Simplesmente eXTraordinários - nova família de

disjuntores avançados em caixa moldada Tmax XT

Um disjuntor é um dos mecanismos de segurança mais importantes e essenciais dos sistemas eléctricos modernos. Podem ser classificados de muitas formas diferentes, segundo a classe de tensão, o tipo de construção e de desconexão e as características estruturais. No entanto, as tendências actuais do mercado indicam que os consumidores procuram disjuntores mais modulares, flexíveis e integrados, ao que a ABB respondeu com a sua nova família de disjuntores em caixa moldada de alto rendimento. Conhecida como Tmax XT, a série inclui quatro dispositivos que podem ser usados para distribuição, protecção de motores e geradores, neutros sobredimensionados e interruptores-seccionadores. São comercializados em versões de três ou quatro pólos e podem ser fixos, removíveis ou facilmente extraíveis. São equipados com a última geração de unidades de disparo electrónicas e termomagnéticas intermutáveis, precisas e fiáveis. São os únicos que oferecem uma nova e ampla série de acessórios específicos para satisfazer as aplicações mais exigentes. A ABB desenha e fabrica disjuntores em caixa moldada (MCCB) de baixa tensão e disjuntores ao ar (ACB) desde 1934. A primeira família da série MCCB, denominada “Isol”, incluía uma unidade de disparo termomagnética (TU) e possuía uma capacidade máxima de corte de até 25 kA (a 415 VCA). Nas décadas posteriores ao lançamento da família Isol foram aparecendo sucessivas gerações deste tipo de disjuntores, entre elas a Fusol, Modul, Limitor e a Isomax. A conhecida família de disjuntores Tmax T foi lançada em 2001. Nos últimos dez anos foram produzidas alterações impressionantes nas exigências dos consumidores e do mercado que, por sua vez, afectaram os fabricantes. Por exemplo, existem novas e melhores aplicações que requerem mais velocidade e fiabilidade num sistema de protecção para manter a segurança, a estabilidade e o serviço permanente. Para os fabricantes – muitos dos quais apareceram na última década -, isto significa o desenvolvimento de dispositivos modulares, mais pequenos, inteligentes e em conformidade com as normas que se podem integrar ou interligar facilmente com outros componentes ou sistemas. A nova geração de disjuntores Tmax da ABB, os Tmax XT, são exemplos destes dispositivos (consulte a imagem que acompanha o título deste artigo). Esta família de disjuntores, que se caracteriza pelo elevado rendimento de um dispositivo pequeno equipado com as unidades de disparo electrónicas mais modernas, combina mais de 60 anos de experiência e conhecimentos técnicos no campo do desenho de disjuntores com os avanços tecnológicos mais modernos. O álbum da família Tmax XT A família Tmax XT é constituída por quatro bastidores (XT1, XT2, XT3 e XT4), com intensidades nominais que abrangem até 250A e uma capacidade nominal máxima de corte em curto-circuito (Icu) de até 150 kA (a 415 V) e 90 kA (a 690 V):

