Dispositivos de Proteção contra Sobrecorrentes

5. Dispositivo de Proteção contra Sobrecorrentes
5.1 Proteções
A NBR 5410 estabelece as seguintes prescrições fundamentais destinadas a
garantir a segurança das pessoas e de bens contra os perigos que possam
resultar de utilização das instalações elétricas.
a) Proteção contra Choques Elétricos;
b) Proteção contra Efeitos Térmicos;
c) Proteção contra Sobrecorrentes;
Correntes de sobrecargas e curto circuitos.
d) Proteção contra Sobretensões.
Fenômenos atmosféricos
Manobras da instalação, do sistema elétrico, etc.
5.2
Definições
Dispositivos de Manobra ou de Comando
São equipamentos elétricos destinados a ligar ou desligar um circuito em
condições normais de operação. Portanto, os dispositivos de manobra são
dispositivos capazes de estabelecer, conduzir e interromper a corrente elétrica de
um ou mais circuitos, dentro de seus valores nominais.
Como exemplo de dispositivos de manobra temos os interruptores, os disjuntores,
as chaves seccionadoras, os contatores, as chaves faca, os botões de comando
(botoeiras), etc.
É importante observar que tais equipamentos não têm a função de proteger os
circuitos, mas, apenas e tão somente, comandá-los. Desta forma, a atuação
destes equipamentos não é automática, isto é, depende sempre da intervenção
direta ou indireta do operador.
Estes equipamentos são dimensionados, tomando-se por base as características
nominais do circuito ao qual estão conectados, tais como: tensão nominal,
corrente nominal, capacidade de ruptura, freqüência, regime de carga, etc.
Exemplos de dispositivos de manobra.
1
2
Dispositivos de Proteção contra Sobrecorrentes
São equipamentos elétricos capazes de estabelecer, conduzir e interromper
correntes em condições normais de operação de um circuito, bem como
estabelecer, conduzir e interromper automaticamente correntes em condições
anormais, de forma a, dentro de condições especificadas, limitar a ocorrência
desta grandeza em módulo e tempo de duração.
Os dispositivos de proteção contra sobre correntes são capazes de proteger os
circuitos contra correntes de curto-circuito e/ou correntes de sobrecarga.
Como exemplos destes dispositivos podemos citar os disjuntores, os fusíveis, os
relés térmicos, etc.
Disjuntor de baixa tensão
É um equipamento de comando e de proteção de circuitos de baixa tensão,
cuja finalidade é conduzir, continuamente, a corrente de carga sob condições
nominais e interromper correntes anormais de sobregarga e de curto circuito.
Tipo de Operação:
a) Disjuntores termomagnéticos
São
aqueles
dotados
de
disparadores
térmicos
de
sobregarga
e
eletromagnéticos de curto circuito.
b) Disjuntores somente térmicos
São destinados somente à proteção contra sobrecargas.
c) Disjuntores somente magnéticos
São semelhantes aos disjuntores termornagnéticos quanto ao aspecto externo.
Diferenciam-se destes serem dotados somente do disparador eletromagnético.
São utilizados quando se deseja proteção apenas co correntes de curto-circuito.
d) Disjuntores limitadores de corrente
São aqueles que limitam o valor e a duração das correntes de curto-circuito,
proporcionando uma redução substancial dos esforços térmicos e eletrodinâmicos.
Nesses disjuntores, os contatos são separados efeito das forças eletrodinâmicas
de grande intensidade que se originam nas correntes de curto-circuito de valor
elevado, fazendo o disjuntor abrir antes que o relé eletromagnético seja
sensibilizado.
3
4
Fusíveis limitadores de corrente
Os fusíveis limitadores primários são dispositivos extremamente eficazes na
proteção de circuitos de média tensão devido às suas excelentes características
de tempo e de corrente.
São utilizados na proteção de transformadores de força acoplados em geral a um
seccionador interruptor, ou ainda na substituição do disjuntor geral de uma
subestação de consumidor de pequeno porte, quando associados a um
seccionador interruptor automático.
A principal característica desse dispositivo de proteção é a sua capacidade de
limitar a corrente de curto circuito devido aos tempos extremamente reduzidos em
que atua. Além disso, possui uma elevada capacidade ruptura, o que torna este
tipo de fusível adequado para aplicação em sistemas onde o nível de curto-circuito
é de valor muito alto.
Normalmente, os fusíveis limitadores podem ser utilizados tanto em ambientes
internos como externo dependendo apenas das características de uso dos
seccionadores aos quais estão associados.
Fusível de baixa tensão
É um dispositivo dotado de um elemento metálico, com seção reduzida na sua
parte média, normalmente colocado no interior de um corpo de porcelana
hermeticamente fechado, contendo areia de quartzo de granulometria
adequada.
A atuação de um fusível é proporcionada pela fusão do elemento metálico
quando percorrido por uma corrente de valor superior ao estabelecido na sua
curva de característica tempo X corrente. Após a fusão do elemento fusível, a
corrente não é interrompida instantaneamente, pois a indutância do circuito a
mantém, por um curto intervalo de tempo, circulando através do arco formado
5
entre as extremidades do elemento metálico sólido.
