido (Fig.18) separada de um contacto mostrando o centro oco e a parede fina

Tabela 3.2 – Temperatura e tensão de ebulição para alguns materiais de contacto

3.2.7 Oxidação da Superfície de Contacto após o Arco

O único dispositivo de interrupção cujas superfícies de contacto não são oxidadas

após formação do arco é o interruptor de vácuo. Estes dispositivos empregam assim


26


contactos ricos em Cobre com muito sucesso. Outros disjuntores operam num ambiente de

oxigénio-livre (tal como SF ou óleo) também usam contactos ricos em Cobre (geralmente

Cobre-Tungsténio (W) ou Cobre - Telúrio), mas operam geralmente com forças do

contacto altas e às vezes com uma boa acção de limpeza. Para disjuntores que operam ao

ar, a Prata é o único material de contacto de custo razoável que pode resistir a oxidação e

que pode ser capaz da modificação para correntes de arcos de menos de 1 A até superiores

a 100 A. Para correntes baixas a prata pura tem uma grande aplicação. É fácil para

interromper todas as películas de óxido ou do sulfito que ocorrerem, e o contacto mantém

uma RC baixa até ao fim da sua vida. Para as correntes médias (10 até 3000A) a prata é

fortalecida (reforçada) com Cd0 (Óxido de Cádmio). Este contacto composto mantém

ainda uma RC baixa e resiste com sucesso a erosão do arco durante comutação. Para

correntes mais elevadas do arco de contacto, é usado o contacto composto da Prata e W.

Este contacto tem uma resistência excelente à erosão do arco e uma elevada corrente de

soldadura, mas é muito susceptível à oxidação. A figura 20 mostra um exemplo da

mudança nas características da superfície dos contactos Prata-W após a comutação a 100

A. A temperatura na parte traseira do contanto estacionário é medida (esta temperatura está

directamente relacionada a RC) ao passar a corrente no estado constante. Pode-se ver que

Rc varia consideravelmente. Se o contacto Prata-W for usado para uma aplicação de

comutação, o projectista (designer) deve assegurar que haja uma acção suficiente de

limpeza e uma força de contacto suficientemente alta para interromper todas as películas

do óxido e para manter desta forma uma Rc baixa.


27


Figura 20 – Mudança na distribuição do aumento da temperatura para uma resistência de contacto fixa para a Prata, Tungsténio e Prata – Tungsténio

3.3 – CONSIDERAÇÕES NO PROJECTO (DESIGN) DO CONTACTO

3.3.1 Pressão de Contacto

A secção 3.2 mostra a importância da força que prende os contactos juntos. Deve

ser aplicada uma força suficiente para manter uma Rc baixa a fim de prevenir o

amaciamento ou derretimento das superfícies do contacto. Isto é especialmente importante

quando os contactos são sujeitos a correntes de curto-circuito momentaneamente muito


28


elevadas. Infelizmente, o estreitamento actual no ponto do contacto também fornece uma

força magnética que tende a fundir os contactos separados.

3.3.2 Força de repulsão Magnética

A figura 21 mostra esquematicamente a corrente a fluir na área de contacto

apertada. Pode-se ver que um componente da corrente flui em sentidos opostos perto das

superfícies de contacto. Esta corrente flui causando uma força de repulsão que tenta forçar

a separação dos contactos. A força de repulsão P é dada por:

arIP ln*

*8* 2

πµ

= (3.19)

Onde I é a corrente instantânea, r o raio de contacto medido, e a o raio médio de

construção. Usando a equação (3.1) e anotando que ln (r/a)= (1/2) *ln (r/a)2, temos:

FAHIP **ln*

*8* 2 ξπ

µ= (3.20)

Onde A é a área total da superfície de contacto.

Figura 21 – Caminho da corrente para um contacto de área Ar


29


Figura 22 – Efeito calculado da dureza H do material de contacto em forças separadas para diâmetro 1

Figura 23 – Efeito calculado da medida do diâmetro de contacto (2*r) em forças de contacto geradas

As figuras 22 e 23 dão-nos exemplos de como P depende de H e r. A diferença

entre os valores medidos e calculados de P são dados na tabela 3.3.


30


Tabela 3.3 – Diferença entre as forças de contacto medidas e calculadas requeridas para manter os contactos separados para uma dada corrente

A falha usando a equação (3.19) é tal que enquanto a força nos contactos aumenta,

a força F do contacto diminui. A força nos contactos é:

PFFF AS −+= (3.21)

Onde FS representa a força da mola que prende os contactos juntos e FA representa uma

força resultante do fluxo de corrente em toda a estrutura de contacto. Esta força é adaptada

muito frequentemente para ser a força que pode neutralizar P e pode geralmente ser

representada por:

2* IKF A= (3.22)

Onde K é uma constante. Substituindo por F na equação (3.20) por (3.21) fica:

F=PFF

AHIAS −+**ln*

*8* 2 ξπ

µ (3.23)

P aparece em ambos os lados desta equação e a equação não pode ser resolvida

explicitamente para P.


31


Barken pôs a equação (3.23) na forma:

AHPFFe ASIP

**)/)*(/*8( 2

ξµπ −+

=− (3.24)

E mostrado isso se o lado direito é igual a α e o lado esquerdo igual a β, uma solução da

equação (3.24) pode ser dada por:

α = β

e

dPd

dPd βα

=

A segunda expressão dá:

2

2

*****8ln*

*8*

IAHIP

µξπ

πµ

= (3.25)

Substituindo por P na equação (3.25) na equação (3.24) dá a força mínima da mola

requerida:

)***8

*****8ln1(*

*8*

22

2

AS FII

AHIFµ

πµξπ

πµ

−+= (3.26)

Contactos de Topo

Tomando os contactos mostrados na figura 21. Onde FA=0, assim a equação (3.26)

reduz-se a:

+= 2

2

*****8ln1

*8*

IAHIFS µ

ξππ

µ (3.27)

A figura 24 mostra a força de contacto FS requerida para manter a estabilidade em

contactos de disjuntores de vácuo. Pode-se ver isso na equação (3.27).


32


Figura 24 – Força da mola que pode ser aplicada a contactos de topo para manter a estabilidade de contacto

Estrutura de contacto em tulipa

Barkan fez um número de simplificações para a sua análise, mas ilustrando muito bem a

excelente estrutura deste contacto. A Figura 25 ilustra o projecto.

Figura 25 – Estrutura de contacto em Tulipa


33


Assumindo que a área total seccional de transporte de corrente dos dedos e do centro são

iguais, e a área seccional de cada dedo é:

NDA i

*4* 2π

≈

Desta forma a média do campo magnético instantâneo circundante do dedo é:

ie DN

IB***2*2

*ρ

µ=

Se a força magnética for distribuída uniformemente ao longo do comprimento do dedo, a

força excitada instantânea no ponto de contacto de cada dedo é aproximadamente

i

eA DN

LIN

LIBF***2*4

***2

** 2

πµ

=≈ (3.28)

33

Substituindo na equação (3.26) e anotando que cada dedo carrega uma corrente de I/N,

−+

=

i

iS D

LNI

NHDNIF **2

******2

ln1***8 2

22

µξπ

πµ (3.29)

Na figura 26 é mostrado o efeito do número de contactos em FS para um contacto

de base em Cobre ajustado com L/Di=1.1, Di=0.038m, e N=8 e estável para correntes de

pico até de 0,25*106 (A) com forças de contacto de apenas 80 N.


34


Figura 26 – Solução da equação (4.29) mostrando a força FS da mola que necessita de ser aplicada para

manter a estabilidade do contacto para um contacto do tipo tulipa onde L/Di=1.1

Lâmina de Knife (contactos tipo cotado)

A força em dois finos condutores paralelos que carregam correntes I1 e I2 de

comprimento l e distância d de distanciamento foi mostrada por Hauge para ser:

212

221' **21****2 II

ldl

dIIFA −+= (3.30)

Para contactos de secção transversal finita, Hauge mostrou que a verdadeira força F é dada

por:

AA FKF ´*= (3.31)

O factor de correcção K é ilustrado na figura 27 para condutores paralelos.