− XT1 (160 A) com uma Icu de até 70 kA (a 415 V) − XT2 (160 A) com uma Icu de até 150 kA (a 415 V) − XT3 (250 A) com uma Icu de até 50 kA (a 415 V) − XT4 (160-250 A) com uma Icu de até 150 kA (a 415 V) Os modelos XT1 e XT3 podem ser usados em instalações de distribuição de grande escala, hospitais e, em geral, em todas as aplicações do sector dos serviços que exijam uma grande fiabilidade, enquanto os XT2 e XT4, que oferecem a máxima apacidade de corte do mercado, são os mais adequados para a indústria pesada, a metalurgia e as aplicações navais (cruzeiros, plataformas petrolíferas, navios de contentores), onde é essencial um rendimento extremamente elevado. Únicos no mercado, estes bastidores podem ser equipados com a última geração de unidades de disparo electrónicas (TU), o que permite a permutabilidade e a comunicação integrada a partir de intensidades nominais de 10A. Os modelos XT1 e XT3 são comercializados nas versões encastráveis e fixas de três e quatro pólos, com uma profundidade de 70mm e uma secção de porta do compartimento de 45mm, o que permite instalar os mesmos justapostos num carril DIN ou numa placa posterior sem necessidade de utilizar separadores. Inovação em investigação e desenvolvimento Para reduzir o tempo necessário para o desenvolvimento e validação dos disjuntores, além de aumentar a qualidade do projecto, o departamento de engenharia da ABB desenvolveu ferramentas de desenho avançadas que podem ser usadas na fase inicial de desenho: - Uma plataforma de desenho comum para desenvolver, seleccionar, integrar e interligar cada componente da família de disjuntores Tmax XT; − A simulação multifísica para desenhar e calibrar a gama completa de relés de sobreintensidade Tmax XT; − O sistema de imagens de arco (AIS), que permite realizar diagnósticos ópticos de arcos de baixa tensão; − O teste HALT (aceleração da vida do produto), que o submete a modos de falha e permite realizar correcções nos processos de desenho ou de produção. Uma plataforma de desenho comum Um dos requisitos da nova unidade de disparo electrónica TU “Ekip” (utilizada nos bastidores XT2 e XT4) foi um maior rendimento com um dispositivo mais pequeno. Embora um maior rendimento possa significar um aumento da complexidade, potência de cálculo e funcionalidade, tudo isto é agora possível numa unidade que é a metade do tamanho da sua antecessora -1 e - 2. Para isso, os desenhadores analisaram o núcleo da unidade e seleccionaram um potente microcontrolador de 32 bits ARM , que se caracteriza pela sua grande eficiência energética e pelo seu elevado rendimento, com una arquitectura de processador única e dimensões reduzidas. Além disso, proporciona um elevado nível de conectividade que permite o desenvolvimento integrado de diferentes bus de comunicação. Foi necessário desenvolver, seleccionar, integrar e interligar os componentes individuais do conjunto mecatrónico, ou seja, a caixa de plástico, os terminais e sensores de corrente, a unidade de disparo electrónica, a bobina de disparo e as interconexões - 4 ao mesmo tempo. Isto incluiu a verificação se os componentes seleccionados eram os correctos e se ocupavam a posição apropriada na carta de circuito impresso (PCB), assim como observar como se integravam com outros componentes do conjunto mecatrónico. Os passos deste processo puderam ser dados antes de começar o fabrico físico do conjunto utilizando uma plataforma de desenho comum. Graças à sua escalabilidade e elevada disponibilidade, esta plataforma pode voltar a ser usada como base para futuros desenvolvimentos que incluam um elevado nível de portabilidade de código de software (ou seja, a mesma plataforma de hardware e de software). Isto garante uma redução do tempo de colocação no mercado e um aumento da fiabilidade. O firmware foi desenvolvido em conformidade com as normas internacionais de qualidade do software, como o suplemento SE da norma UL489 e as últimas directrizes de engenharia de software. A unidade de disparo Ekip TU é uma série completa que proporciona protecção a instalações de 400 Hz (por exemplo, aeroportos, navios). Para garantir esta protecção é necessário realizar uma análise exaustiva de frequências, o que requer a resposta de frequência correcta do sensor de intensidade, uma largura de banda adequada no canal analógico para a medição de componentes harmónicos e um desenho digital de filtros para a reconstrução exacta do sinal - 4. Para satisfazer tais requisitos utilizam-se as ferramentas de simulação Simulink e Matlab. 1 Tamanho da antiga unidade de disparo (TU) Tmax em comparação com a nova

2 Vistas tridimensionais da nova placa de circuito impresso (PCB) da TU

A funcionalidade da unidade de disparo Ekip TU pode ampliar-se através de acessório do tipo “plug and play”, como um ecrã gráfico LCD com retroiluminação (Ekip Display), um medidor LED, uma interface de comunicação local (Ekip T&P e Connect), uma interface de comunicações do sistema (Ekip COM) e um dispositivo para testes de disparo e detecção de último disparo. 3 Vista do grupo mecânico e electrónico do disjuntor