A areia de quartzo, que é o elemento extintor do fusível, absorve toda a energia
calorífica produzida pelo arco. O vapor do elemento metálico fundido fica
envolvido por ela, resultando no final um corpo sólido isolante que mantém a
extremidade do fusível ligado à carga eletricamente separada da outra
extremidade ligada à fonte.
Quando as correntes de curto-circuito são de grande intensidade, a aplicação de
disjuntores toma-se onerosa na maioria dos casos. Portanto, a utilização de
fusíveis limitadores de corrente é bastante comum como proteção contra as
correntes de defeito, deixando-se a proteção contra sobrecarga sob
responsabilidade do disjuntor, cuja capacidade de ruptura poderá ser bastante
reduzida e, portanto de custo inferior.
Os fusíveis NH e diazed são providos de indicadores de atuação do elemento
fusível. O indicador é constituído de um fio ligado em paralelo ao elemento fusível.
Quando este elemento se funde, provoca a fusão: do fio mencionado que sustenta
uma mola pressionada. A fusão do fio provoca a liberação do dispositivo indicador,
normalmente caracterizado pela cor vermelha.
Os fusíveis são fabricados com duas características distintas de atuação: rápida
e retardada. O fusível de atuação rápida é mais comumente empregado nos
circuitos que operam em condições de corrente inferior à corrente nominal, como
é o caso de circuitos que suprem cargas resistivas. Já o fusível de atuação
retardada é mais adequado aos circuitos sujeitos a sobrecargas periódicas, como
no caso de motores e capacitores.
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Corrente Nominal
A Corrente Nominal (In) de um dispositivo de manobra ou de proteção é o valor
eficaz da corrente de regime contínuo que o dispositivo é capaz de conduzir
indefinidamente, sem que a elevação de temperatura de suas diferentes partes
exceda os valores especificados em norma.
Sobrecorrentes
São correntes elétricas cujos valores excedem o valor da Corrente Nominal. As
sobrecorrentes podem ser originadas por solicitação do circuito acima de suas
características de projeto (sobrecargas) ou por falta elétrica (curto-circuito).
Correntes de Sobrecarga
As sobrecargas caracterizam-se por provocar no circuito correntes superiores à
corrente nominal, oriundas de solicitações dos equipamentos acima de suas
capacidades nominais. Este é o caso de motores acionando cargas permanentes
ou transitórias acima da sua potência nominal. Circuitos elétricos que estejam
atendendo a cargas de potência nominal acima daquelas dos valores nominais
previstos no projeto do mesmo, também constituem exemplo de ocorrência de
sobrecarga. As sobrecargas produzem a elevação da corrente do circuito a
valores, em geral, de algum percentual acima do valor nominal até o máximo de
dez vezes a corrente nominal do mesmo, e trazem efeitos térmicos prejudiciais ao
sistema.
7
A sobrecarga, mesmo sendo uma solicitação acima do normal, é, em geral,
moderada e é limitada em sua duração por dispositivos que atuam segundo uma
curva tempo x corrente com característica inversa.
Correntes de Curto-Circuito
Os curto-circuitos são provenientes de defeitos graves (falha de isolação para a
terra, para o neutro, ou entre fases distintas) e produzem correntes elevadíssimas,
normalmente superiores a 1000%, podendo chegar a 10.0000 % do valor da
corrente nominal do circuito. A ocorrência de curto-circuito provoca, por
conseqüência, elevadas solicitações térmicas e mecânicas aos condutores e
demais dispositivos que estão conectados ao circuito.
As correntes de curto-circuito devem ser supervisionadas por dispositivos que
atuem quase que instantaneamente, isto é, curvas tempo x corrente
extremamente inversas.
5.3 Curva de Atuação Tempo X Corrente de um Dispositivo de
Proteção
Os dispositivos de proteção apresentam características de operação definidas
através de uma curva ou zona tempo x corrente
A figura 5.1 apresenta a curva tempo x corrente de um determinado disjuntor.
Conforme podemos observar, o trecho "a" da curva representa a faixa de atuação
do relé térmico (lâmina bimetálica), definindo para a relação tempo x corrente uma
característica inversa Já o trecho" n" representa a faixa de atuação do relé
eletromagnético, que atua para valores de corrente acima de um limiar de 10
vezes a corrente nominal ou de ajuste do disjuntor.
8
Através da utilização desta curva poderemos determinar o tempo e o dispositivo
de atuação do disjuntor para qualquer valor de corrente. Por exemplo, se temos
um disjuntor de corrente nominal ou de ajuste de 200 A, então:
a) Se o disjuntor for percorrido por uma corrente I1 = 600 A, teremos:
I1/IU = 600/200 = 3  Tempo de disparo  35 segundos ( decorrido este tempo, o
disjuntor desligará o circuito, por ação do relé térmico).
b) Ocorrendo um curto circuito, e sendo de 3 kA o valor presumido para a
corrente de curto circuito no ponto de instalação do disjuntor, temos:
I2/IU = 3000/200 = 15  Tempo de disparo  0,015 segundos ( o disjuntor
desligará o circuito quase que instantaneamente, por ação do relé
eletromagnético).