35


Figura 27 – Factor de correcção K na equação (4.30), traçado em função da relação do espaço de ar entre as

estruturas de contacto e a soma dos lados da secção transversal.

Barkan fez um exame da estrutura do contacto mostrada em figura 28 e sugeriu o

uso da relação muito aproximada dada por:

([ ) ]1*2/*3**8** 2

+=

WtWNLIFA

µ (3.32)

3.3.3 Contactos Paralelos

Na secção 3.2.2 mostrou-se que αFKR -1/2, e na secção 3.2.5 que há correntes

limitadas para um dado F em que ocorre um amaciamento e derretimento. A fim de superar

estes problemas em correntes elevadas, os projectistas de disjuntores usam frequentemente

as estruturas paralelas de contacto similares ao exemplo da figura 28.


36


Figura 28 – Estrutura de contacto da lâmina de Knife

Este tipo de estrutura pode apresentar um problema ao projectista, porque a

corrente não se distribuirá igualmente entre os braços do contacto. Isto resulta da diferença

na indutância mútua entre os dedos, que varia de acordo com a posição de contacto.

Yoshioka fez uma análise cuidadosa de um grande número de contactos de estrutura linear.

Considerou-se o contacto ith do dedo, e obteve-se:

V= ij

Ciij

ij IRRdt

dIL *)(∑ ++ (3.33)

Lij= Indutância mutua entre os dedos ith e jth

Ri= Resistência de carga do contacto ith

RCi= Resistência de contacto do contacto ith

Ii= Corrente no contacto ith

V= Tensão no contacto ith

A figura 29 mostra a distribuição da corrente nos contactos paralelos com 10 dedos

e uma lâmina. Deve ter-se em conta a influência muito forte da Rc na distribuição da

corrente entre os dedos.


37


Figura 29 – Corrente de distribuição em 10 contactos de estrutura lâmina - dedo

3.4 – DESEMPENHO E ESCOLHA DOS CONTACTOS

Os principais requesitos dos contactos eléctricos podem ser sintetizados nas seguintes

propriedades:

• A corrente eléctrica deve circular através dos contactos durante o período

necessário sem sobreaquecimento, pois este poderá causar a soldadura entre os contactos

ou provocará a deteorização das superfícies através da oxidação.

• Fecho do circuito em boas condições.

• Interrupção do circuito sem deteorização durante um número requerido de

operações.

A performance destas funções depende das propriedades intrínsecas dos materiais de

contactos empregados e de um número de factores conectados com as condições eléctricas

e mecânicas nas quais o contacto opera. O desempenho destas funções depende dos

seguintes factores:


38


Propriedades Químicas Tendência para a formação de superfícies peliculares

(película, membrana).

Propriedades Físicas Dureza;

Resistência de contacto;

Ponto de fusão;

Conductividade térmica.

Condições Eléctricas Tensão a estabelecer e a interromper;

Corrente a ser transportada e interrompida;

Funcionamento em DC ou AC:

Indutâncias do circuito;

Supressão (abolição) do arco.

Condições Mecânicas Tamanho e forma dos contactos;

Pressão dos contactos;

Frequência de funcionamento;

Rapidez de ligação e corte;

Acção do contacto.

A corrente máxima que pode ser transportada por um par de contactos é

determinada pela elevação da temperatura admissível e depende também da resistência

eléctrica de contacto desenvolvida. Esta será mínima com o emprego de materiais com

pouca tendência à formação de películas superficiais e usando a maior pressão de contacto

possível. Depende também da dissipação do calor das superfícies de contacto que é

assegurada pelo emprego de materiais de elevada conductividade térmica.

A corrente máxima que pode ser cortada depende da resistência do material de

contacto ao desgaste eléctrico e das propriedades coercivas do material tais como a

conductividade térmica, capacidade térmica, dureza do material, densidade e alto ponto de

fusão.


39


O desgaste pode ocorrer de duas formas:

• Quando não são excedidos os valores críticos da tensão e da corrente, nestes casos

não há arco.

• Quando estes valores são excedidos, existe arco eléctrico e o desgaste é muito

superior.

Depende das propriedades coercivas do material como a conductividade térmica e a

capacidade térmica pois se o calor produzido pelo arco não é dissipado suficientemente

rápido a temperatura das superfícies de contacto subirá e as forças coercivas diminuirão

devido ao aumento da energia cinética.

As propriedades e condições necessárias para obter baixas resistências de contacto

e alta capacidade de transporte de corrente podem ser incompatíveis com as propriedades

necessárias para obter a máxima capacidade de corte. Em muitos casos algumas formas de

compromisso podem ser afectadas pois os metais que possuem normalmente baixas

resistências de contacto são em geral os de baixa dureza e resistência pobre para o desgaste

eléctrico. Além disso as propriedades individuais dos materiais de contacto variam bastante

com as condições do circuito e o tipo de serviço imposto aos contactos.

3.4.1 Influência das Condições Eléctricas

Embora os efeitos da variação das condições eléctricas sobre o comportamento e

selecção dos contactos seja mais claramente posto em evidência relativamente a cada um

dos tipos de contacto indicados, ficam já descritas as linhas gerais dessas influências.

Muitas delas estão relacionadas entre si, com factores mecânicos e com as outras

características do circuito. A sua influência geral sobre a quantidade de energia do arco

libertada no fecho e no corte, isto é, sobre os efeitos destrutivos do arco podem resumir-se

como se segue:

• Tensão no Fecho e Corte

Com o aumento da tensão para uma corrente constante e um dado material de

contacto, a severidade do desgaste eléctrico sobre o par de contactos aumenta, ou seja, com

o aumento da tensão aumenta o desgaste eléctrico.


40


• Corrente a Transportar e Interromper

Para uma dada tensão, aumentando a corrente existe um aumento do desgaste

eléctrico nos contactos, e no caso dos circuitos DC existe ainda um aumento da

quantidade de material transferido.

• Funcionamento em DC e AC

Para a mesma tensão nominal o desgaste eléctrico é maior em DC pois em AC há o

efeito de extinção do arco quando da passagem da tensão por zero.

• Indutância do circuito

Quanto maior a indutância do circuito maior é o desgaste, devido ás tensões de crista

que se produzem na interrupção do contacto.

• Supressão do Arco

O desgaste eléctrico pode ser reduzido pelo uso conveniente do dispositivo de

supressão do arco, destinado a reduzir a duração e intensidade do arco. Pode ter a forma de

um condensador shuntando os contactos, um condensador em série com uma resistência,

condensador em paralelo com uma resistência, uma resistência apenas ou em alguns casos

um rectificador. Isto também é válido para o desenho da câmara de corte (exemplo:

compressão de gás).

3.4.2 Influência das Condições Mecânicas

Os efeitos das várias condições mecânicas nos equipamentos eléctricos devem ser

considerados em relação oposta aos factores acima descritos. Os efeitos gerais que opõem

a performance do contacto em termos de desgaste eléctrico e a máxima corrente que pode

ser transportada por um par de contactos podem ser descritos sumariamente como:

• Tamanho dos Contactos

Para que haja uma rápida dissipação do calor gerado no ponto de contacto a massa e a

conductividade térmica do contacto devem ter valor aproximado. Em geral, quanto maior


41


for a corrente a transportar maior é o tamanho do contacto, de forma a evitar um

aquecimento exagerado, a aderência e o aumento da resistência do contacto.