4 Exemplo de modelo de simulação de hardware e software para 5 Ecrã do Tmax XT Ekip

análise de frequências

6 Tmax XT Ekip visualizado num ecrã

O ecrã Ekip – um dispositivo inovador para os disjuntores em caixa moldada da ABB – é um interface gráfico homem--máquina que permite a configuração local de funções melhoradas da unidade de disparo que anteriormente apenas estavam disponíveis através de um bus de comunicação ou de um dispositivo manual - 5. O ecrã é alimentado directamente pela unidade de disparo TU que é um dispositivo “plug and play” que pode ser facilmente deslocado de uma TU para outra. A Ekip T&P permite que a unidade de disparo possa ser interligada directamente com a porta USB de um PC e trabalhar com a Ekip Connect, uma ferramenta de software para supervisionar, configurar e testar - 6. A Ekip COM é um módulo que pode ser integrado no disjuntor e que oferece uma interface entre o bus de comunicação local TU da unidade de disparo e o bus do sistema. Além disso, a unidade de disparo TU e o disjuntor podem ser controlados à distância accionando um comando motorizado. Simulação multifísica A banda bimetálica é um dispositivo mecânico que transforma uma alteração de temperatura numa alteração de forma e que, raças à sua simplicidade, fiabilidade e baixo custo de produção, é o método mais comum de protecção contra sobreintensidades em disjuntores de caixa moldada. Embora o princípio de funcionamento dos bimetais esteja bem documentado e conhecido há muitos anos, o desenho e a calibração de toda a gama de relés de sobreintensidade Tmax XT foi um grande desafio devido às especificações técnicas a cumprir, entre as quais se incluem as seguintes: − Regime de sobreaquecimento reduzido com intensidade nominal (In) − Baixa sensibilidade à temperatura ambiente − Intensidade de não-disparo de 1,05 x In − Velocidade de disparo com 1,3 x In em menos de 10 minutos − Velocidade de disparo com 2,0 x In em menos de 3 minutos − Velocidade de disparo com 6,0 x In em menos de 20 segundos − Redução do gradiante da temperatura durante um curto--circuito (Icu, Ics). Para satisfazer estas condições, que envolvem diversos ramos da física, foi aplicado um procedimento multidisciplinar interactivo - 7. A partir de uma configuração aproximadamente geométrica (incluindo as propriedades do material), uma sequência de simulações eléctricas a taxas de intensidade impostas proporcionam as fontes de calor relevantes para os cálculos térmicos posteriores. Uma vez obtidas as distribuições satisfatórias de temperatura, podem conhecer-se todos os valores mecânicos (desvio, velocidade e força do bimetal). Em consequência, a geometria inicial é revista até que todas as condições mencionadas sejam cumpridas plenamente. Em comparação com o enfoque analítico clássico, este procedimento apresenta duas vantagens: − Tem aplicações muito diversas (desde as intensidades mais altas até às mais baixas); − É geometricamente independente (cada solução pode ser analisada). Diagnóstico óptico de arcos de baixa tensão O estudo da interrupção de curto-circuitos é um desafio para os desenhadores. Por exemplo, durante uma interrupção, o plasma o arco pode atingir temperaturas de até 20.000 K e deve extinguir-se de imediato. Para observar o movimento do arco durante um curto-circuito, foi desenvolvida uma técnica avançada o sistema de imagens de arco (AIS, em inglês). Inclui um conjunto de fibras ópticas montadas num lado do interruptor, que lê a intensidade da luz no interior das câmaras do arco - 8. O sistema de aquisição, desenvolvido em colaboração com a Universidade de Southampton, é um sistema móvel autónomo que é fornecido com uma série de secções de fibra óptica - 9. Inclui um PC desenhado expressamente para esta função, assim como um ecrã integrado e teclado. O sistema conta com um total de seis cartões, cada um capaz de admitir 16 canais para a obtenção de dados (96 canais no total). O equipamento é montado sobre uns suportes à prova de vibrações e pode ser selado para o transporte. Foi desenvolvida uma rotina automática posterior ao processo que fornece um filme da evolução do arco: Vejam-se como exemplo as imagens que se apresentam em -10. Por outras palavras, para qualquer momento apresentado, o valor da intensidade da luz de cada fibra é representado numa escala de cor adequada e sobrepõem-se a uma imagem da câmara do arco do interruptor no lugar correcto. O sistema AIS demonstrou ser uma ferramenta surpreendente, já que interpreta correctamente o resultado de um texto e, com a análise com oscilogramas do laboratório de testes, ajudou enormemente a esclarecer muitos aspectos da interrupção da corrente.

