Por dentro do laboratório que leva os disjuntores da Supergrid ao limite

Jun 17, 2023

The Guardian: KEMA Laboratories testa um disjuntor sob condições extremas para garantir que não falhará quando realmente importa.

Imagine um dia extremamente quente na China central, quando todos os condicionadores de ar em cada megacidade estão funcionando no máximo. Através das montanhas remotas da província de Shanxi, as principais linhas de transmissão que transportam eletricidade de ultra-alta tensão para as cidades estão operando perto da capacidade máxima. Aquecidas pela luz do sol e pela correnteza, as linhas de transmissão afundam perigosamente perto das copas das árvores. De repente, a corrente salta de linha em galho de árvore, encontrando o caminho de menor resistência e fluindo através da árvore para o solo. Há um flash brilhante quando a corrente ioniza o ar.

Durante este curto-circuito, a corrente liberada abruptamente atinge 10 a 20 vezes seu nível normal em um piscar de olhos. Agora o sistema de proteção da rede elétrica deve agir rapidamente. Em milissegundos, os relés de proteção devem reconhecer a falha e comandar os disjuntores em ambas as extremidades da linha para desligar a corrente, isolando a linha com falha. As apostas são altas: uma corrente de curto-circuito sustentada pode desencadear uma reação em cadeia de falhas em toda a rede e causar blecautes generalizados, danificando gravemente equipamentos caros no processo. O apagão de 2003 no nordeste da América do Norte foi desencadeado pelo contato de uma árvore com linhas de transmissão em Ohio, que causou uma cascata de falhas que desligaram mais de 260 usinas de energia, interromperam o fluxo de 60.000 megawatts em toda a rede do nordeste e escureceram Nova York Cidade.

Em nosso hipotético curto-circuito chinês, tudo depende da ação de enormes disjuntores. Assim como um disjuntor doméstico, esses disjuntores industriais abrem seus contatos em uma fração de segundo, mas devido à enorme quantidade de energia no sistema, apenas separar os contatos não interrompe a corrente. Em vez disso, a corrente cria um arco elétrico dentro do disjuntor. Esse pequeno espaço, que tem um volume de apenas alguns litros, agora contém um plasma turbulento que pode atingir temperaturas de muitos milhares de graus Celsius. O disjuntor não pode conter esse plasma por muito tempo; se não for removido rapidamente, haverá uma terrível explosão.

Agora, a natureza alternada da corrente CA entra em jogo: cada vez que ela muda de direção (a cada 10 milissegundos no sistema de 50 hertz da China), a corrente se torna temporariamente zero e o suprimento de energia para o plasma do arco é interrompido momentaneamente. É em um desses momentos de "corrente zero" que a corrente de falta deve ser interrompida. Nesse momento crucial, um sistema de resfriamento dentro do disjuntor injeta um jato de gás de alta pressão no vão, eliminando qualquer resíduo do plasma do arco quente.

Imediatamente após o arco desaparecer e a falha ser eliminada, o sistema de energia acelera novamente. Neste processo de recuperação, a voltagem através da lacuna sobe abruptamente para mais de 1 milhão de volts antes de se estabelecer em seu nível operacional normal. Portanto, nos microssegundos antes e depois da corrente zero, os contatos precisam mudar de canalizar aproximadamente 50 quiloampères de corrente através do plasma do arco para suportar 1 megavolt de tensão. Essa mudança rápida coloca uma enorme pressão sobre os componentes dos disjuntores.

A maioria dos sistemas de transmissão de alta tensão são protegidos contra curtos-circuitos por disjuntores a gás. Esta animação simplificada mostra o processo passo a passo pelo qual um disjuntor interrompe o fluxo de corrente perigosamente alto criado por um curto-circuito. Animação: Erik Vrielink

No entanto, os disjuntores devem funcionar perfeitamente, porque a linha de transmissão precisa voltar a funcionar. Eles devem trabalhar mesmo que tenham ficado inativos por longos períodos de tempo e em todos os tipos de clima. Então, como o operador da rede em nosso exemplo chinês pode confiar que esses disjuntores farão seu trabalho e garantir que uma megacidade não acabe no escuro? Somente testes rigorosos podem proporcionar essa tranquilidade. Atuo como diretor de inovação da KEMA Laboratories, uma divisão holandesa da empresa norueguesa de consultoria e certificação DNV GL. Nossa tarefa: imitar as condições operacionais estressantes de um sistema CA de tensão ultra-alta in extremis. Replicar esse ambiente é um desafio de engenharia tremendamente difícil, mas deve ser enfrentado se quisermos atender às demandas de energia das próximas décadas.