• Pressão de contacto

Para um dado material de contacto com a sua superfície de contacto limpa, o aumento

da pressão de contacto vai causar a diminuição da resistência de contacto (dentro dos

limites impostos pelas propriedades do material) e o aumento da corrente máxima que

pode ser transportada sem sobreaquecimento.

• Frequência de Funcionamento

O aumento da frequência de operação de um par de contactos vai causar o aumento do

desgaste eléctrico. Este efeito é ainda mais severo nos materiais de contacto com baixa

conductividade térmica.

• Velocidade de Fecho e Corte

Em geral, quanto maior for a velocidade de fecho e corte menor será a duração do arco

eléctrico, reduzindo desta forma o desgaste eléctrico.


42


44–– MMAATTEERRIIAAIISS DDEE CCOONNTTAACCTTOO

4.1 – PROPRIEDADES DOS MATERIAIS DE CONTACTO

Além dos factores eléctricos e mecânicos que determinam a performance e selecção

do contacto, deve-se dar alguma atenção as propriedades físicas e químicas dos metais e

ligas normalmente empregados nos contactos. Como já indicado, as principais

características que afectam a selecção do contacto são a tendência à formação de películas

com deslustre (perda de brilho) ou corrosão, e resistência ao desgaste eléctrico, o último

(resistência ao desgaste) está relacionado com a dureza, ponto de derretimento e

conductividade térmica.

A formação da película causará o aumento da resistência de contacto, e pode

conduzir a uma espiral viciosa de aumento da temperatura e aumento da formação de

películas. Nesta conexão por esse motivo deve ser apreciada uma tendência relativa de

cada material há formação de óxido, de sulfureto ou outras películas sob várias condições.

O ponto de dureza e derretimento, embora de maneira nenhuma seja uma medida

do desempenho do contacto, terá que produzir uma resistência ao desgaste eléctrico, como

descrito anteriormente, nos casos em que a frequência de operação é elevada, a

conductividade térmica determinará a dissipação do calor da superfície de contacto o

desgaste eléctrico e a tendência à soldadura. As seguintes notas descreverão os materiais

usuais do contacto deste ponto de vista a fim de obter claramente as vantagens e limitações

de cada um. As propriedades físicas destes materiais estão dadas na tabela 4.1, enquanto a

tabela 4.2 ajusta para fora na forma qualitativa as suas propriedades relativas em termos de

tendência ao aumento do desenvolvimento de resistências de contacto elevadas e aumentar

as resistências ao desgaste eléctrico.

Deve ser compreendido que a tabela 4.2 é melhor em aproximação, e não deve ser

estritamente interpretada. Serve, no entanto, para realçar o facto de que a manutenção

de uma resistência de contacto baixa é geralmente incompatível com uma boa

resistência ao desgaste eléctrico a correntes de curto-circuito, e que o projecto de

aparelhagem de corte corresponde a um compromisso entre estas duas exigências

opostas. A seta vertical indica a tendência crescente para a formação de películas de


43


superfície, com o consequente aumento da resistência de contacto, outras condições estão

sendo assumidas para permanecer constante. A tabela é dividida em duas secções nesta

direcção desde que todos os materiais incluídos na parte de cima estão livres do desgaste

do sulfureto tal como da oxidação a temperaturas normais, enquanto os materiais do meio

da tabela para baixo são susceptíveis à formação da película de sulfureto e, no caso dos

materiais que contenham Cobre, Níquel, Molibdénio e Tungsténio, ainda à formação de

óxido. As comparações estritas não devem, consequentemente, ser feitas entre materiais de

diferentes partes da tabela.

Tabela 4.1- Propriedades Físicas dos materiais de contacto


44


Tabela 4.2 - Propriedades relativas de contacto dos principais materiais de contacto

Relativamente à tabela 4.2 a seta horizontal indica a ordem aproximada dos

materiais na sua resistência ao desgaste eléctrico, mas não tem em conta o efeito da

elevada frequência de operação, e as suas consequências em termos do aumento da

temperatura e aumento do desgaste, no caso dos materiais de baixa conductividade térmica.


45


4.2 – MATERIAIS DE CONTACTO PARA AR, ÓLEO E AMBIENTE SF6

Na Média tensão todos os contactos eléctricos contêm uma percentagem elevada de

um bom condutor como o Cobre ou Prata. Nos barramentos também é frequente o uso do

Alumínio, para ligações curtas com grandes intensidades de corrente. Dependendo da

aplicação em questão são adicionadas pequenas percentagens de outros materiais ao Cobre

e à Prata formando ligas que apesar de afectarem um pouco a sua resistividade, podem

melhorar substancialmente certas características mecânicas e mantê-las às temperaturas de

utilização, que por vezes são elevadas. Na secção seguinte (4.2.1) são apresentadas as

características e as propriedades dos materiais do contacto usados hoje na Média Tensão

com a excepção das aplicações do disjuntor de vácuo, que serão discutidas posteriormente

na secção 4.3.

4.2.1 Metais e Ligas

A – Alumínio (Al)

Os contactos são expulsos (obrigados a sair por extrusão) do estuque da barra de

Alumínio ou da liga de Alumínio. A conexão pode ser aparafusada, frisada ou soldada, no

entanto deve ter-se um grande cuidado na conexão deste material.

Uma vez que a película do óxido é quebrada neste material macio, pode ser

conseguida uma baixa resistência de contacto. Para impedir a oxidação deste material é

frequente o seu chapeamento. Onde for provável a ocorrência de corrosão, é “sábio” usar o

alumínio chapeado com prata.

Este material não pode ser usado nos casos em que possam ocorrer arcos eléctricos. As

suas baixas temperaturas de derretimento e de efervescência permitem uma severa erosão.

Em atmosferas oxidantes o metal pode mesmo queimar-se. A recuperação é relativamente

pobre e podem formar-se soldas fortes em atmosferas não oxidantes.

Como já foi dito o Alumínio encontra o seu uso nos barramentos eléctricos.


46


B – Cobre (Cu ETP)

O Cobre electrolítico (Cu ETP) é o material de contacto com maior utilização na

Média Tensão tal como na electrotecnia em geral. O uso do Cobre é comum nos casos em

que o baixo custo e a conductividade eléctrica elevada são requeridos.

Este metal é completamente maleável, podendo ser endurecido com adições de outros

materiais. Os contactos do Cobre podem ser aparafusados, soldados ou bronzeados.

Este material é mais duro do que o alumínio e quando nenhum óxido está presente tem

uma baixa resistência de contacto. Uma vantagem que tem em comparação com a Prata é o

seu calor específico apreciavelmente mais elevado, 0.092 cal* ºC/g contra 0.056 para a

Prata. Como estes materiais têm uma condutividade térmica semelhante, para uma dada

quantidade de calor gerado na face de contacto, o aumento da temperatura com o Cobre

será mais baixo do que com a Prata. Esta propriedade ajuda ao uso bem sucedido do Cobre

como um contacto sob frequências razoavelmente elevadas de operação.

O óxido pode ser removido facilmente e não dá forma muito rapidamente em

temperaturas normais. Nos contactos aparafusados ou nos contactos perfurados (com

furos) a R mantém-se baixa por longos períodos de tempo.

Neste material a erosão do arco é severa. Quando é sujeito a um arco, ao arco não deve

ser permitido permanecer estacionário. O arco pode ser movido, por exemplo, usando uma

força de J*B. Em atmosferas não controladas a formação dos óxidos pode causar

problemas ao desempenho da comutação.

Tem uso largo em barramentos, interruptores e disjuntores. É chapeado

frequentemente com Prata para a protecção à formação de óxido. As propriedades deste

material usado pela EFACEC AMT, S.A encontram-se em Anexo, com os Data Sheets

correspondentes.