7 Procedimento multidisciplinar 8 Para monitorizar o movimento do arco colocam-se de um lado do interruptor fibras ópticas protegidas por um vidro interposto.

Teste HALT (aceleração da vida do produto) Os disjuntores Tmax XT foram desenvolvidos com técnicas modernas que permitiram uma maior fiabilidade e solidez. Foram ainda desenhados e testados em conformidade com todas as normas internacionais correspondentes, assim como com os requisitos no âmbito naval. Uma das abordagens aplicadas é o teste HALT, baseado no princípio de aceleração da vida do produto e realizado directamente com os disjuntores completos, acessórios e componentes individuais na fase de desenho. 9 Vista do sistema de imagem de arco (AIS)

O objectivo do teste HALT é deteriorar rapidamente o produto e conhecer os modos de falha aos quais é exposto ao longo da sua vida. O valor fundamental do teste reside nos modos de falha que ficam ocultos e a velocidade à qual isto ocorre. Em condições reais, poderiam passar anos antes de serem produzidos tais modos de falha. O teste HALT é considerado um êxito quando se induzem as falhas, se entendem os modos de falha e se adoptam as medidas correctoras nos processos de desenho ou de produção - 11. Segundo o procedimento HALT, o produto é submetido a um esforço que supera amplamente as especificações e as condições ambientais normais. Procuram-se os limites funcionais e de destruição do produto e aumentam-se ao máximo possível (por exemplo, submetendo-se a vibrações de até 40g, a temperaturas de – 80 ºC a 180 ºC e a esforços térmicos com uma taxa de aumento de 15 ºC/min) - 12.

10 Sucessão de Imagens da abertura de um disjuntor captada 11 Esforço-resistência nas sequências HALT mediante o Arc Imaging System (AIS)

12 Um ciclo de teste HALT

Em cada um dos passos do teste HALT é previsto o seguinte: − O desenho do teste, utilizando a técnica de desenho da experiência (DOE), para definir o número adequado de amostras e variáveis; − A realização dos testes segundo o procedimento HALT com níveis definidos de esforço e de duração do passo; − A análise de resultados, que se realiza aplicando uma falha com modelos estatísticos – por exemplo, a lei Arrhenius para falhas por causas térmicas, a teoria de Eyring para a temperatura e a humidade, a lei quadrática inversa (IPL) para a pressão, o stress mecânico, a alimentação e os dados térmicos-não térmicos (T-NT) (por exemplo, temperatura e vibração). Em geral, este enfoque melhorou o processo de desenvolvimento XT, facilitou aos desenhadores mais informação sobre o comportamento previsto durante o ciclo de vida do produto e reduziu o tempo de saída para o mercado. A experiência de toda uma vida Os novos disjuntores Tmax XT da ABB têm como objectivo responder com eficácia a todos os requisitos técnicos de uma instalação, desde as mais correntes até às tecnologicamente mais avançadas. Incluem uma nova gama de unidades de disparo termomagnéticas e electrónicas de protecção “plug and play”, que são intermutáveis desde o tamanho mais pequeno e que garantem uma fiabilidade de disparo e precisão absolutas. Além disso, os disjuntores são desenhados considerando o meio ambiente, ou seja, são desenvolvidos e fabricados em conformidade com a directiva sobre restrições à utilização de determinadas substâncias perigosas (RoHS) e com outras normativas ambientais pertinentes relativas às mesmas. Por outro lado, o método de avaliação do ciclo de vida (LCA) foi utilizado para avaliar e reduzir ao mínimo o impacte ambiental do produto relativamente a emissões, esgotamento de recursos e resíduos ao longo de todo o ciclo de vida do produto, desde o fabrico até à eliminação. Para mais informações: ABB, S.A. Low Voltage Products Quinta da Fonte, Edifício Plaza I Tel: +(351) 214 256 314 Fax: +(351) 214 256 390 E-mail: marketing.abb@pt.abb.com