C – Liga de Cobre – Telúrio (Cu – Te)

Tecnicamente, a opção de reforço do Cobre normalmente utilizado para fins eléctricos

com uma pequena adição de Telúrio resulta numa estrutura com as seguintes vantagens:

boa conductividade eléctrica e térmica, boa deformação a frio, óptima resistência ao

arco eléctrico, boa resistência à corrosão e razoável deformação a quente.


47


As propriedades deste material, mais especificamente a boa resistência ao arco

eléctrico são fundamentais a fim de garantir a durabilidade e boa performance das partes

activas do circuito eléctrico, cujo funcionamento implica um desgaste superior,

principalmente em contactos móveis ou fixos de interruptores e disjuntores. O pré-arco

resultante da disrupção do dieléctrico quando se procede a uma operação de fecho ou

mesmo da operação de abertura dos contactos devido ao transitório associado à tensão de

restabelecimento (TVR), resultariam, para um Cobre comum, no desgaste da superfície dos

contactos, e no limite (para condições de fecho \ abertura sobre curto-circuitos) no

arranque de material dos mesmos. A consecutiva operação de aparelhagem de corte nestas

condições contribui para uma degradação exponencial dos dieléctricos, até ao ponto de não

ser possível assegurar parâmetros necessários para garantir a segurança de aparelhos e

pessoas. No entanto, as características do CuTe garantem a não degradação de superfícies

pela acção do arco eléctrico, assim como a preservação dos contactos minimizando o

arranque de material quando este é solicitado mecanicamente a altas temperaturas.

Esta liga encontra-se largamente aplicada na aparelhagem de Média Tensão em

contactos de transformadores, interruptores e disjuntores. Como veremos posteriormente

este é o material mais utilizado na EFACEC AMT, SA para a sua aparelhagem de

corte. As aparelhagens de Média Tensão são dimensionadas e testadas de forma a resistir à

passagem das correntes de curto-circuito durante um tempo limitado (exemplo: 16 KA – 3

s) e ao fecho das mesmas em ensaios sucessivos. As propriedades deste material usado

pela EFACEC AMT, S.A encontram-se em Anexo, com os Data Sheets correspondentes.

D – Prata (Ag)

A Prata é um metal que tem um largo campo de uso no contacto eléctrico de Média

Tensão. Tem um ponto de derretimento (fusão) baixo e é um material maleável, podendo

ser aparafusada, soldada e bronzeada.

Este material tem a conductividade eléctrica e térmica mais elevadas do que

qualquer outro metal sendo a este respeito o melhor material de contacto avaliado.

Consequentemente a sua resistência de contacto permanece muito baixa. Com a adição de

Cobre a Prata torna-se mais dura e tem que ser usada uma força maior para manter valores

baixos de resistência. A prata tem uma tendência ao deslustre, este deslustre na superfície


48


da Prata não é devido à oxidação mas a uma película de sulfureto que é provável se formar

nos contactos de Prata. Geralmente tal película não dá um grande aumento da resistência

de contacto nos casos em que há formação de arcos ou uma acção de limpeza para manter

os contactos desobstruídos. A corrosão não é um problema na Prata, sendo usada em

chapeamento de outras superfícies (por exemplo, Cobre ou Alumínio) onde possa ocorrer a

corrosão.

O ponto de efervescência baixo resulta na erosão severa pelo arco eléctrico. Tal como

no Cobre, a erosão pode ser minimizada usando forças de J*B para mover o arco para fora

das superfícies de contacto.

A Prata é usada geralmente como um material de chapeamento do Cobre para

aplicações em barramentos e para peças de suporte do contacto, sendo também usada em

disjuntores e interruptores. Um número de materiais pode ser adicionado à Prata para

finalidades de contacto eléctrico.

E – Liga de Prata – Óxido de Cádmio (Ag – CdO)

Por vezes os contactos de Prata são reforçados com Óxido de Cádmio (CdO) de

forma a melhorar algumas características da Prata. Este material pode ser produzido por

dois métodos: (1) fazendo contactos de ligas Prata - Cádmio e aquecendo-os sob oxigénio

de alta pressão; (2) pressionando e aglomerando a Prata e os pós de Óxido de Cádmio na

forma de contacto (com este método consegue-se produzir um Elkonite (falaremos dos

Elkonites na secção 4.2.2). Destes dois tipos de contacto o usado na Média Tensão é o

contacto produzido pelo primeiro método e será deste que vamos falar.

Este material é mais duro do que a Prata e a sua conductividade depende da

percentagem de óxido de Cádmio contida dentro da estrutura de contacto. A resistência de

contacto mantêm-se baixa apesar de ser consequentemente mais alta do que a da Prata. A

sua resistência mantém geralmente constante durante o seu período de vida. A oxidação é

similar à da Prata, mas todo o Cádmio livre na superfície de contacto dará forma a um

óxido antes da Prata. As suas propriedades de corrosão são similares ás da Prata.

Resiste com sucesso à erosão do arco, tendo neste ponto uma melhor actuação do

que a Prata. Após todos os arcos o Cádmio livre na superfície de contacto dá forma a

Óxidos de Cádmio e ajuda a impedir a oxidação da Prata. Fortes arcos, contudo, causarão a

deflexão (esgotamento) de Óxidos de Cádmio da região de origem do arco. Os arcos


49


movem-se mais facilmente na Prata e Cobre do que neste material. A mobilidade do arco

diminui quando aumenta o índice de CdO. Tem excelentes propriedades anti – soldadura

para correntes até 3 KA.

Este material é um bom material para correntes até 3 KA mas é pouco usado na

aparelhagem de Média Tensão pois as suas propriedades são especialmente boas para

aplicações até 600 V.

4.2.2 Elkonites

Apesar dos metais e ligas anteriormente referidos reunir muitas das exigências dos

contactos na Média Tensão, num certo número de casos a tendência foi colocar mais

exigências aos contactos, conduzindo à erosão, soldadura e outros problemas.

Consistem em metais que não são capazes de dar formas a ligas como quaisquer

outros, e são, por isso, produzidos por técnicas metalúrgicas de pó. Desta forma é possível

preparar combinações de dois ou mais metais de características muito diferentes em que as

propriedades desejáveis de cada uma são preservadas, e nas quais as partículas individuais

de cada metal são divididas finamente e distribuídas uniformemente. A microfotografia da

figura 30, ampliada 3000 vezes, mostra claramente o estado fino da divisão das partículas

num Elkonite típico. Existe um certo número de classes de Elkonite sendo que cada um

proporciona propriedades químicas, eléctricas e mecânicas diferentes, as propriedades das

classes mais usadas em geral são dadas nas tabelas 4.1 e 4.2. A natureza da base

refractária, a natureza do metal de ligação, e as proporções relativo ás duas determina as

propriedades do Elkonite. As notas seguintes sumariam as suas principais características de

contacto e campos de utilidade.

A – Cobre – Tungsténio Elkonites Os membros do grupo de Cobre - Tungsténio permitem um compromisso, num

material, entre a conductividade elevada e a resistência relativamente baixa do contacto de

Cobre e a elevada dureza e resistência ao desgaste do Tungsténio. No principio foram

projectados para o uso como contactos em arcos em disjuntores de óleo imerso, sendo

usados hoje em certas ocasiões para determinados tipos de aparelhagem de controlo que


50


operam ao ar. Devem ser confinados ás aplicações onde a frequência de operação é

comparativamente baixa, e onde as pressões elevadas de contacto estão disponíveis.

Dos três Elkonites de Cobre- Tungsténio disponíveis, a classe 1W3 é a que tem o

índice mais baixo de Tungsténio, e assim a conductividade mais elevada, a resistência mais

baixa de contacto e menor resistência de erosão ao arco. É usada preferivelmente em

disjuntores de média tensão. A classe 30W3 tem o índice mais elevado de Tungsténio, com

a maior resistência ao arco, e é usada com muito sucesso nos disjuntores de alta tensão

onde a resistência de contacto não é de primária importância. A classe 3W3 tem

propriedades intermédias.

Todos os Elkonites de Cobre - Tungsténio são pouco maleáveis, e devem ser

empregues como formas relativamente simples, embora as operações de maneabilidade

sejam completamente possíveis.

Figura 30 – Microfotografia de um Elkonite de Cobre – Tungsténio, mostrando a

divisão das partículas (ampliada 300 vezes)

B – Prata – Tungsténio Elkonites

Este grupo tem propriedades que são paralelas ás da série Cobre- Tungsténio, a

diferença essencial é a resistência de contacto muito mais baixa e a liberdade de oxidação

associada com a Prata em comparação com o Cobre.

A classe 50S tem o índice mais elevado de Prata do grupo e desta forma a

conductividade mais elevada e a resistência de contacto mais baixa. É maleável dentro de


51


determinados limites. A classe 35S tem um índice mais elevado de Tungsténio e suporta a

formação de arcos numa extensão superior que a classe 50S, mas com um aumento ligeiro

da resistência de contacto. A classe 20S tem o maior índice de Tungsténio e é seleccionada

para aplicações onde é essencial a resistência de formação de arcos. Tanto a classe 35S

como a 20S são não maleáveis e são aplicadas como revestimentos de prata soldada em

revestimentos protectores de Cobre ou outros apropriados.

São servidos de uma larga variedade de aplicações, desde contactos de formação de

arcos em disjuntores até contactos de muitos tipos de equipamentos industriais.

C – Prata – Carboneto de Tungsténio Elkonites As características gerais deste grupo são similares ás do grupo precedente a não ser

que o Carboneto de Tungsténio substitui o Tungsténio. Isto resulta numa grande dureza e

estabilidade sob condições severas. A classe G13 tem um índice de Prata mais elevado que

a G14 e ambos os materiais são não maleáveis. As pressões fortes da mola e as operações

menos frequentes são essenciais para o seu emprego bem sucedido. Podem ser empregues

em pares, mas uma combinação que tem sido usada em determinados interruptores

resistentes, consiste num contacto G13 que se acopla com a Prata fina ou Óxido de

Cádmio, Elkonite D54.

D – Prata – Molibdénio Elkonites

Estes materiais, dos quais a classe G17 é a que tem um índice mais elevado de

molibdénio, são um tanto mais macios do que as outras combinações refractárias do metal,

e têm uma conductividade mais elevada. São apropriados para o uso em relés e nos

interruptores onde as correntes consideráveis devem ser asseguradas sem solda dos

contactos. O melhor desempenho é obtido com pressões razoavelmente fortes de contacto e

frequência moderada de operação. Tanto a classe G17 como G18 são não maleáveis.

4.3 – MATERIAIS DE CONTACTO PARA DISJUNTORES DE VÁCUO

Nos últimos 30 anos novas tecnologias emergiram para disjuntores de tensão média

(5 Kv-38 kV). Na média tensão estão hoje estabelecidas duas novas tecnologias de


52


interrupção, o disjuntor de vácuo e o disjuntor em SF6. Destes, o SF6 Puffer e o SF6, de

design de arco rotativo usam materiais de contacto tradicionais. A área de maior

desenvolvimento de novos contactos foi, e continua a ser, a dos contactos para disjuntores

de vácuo.

Figura 31 - Design do disjuntor de vácuo

Os componentes internos de um disjuntor típico de vácuo são mostrados na figura

31. Os contactos livres do gás puro alojam-se dentro de um invólucro evacuado no qual a

pressão do gás ambiente é aproximadamente 106 torr. Quando o interruptor é fechado, os

topos dos contactos juntam-se (ligam-se). O arco é estabilizado dentro do interruptor

retirando o contacto de fole do contacto estacionário. Este arco queima-se no vapor do

metal evaporando-se dos pontos quentes locais das superfícies de contacto. O vapor de

metal sai continuamente da região de inter contacto e condensa-se nas superfícies de

contacto e no metal protector circunvizinho. O último é isolado de ambos os contactos e

serve para proteger o invólucro isolante do vapor depositado. Quando da passagem da

corrente por zero, a produção de vapor de contacto cessa (acaba) e a condição original de

vácuo é rapidamente aproximada. A força (energia) dialéctica do interruptor também

aumenta, e o circuito é interrompido. Com os contactos na posição de abertos, a tensão do


53


circuito é isolada internamente pela abertura dos interelectrodos e externamente pelo

invólucro isolante.

O ambiente de vácuo oferece vantagens definitivas ao desenvolvimento de novos

materiais de contacto. Por exemplo, não há nenhum gás ambiente para contaminar a

superfície de contacto. Assim, as misturas dos materiais que não podem ser contemplados

para a aplicação em ambientes gasosos, tais como o SF6, podem ser consideradas.

Também, as mudanças na superfície de contacto após a formação de arcos são somente

afectadas pela interacção dos materiais de contacto em si mesmos, e não pelos óxidos

complexos que podem-se formar, por exemplo, ao ar. Assim uma vez a superfície de

contacto estabilizar, a resistência de contacto será constante e consistente durante toda a

vida dos contactos. A falta do gás ambiente também permite uma oposição de alta tensão

através de uma pequena abertura do contacto e permite consequentemente projectos

relativamente compactos do disjuntor de vácuo. Mesmo com estas vantagens, contudo, o

desenvolvimento de materiais de contacto práticos para disjuntores de vácuo resultou do

acordo tradicional entre as propriedades eléctricas e mecânicas desejadas e as limitações

dos materiais de contacto.

Hoje há uma melhor compreensão da natureza complexa do arco de vácuo e como a

estrutura de contacto do disjuntor de vácuo necessita de ser projectada para funcionar em

níveis específicos de corrente e de tensão. A tabela 4.3 apresenta uma matriz que mostra a

interacção complexa entre as propriedades dos materiais de contacto e as exigências de

desempenho dos disjuntores de vácuo.

Tabela 4.3 - Propriedades dos materiais que influenciam o desempenho do contacto


54


4.3.1 Metais e Ligas

Há um grande número de ligas que foram propostas para o uso no interruptor de

vácuo. A maioria destas ligas tem como constituinte principal o Cobre com a adição de

outros materiais de forma a aumentar a sua resistência de solda e/ou força mecânica e/ou

para baixar a corrente em que ocorre o corte. A Prata não é usada porque é mais cara do

que o Cobre e não oferece nenhuma vantagem real sobre este num ambiente de vácuo.

Nos contactos do disjuntor de vácuo são usadas quatro classes de material:

• A - Material Semi – refractário + um bom condutor (Crómio + Cobre);

• B - Material refractário + um bom condutor (por exemplo Tungsténio + Cobre ; ou

Tungsténio + Cobre + Prata);

• C - Ligas de Cobre (por exemplo Cobre- Bismuto);

• D - Metais puros (por exemplo Tungsténio, Berílio).

Na tabela 4.4 é dada uma avaliação qualitativa das propriedades dos materiais para

estas classes de material quando usadas em contactos de disjuntores de vácuo de Média

Tensão.

Tabela 4.4 - Avaliação qualitativa das propriedades dos materiais para cada classe do material de contacto


55


A – Cobre – Crómio (Cu – Cr)

Esta classe de materiais de contacto tem assumido o domínio nos últimos vinte

anos. Em 1972 era um material novo, desenvolvido como um possível competidor à classe

de material extensamente aceitada de então o Cobre - Bismuto. Desde esse tempo, a

pesquisa extensiva ás propriedades e ao desempenho do Crómio- Cobre nos contactos de

média e interruptores de vácuo em correntes elevadas confirmou as promessas feitas então.

De facto, este material é agora o contacto preferido para esta classe de disjuntor de vácuo.

Pesquisas comparando as propriedades de outras combinações de materiais nesta classe,

tais como o Cobalto- Cobre e o Vanádio- Cobre, continuam a confirmar o desempenho

superior do Crómio- Cobre.

Esta classe de material tem uma história interessante. Foi proposta por Robinson

(Eléctrica Inglesa, Ltd) no meio dos anos 60 como um possível substituto do Cobre -

Bismuto. Foi identificado como um material combinado com o potencial que tem de

resistir a tensões elevadas e as propriedades do arco de erosão do Tungsténio- Cobre junto

com a capacidade de interrupção de correntes elevadas do Cobre- Bismuto. Robinson

chamou-lhe material “C”. Na primeira incorporação, consistiu em pós de Crómio com uma

camada muito fina de Níquel que foi pressionada, aglomeração de vácuo, e a infiltração do

vácuo com Carbono. O Carbono foi pensado ao ser necessário reduzir o óxido de Crómio.

O Níquel tende a formar uma liga com o Cobre infiltrado. Combinado com a formação de

Carboneto de Crómio, isto resulta num material de contacto com alta resistividade. Embora

a Eléctrica Inglesa fosse pioneira neste material, a capacidade de fabricar disjuntores de

vácuo foi pioneira por Westinghouse quando as duas corporações formaram uma parceria

técnica no fim dos anos 60. Novas incorporações seguidas com material CLR (a

eliminação do revestimento de Níquel resultou num contacto de baixa resistividade) e um

material com uma composição elevada de Cobre, chamado LR. O reconhecimento que o

Crómio - Cobre poderia ser usado como um material do contacto de disjuntor de vácuo

ocorreu lentamente. Mesmo em 1980, somente a Siemens e a Mitsubishi seguiram

Westinghouse disjuntores comerciais. A maioria dos outros fabricantes continuaram a usar

a classe de materiais de ligas de Cobre. Desde 1980, entretanto, os contactos de Crómio-

Cobre tornaram-se extensivamente aceites que agora, têm o uso na maioria dos disjuntores

de vácuo comerciais de média tensão e correntes elevadas.


56


A tabela 4.5 mostra as três técnicas que foram usadas para produzir um material de

contacto de confiança com Crómio - Cobre. Cada uma destas técnicas produziu contactos

que tiveram aplicações bem sucedidas em disjuntores de vácuo. A tabela 4.6 fornece a

conductividade eléctrica e a dureza típica destes materiais. Uma consequência do trabalho

de Muller no arco - fusão de baixa pressão de Crómio e Cobre para dar forma a lingotes

(barras) foi o desenvolvimento do novo diagrama de fase de Crómio – Cobre, mostrado na

figura 32. Este diagrama mostra um sistema com uma abertura lisa entre fracções de massa

de Crómio de 40% e 94,5%. A temperatura de 1750º C é 280ºC mais elevada que a

relatada previamente. A solubilidade do Cobre no Crómio à temperatura de (1076ºC) com

uma fracção de Cobre de 1,28% é mais elevada que o valor geralmente aceite de 0,1%.

Tabela 4.5 - Técnicas de fabrico para materiais de Crómio- Cobre

Tabela 4.6 – Propriedades dos materiais para contactos de Crómio - Cobre


57


Figura 32 – Diagrama de fase de Muller para o sistema de Crómio – Cobre

Tabela 4.7 – Aditivos propostos para contactos de Crómio – Cobre

Uma subclasse do material de contacto Crómio - Cobre foi desenvolvida a fim de

realçar uma característica particular de operação do material. A tabela 4.7 apresenta uma

descrição destas sugestões aditivas.

B – Materiais refractários com a adição de um bom condutor

A mistura de Tungsténio e Cobre tem sido usada há muito tempo para a comutação

de correntes baixas (até 3KA) em circuitos de Média Tensão. Mais recentemente, o

contacto de Tungsténio – Cobre - Prata, com a sua potencialidade de aumento súbito de


58


tensão, encontrou o seu uso em contactos de baixa tensão. É também capaz de interromper

correntes elevadas (≈25KA) se o arco de vácuo for forçado a permanecer difuso aplicando

um campo magnético axial através da abertura do contacto aberto. Apesar deste sucesso

limitado, esta classe de material é ainda extensamente usada somente nos contactores de

baixa tensão, baixa corrente e nos disjuntores de baixa tensão e baixa corrente.

C – Ligas de Cobre

O material de Cobre - Bismuto foi o primeiro material de contacto (correntes

elevadas) desenvolvido com sucesso para disjuntores de vácuo nos anos 60. Descobriu-se

que se for adicionado menos de 1% de Bismuto ao Cobre, uma interrupção aceitável de

correntes elevadas e tensões elevadas opor-se-á conjuntamente alcançando uma capacidade

para oposição a uma fusão severa. Esta classe de material foi mais tarde expandida para

incluir todos os materiais onde o constituinte principal tem um ponto de fervimento

(ebulição) menor que 3500K e onde o menor constituinte tem uma temperatura de

congelação menor que o maior constituinte. O menor constituinte destas combinações

necessitou também de ter uma substancial solubilidade no estado líquido do maior

constituinte e uma pequena solubilidade no estado sólido do maior constituinte.

Tipicamente, estes materiais cobertos similares ao Cobre - Bismuto, tais como Prata -

Bismuto, Prata - Chumbo, Prata - Telúrio, Cobre- Telúrio, etc. apesar do desenvolvimento

das combinações mais complexas, tais como o Cobre, Telúrio, Selénio, Ferro, esta classe

de material, em geral, foi substituída pelo material de contacto Crómio- Cobre para o uso

em disjuntores de vácuo.

D – Metais Puros

A maioria dos estudos iniciais em arcos de vácuo foi executada usando contactos de

Cobre. Infelizmente, o Cobre tem uma tendência para dar forma a soldas fortes e a classe

dos materiais Cobre - Bismuto foi desenvolvida para superar esta desvantagem. O único

metal puro que foi mostrado com sucesso como um material de contacto para os

interruptores de correntes elevadas elevado foi o Berílio. Este material não foi usado em

disjuntores comerciais de vácuo por causa do potencial efeito tóxico do Óxido de Berílio

(BeO).


59


5– EXPERIÊNCIAS LABORATORIAIS

5.1 –ENSAIOS LABORATORIAIS

Resistência ao desgaste Mecânico

e

Resistividade Eléctrica

Na Aparelhagem de Média tensão

Luís Folgado

FEUP - EFACEC AMT, S.A

Junho de 2003


60


5.2 – ÂMBITO DO TRABALHO

O ensaio laboratorial a realizar inseriu-se no âmbito do trabalho “O contacto

Eléctrico na aparelhagem de Média Tensão”, sendo a sua realização uma boa forma de

analisar as diferentes características dos materiais utilizados na EFACEC AMT, SA para o

contacto eléctrico com contactos móveis.

Este ensaio servirá também para efectuar um “teste” a um novo processo de fabrico

de um contacto que se pretende implementar na prática por parte da EFACEC AMT, SA.

5.3 – OBJECTIVOS

Permitir a utilização da estrutura laboratorial da empresa, bem como contactar com

a realidade de trabalho diária da mesma.

Permitir o contacto com tecnologias e materiais correntemente utilizados na

Aparelhagem de Média tensão.

Análise comparativa da resistividade e do desgaste mecânico em quatro tipos de

materiais de contactos móveis, após a realização de um número significativo de manobras.

5.4 – UNIDADE EM ENSAIO

A unidade em ensaio corresponde a um interruptor trifásico isolado a SF6 tipo ISF,

utilizado até 24 KV – 16 KA – 630 A nas celas modulares Normafix.

Neste ensaio vamos utilizar uma ampola do tipo ISF de 400 A, onde se alojarão os

contactos a ensaiar.

O ensaio foi realizado com quatro contactos diferentes, com Cobre simples (Cu

ETP), Cobre – Prateado (Cu ETP + Ag), uma liga de Cobre – Telúrio (Cu – Te) e uma liga

de Cobre – Telúrio ( Cu – Te) com tratamento térmico superficial (novo contacto).


61


5.5 – MÉTODO DE ENSAIO

O método a utilizar consiste na realização de 2000 operações eléctricas de fecho e

abertura dos contactos eléctricos. Para a realização do ensaio foi criado um sistema

automático que alimenta a motorização do comando de fecho e de abertura. No início do

ensaio, até ás 1000 operações, os contactos usados foram o da liga de Cobre – Telúrio com

tratamento térmico (fase 1), Cobre Prateado (fase 2) e o de Cobre simples (fase 3). Numa

fase posterior, ás 1000 operações, o contacto de liga Cobre – Telúrio com tratamento

térmico foi substituído pela liga de Cobre - Telúrio de forma a efectuarmos uma

comparação de resultados entre estes dois contactos.

Para a medição da resistividade os contactos eléctricos foram sujeitos a uma

corrente eléctrica contínua de 100 A, sendo então medida a tensão aos terminais do

contacto através de um Multímetro (voltímetro).

Na figura seguinte é mostrado o circuito equivalente do ensaio:

Figura 33 - Circuito Equivalente a ensaiar.


62


5.6 – EXPERIÊNCIA E RESULTADOS LABORATORIAIS

A partir do método anteriormente referido realizamos os ensaios de Desgaste

Mecânico e Resistividade Eléctrica.

5.6.1 Realização do Ensaio de Influência na Resistividade Eléctrica

A resistividade eléctrica é simplesmente l

AR *=σ onde R é a resistência

do contacto, A é a área seccional transversal e l é o comprimento entre os

eléctrodos. Como A e l são constantes para toda a experiência com contactos,

então a resistividade é proporcional à resistência numa instalação experimental.

Tendo o valor da corrente e da tensão (retirado com o voltímetro), a partir

da Lei Ohm retiramos o valor da Resistência, IUR /= . Neste ensaio tal como no

ensaio seguinte a medição dos valores foi efectuada diversas vezes de forma a

poder retirar o maior número de informação possível e posteriormente retirar

conclusões concretas. A medição dos valores de resistência foi efectuada ás 0,

100, 250, 500, 1000 e 2000 operações.

Valores de Resistência

• ÁS 0 OPERAÇÕES

Antes de iniciar as experiências laboratoriais efectuou-se a medição da resistência

nos contactos, com os seguintes resultados:

Liga de Cobre – Telúrio com tratamento – 45 µΩ

Cobre Prateado – 40 µΩ

Cobre simples – 41 µΩ


63


Figura 34 – Fonte de corrente utilizada para medição dos valores de resistência eléctrica

Figura 35 – Multímetro utilizado nos ensaios


64


Figura 36 – Medição de valores de resistência

Figura 37 – Vista geral do Laboratório de ensaios


65



Após a realização de 100 operações efectuou-se a medição da resistência nos

contactos. Esta medição a fim de evitar erros efectuou-se 3 vezes para cada contacto

(efectuando-se após cada medição uma nova operação de fecho e abertura, neste caso estas

operações foram efectuadas manualmente com um comando manual), pois os contactos

poderiam não ficar na posição correcta e os resultados seriam enganadores. É de notar que

este procedimento se repetiu para todas as operações. Os resultados obtidos foram os

seguintes:

Liga de Cobre – Telúrio com tratamento – 66, 57 e 55 µΩ

Cobre Prateado – 44, 43 e 44 µΩ

Cobre simples – 48, 50 e 47 µΩ


Após a realização de 250 operações efectuou-se novamente a medição da

resistência nos contactos. Os resultados foram os seguintes:

Liga de Cobre – Telúrio recozida – 73, 59 e 62 µΩ




Após a realização de 500 operações efectuou-se a medição da resistência nos

contactos, com os seguintes resultados:


66






Após a realização de 1000 operações efectuou-se novamente a medição da

resistência nos contactos, com os seguintes resultados:





Como referido anteriormente ás 1000 operações a liga de Cobre – Telúrio com

tratamento foi substituída pela liga de Cobre – Telúrio normalmente utilizada pela

EFACEC AMT, SA. O seu valor de resistência antes de iniciar o ensaio foi de 62 µΩ.

Após a realização de 1000 operações (2000 operações para os outros dois

contactos) efectuou-se a medição da resistência nos contactos, com os seguintes resultados:

Liga de Cobre – Telúrio – 114, 162 e 151 µΩ




67


• Resultados Finais

Os valores a seguir apresentados na tabela 6.1 são a média dos valores medidos de

resistência ás diversas operações:

Número de Operações

Tipo de Contacto 0 100 250 500 1000 2000

Cobre – Telúrio com tratamento 45 59 65 79 111 -------

Cobre – Prateado 40 44 44 43 42 52

Cobre simples 41 48 48 54 64 91

Cobre – Telúrio 62 ------- ------- ------- 142 -------

Tabela 6.1- Resistência em µΩ dos contactos após diversas operações.

Na figura seguinte são apresentados os valores da resistência de forma a perceber-

se a diferença de valores medidos do ponto de vista gráfico:

Resistência dos diferentes contactos após as diversas operações

0

10

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

0 200 400 600 800 1000 1200 1400 1600 1800 2000

Nº de operações

Res

istê

ncia

(µΩ

)

Contacto de liga de Cu -Te com tratamentoContacto de Cu ETP + Ag

Contacto de Cu ETPsimplesContacto de liga de Cu -TeLinear (Contacto de liga deCu - Te)

Figura 38 – Resistência nos contactos após as diversas operações realizadas


68


5.6.2 Realização do Ensaio da Resistência ao Desgaste Mecânico

As propriedades do material, mais especificamente a boa resistência ao arco

eléctrico, são fundamentais a fim de garantir a durabilidade e a boa performance das partes

activas do circuito eléctrico, cujo funcionamento implica um desgaste superior,

principalmente em contactos móveis (como é no nosso caso).

A conductividade térmica do material determinará a dissipação do calor da

superfície de contacto, a extensão do desgaste eléctrico e a tendência á soldadura.

Neste ensaio vamos efectuar a medição da abertura dos contactos e inspecção visual da

superfície dos mesmos, para tal utilizamos um Paquímetro. Esta medição será efectuada no

mesmo número de operações que o ensaio anterior. É de notar que se efectuam duas

medições por contacto, pois cada contacto tem duas faces de contacto.

Valores da Abertura dos Contactos


Antes da montagem dos contactos na ampola de ensaio efectuou-se a medição da

abertura dos contactos. De forma a simplificar as notações as duas faces de contacto são

distinguidas com os números (1) e (2), os resultados obtidos foram os seguintes:

Liga de Cobre – Telúrio com tratamento – (1) 6,45 mm

(2) 6,40 mm

Cobre Prateado – (1) 6,40 mm

(2) 6,45 mm

Cobre simples – (1) 6,40 mm

(2) 6,40 mm


69



Após a realização de 100 operações efectuou-se a desmontagem dos contactos para

proceder á medição da abertura dos mesmos. Os resultados obtidos foram os seguintes:


(2) 6,45 mm


(2) 6,45 mm


(2) 6,40 mm

Figura 39 – Contactos da liga de Cu - Te com tratamento após 100 operações


70


Figura 40 – Contactos de Cu ETP + Ag após 100 operações

Figura 41 – Contactos de Cu ETP simples após 100 operações


Após a realização de 250 operações efectuou-se a novamente desmontagem dos

contactos para proceder á medição da abertura dos mesmos, tendo obtido os seguintes

resultados:


(2) 6,50 mm


(2) 6,45 mm


(2) 6,40 mm


71


g Figura 42 – Contactos da liga de Cu - Te com tratamento após 250 operações




72



Após a realização de 500 operações efectuou-se a medição da abertura dos

contactos tendo obtido os seguintes resultados:


(2) 6,50 mm


(2) 6,50 mm


(2) 6,40 mm




73




Após a realização de 1000 operações efectuou-se a medição da abertura dos

contactos tendo obtido os seguintes resultados:


(2) 6,55 mm


(2) 6,50 mm


(2) 6,45 mm



74





Como referido anteriormente ás 1000 operações a liga de Cobre – Telúrio com

tratamento foi substituída pela liga de Cobre – Telúrio normalmente utilizada pela

EFACEC AMT, SA. O seu valor de abertura dos contactos inicial foi de (1) 6,70 mm e (2)

6,60 mm.

Após a realização de 1000 operações para o contacto de Cu – Te (2000 operações

para os outros dois contactos) efectuou-se a medição da abertura dos contactos, com os

seguintes resultados:


75


Liga de Cobre – Telúrio – (1) 6,85 mm

(2) 6,75 mm


(2) 6,55 mm


(2) 6,45 mm

Figura 51 – Contactos da liga de Cu - Te após 1000 operações



76



• Resultados Finais

A tabela 6.2 apresenta os valores da abertura dos contactos ás diversas operações:

Número de Operações

Tipo de Contacto 0 100 250 500 1000 2000

Cobre – Telúrio com tratamento

(1) 6.45

(2) 6.40

(1) 6.50

(2) 6.45 (1) 6.50

(2) 6.50 (1) 6.55

(2) 6.50 (1) 6.60

(2) 6.55 -------

Cobre – Prateado (1) 6.40

(2) 6.45 (1) 6.40

(2) 6.45 (1) 6.45

(2) 6.45 (1) 6.45

(2) 6.50 (1) 6.45

(2) 6.50 (1) 6.50

(2) 6.55

Cobre simples (1) 6.40

(2) 6.40 (1) 6.40

(2) 6.40 (1) 6.40

(2) 6.40 (1) 6.40

(2) 6.40 (1) 6.45

(2) 6.45 (1) 6.45

(2) 6.45

Cobre – Telúrio (1) 6.70

(2) 6.60 ------- ------- ------- (1) 6.80

(2) 6.70 -------

Tabela 6.2 – Abertura dos contactos em mm após diversas operações


77


6– CONCLUSÕES FINAIS

Realizei um trabalho efectivo em ambiente industrial, com um grupo de trabalho

exemplar, com o qual dei os primeiros passos a nível profissional. Não foi só importante o

factor técnico, mas também, o lidar com pessoas de grande competência e com uma mente

aberta, recebendo-me bem desde o primeiro dia e dando-me espaço para fazer as minhas

próprias sugestões, apoiando-me na realização dos ensaios laboratoriais.

Apesar dos valores inferiores de Rc que se verificaram nos contactos de Cobre

simples e Cobre Prateado, a necessidade de resistir ás correntes de curto-circuito obrigam à

utilização da liga de Cobre – Telúrio, com um valor de Rc e custo mais elevado. A escolha

dos contactos representa desta forma um compromisso entre estas duas exigências opostas,

sendo esta liga a que apresenta o melhor trade -off entre estas duas exigências.

Quanto ao desgaste mecânico verificamos que as ligas de Cobre – Telúrio têm uma

maior variação de valores, mas o desempenho desta liga é comprovado, como

recentemente efectuado pela EFACEC AMT, S.A com a certificação de ensaios eléctricos

da classe EB da norma IEC 60265 (endurance eléctrico e mecânico com várias condições

de carga do circuito). De notar que esta certificação se encontra em anexo.

A verificação da utilização de um novo tratamento térmico superficial no processo

de fabrico dos contactos móveis de Cobre – Telúrio do interruptor ISF, visando melhorar a

qualidade de saída de ferramenta dos mesmos, permitiu comprovar o seu bom desempenho

mecânico e de resistência eléctrica face aos contactos de Cobre – Telúrio standard. A

EFACEC AMT, S.A passou assim a ter um novo contacto para utilização na sua

Aparelhagem de Média Tensão com vantagens óbvias sobre o contacto anteriormente

utilizado.

Os objectivos deste trabalho foram desta forma conseguidos, os quais consistiam no

estudo do fenómeno do contacto eléctrico, na sistematização de diversos materiais usados

na Aparelhagem de Média Tensão, análise da influência do tratamento superficial no seu

desempenho e realização de ensaios laboratoriais com resultados práticos.

Considero assim que esta experiência foi bastante positiva, resultando daqui

uma clara simbiose no alcance dos objectivos pretendidos, tanto por mim como

pela EFACEC AMT, S.A.


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7– AGRADECIMENTOS

Em primeiro lugar gostaria de agradecer aos meus pais todo o apoio

prestado durante todo o curso e particularmente durante os últimos meses que

foram de muito trabalho.

Neste espaço, gostaria ainda de deixar os meus mais sinceros

agradecimentos a algumas pessoas e entidades. O seu suporte técnico, a sua

disponibilidade e a sua grande experiência foram extremamente valiosos, sendo

factores que contribuíram fortemente para a obtenção dos objectivos propostos no

trabalho.

Á EFACEC AMT, S.A e em especial ao Eng. Miguel Carvalho que foi o

meu orientador na empresa, o meu agradecimento por ter possibilitado a realização

deste estágio, e pelo apoio que me deu na elaboração e desenvolvimento do

trabalho.

Ao Professor Neves dos Santos, o meu profundo agradecimento por ter

aceite o convite para orientar este estágio, e por todo o apoio e compreensão

demonstrado ao longo destes últimos meses.

Também gostaria de deixar aqui expressos os meus agradecimentos ás

diversas pessoas que me auxiliaram dentro da EFACEC, em especial ao Sr.

Manuel Martins e Eng. Dinis pela disponibilidade com que me acolheram na

realização das experiências laboratoriais e pelos conhecimentos transmitidos

quando da realização destas.

Para finalizar, deixo os meus agradecimentos à EFACEC e à Faculdade de

Engenharia do Porto por me terem proporcionado esta experiência profissional,

possibilitando-me conhecer uma empresa, que pela sua qualidade e vanguardismo,

constitui um exemplo de uma organização virada para o próximo século. Tratou-se

de uma experiência enriquecedora do ponto de vista do desenvolvimento das

minhas competências técnicas e pessoais, pelo que considero relevante a

necessidade de continuar a facultar a realização deste tipo de estágios a alunos

universitários finalistas.


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8– BIBLIOGRAFIA

Livros:

• HUNT, L.B. Electrical Contacts, Edition by Mallory.

• BROWN, Thomas E. Circuit Interruption, Edition by Marcel Dekker, Inc.

• Copper Data Sheets – Part 1, Centre belge d’ Information du Cuivre.

• Apontamentos facultados pela EFACEC AMT, S.A.

Sites da Internet:

• www.mech.soton.ac.uk/j/arc.htm

• www.soton.ac.uk/~cedc/pdf/Arc_Erosion.pdf

• www.cooperpower.com/library/pdf/98008.pdf

• www.matthey.com.au/JMA_eService/Contact_materials.html

• www.sherbrookemetals.com/elect.htm


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http://www.mech.soton.ac.uk/j/arc.htm

http://www.soton.ac.uk/~cedc/pdf/Arc_Erosion.pdf

http://www.cooperpower.com/library/pdf/98008.pdf

http://www.matthey.com.au/JMA_eService/Contact_materials.html

http://www.sherbrookemetals.com/elect.htm



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Anexos

1 - introduÇÃoee01008/relatorio.pdf · feup – efacec energia, s.a trabalho final de curso luís...

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