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5.4 Comentários sobre a utilização dos fusíveis e disjuntores
a) Fusíveis
1. São de operação simples e segura.
2. São, geralmente, de baixo custo.
3. Não permitem efetuar manobras, sendo normalmente usados com
chaves.
4. São unipolares e, conseqüentemente, podem causar danos a motores,
caso o circuito não disponha de proteção contra falta de fase.
5. Não permitem ajuste, o que somente pode ser conseguido com a
mudança do tamanho (corrente nominal) ou do tipo do fusível.
6. Não permitem rearme do circuito após a sua atuação, devendo ser
substituídos.
7. Constituem, essencialmente, uma proteção contra correntes de curtocircuito.
8. Não são recomendados para a proteção contra sobrecorrentes leves e
moderadas.
b- Disjuntores
1. Atuam pela ação de disparadores, ou principalmente no caso dos de média e alta
tensão, através de relés separados da estrutura principal do disjuntor.
2. Apresentam os tipos monopolares e multipolares, e no caso dos últimos, possibilitam
uma proteção adequada, evitando a operação monofásica de motores
trifásicos, tal como a que pode ocorrer com a queima de um único fusível.
3. Permitem melhor margem de escolha e melhor coordenação seletiva com
outros dispositivos, pois em muitos tipos permitem o ajuste dos disparadores.
4. Podem ser religados após a sua atuação, sem necessidade de
substituição.
5. Podem ser utilizados como dispositivo de seccionamento e, em alguns
casos, como dispositivo de manobra.
6. Embora não sejam tão rápidos quanto os fusíveis (principalmente os
limitadores) para correntes de curto-circuito, o são para sobrecorrentes leves
e moderadas.
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7. Permitem, em alguns tipos, a operação a distância.
8. São, principalmente os de corrente nominal mais elevada, mais caros que
o conjunto fusível - contator - relé - botões de comando.
5.5 Dimensionamento dos Dispositivos de Proteção
A NBR-541 0/90 estabelece que "os condutores vivos devem ser protegidos por
um ou mais dispositivos de seccionamento automático contra sobrecargas e
contra curtos-circuitos".
Estabelece também que "as proteções contra os curtos-circuitos e contra as
sobrecargas devem ser devidamente coordenadas, de modo que a energia que o
dispositivo de proteção contra curtos-circuitos deixa passar, por ocasião de um
curto, não seja superior à que pode suportar, sem danos, o dispositivo de
proteção contra sobrecargas".
5.5.1 - Proteção Contra as Sobrecargas
Devem ser previstos dispositivos de proteção para interromper toda corrente de
sobrecarga nos condutores dos circuitos antes que esta possa provocar um
aquecimento prejudicial à isolação, às ligações, aos terminais ou às vizinhanças
das linhas".
Deve haver uma coordenação entre os condutores e o dispositivo de proteção, de
forma a satisfazer as duas condições seguintes:
a) IB  IN  IZ
b) I2  1,45 IZ
Onde:
IB Corrente de projeto do circuito;
IZ Capacidade de condução de corrente dos condutores;
IN Corrente nominal do dispositivo de proteção;
I2 Corrente que assegura efetivamente a atuação do dispositivo de proteção ( na
prática a corrente I2 é considerada igual à corrente convencional dos disjuntores)
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5.5.2 - Proteção contra os Curtos-Circuitos
A NBR 5410/90 estabelece que "devem ser previstos dispositivos de proteção
para interromper toda corrente de curto-circuito nos condutores dos circuitos,
antes que os efeitos térmicos e mecânicos dessa corrente possam tornar-se
perigosos aos 'condutores e suas ligações. "
As correntes presumidas de curto-circuito devem ser determinadas em todos os
pontos da instalação julgados necessários, nos quais serão aplicados os
dispositivos de proteção.
Recomendações:
a) O dispositivo de proteção deve ter capacidade de ruptura compatível com a
corrente de curto-circuito presumida no ponto de sua instalação.
IR  ICS
IR Corrente de ruptura do dispositivo de proteção
ICS
Corrente de curto-circuito presumida no ponto da instalação do dispositivo;
b) O dispositivo de proteção deve ser rápido o suficiente para que os condutores
do circuito não ultrapassem a temperatura limite
TDD  t
Para curto-circuitos simétricos, ou assimétricos com duração inferior a 5
segundos, o tempo limite de atuação do dispositivo de proteção pode ser
calculado pela expressão:
k 2 .S 2
t 2
I CS
Tdd = tempo de disparo do dispositivo de proteção para o valor de Ics;
t = tempo limite de atuação do dispositivo de proteção, em segundos;
S = seção do condutor, em mm2;
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K = constante relacionada ao material do condutor e da isolação do condutor,
sendo:
K= 115 para condutores de cobre com isolação de PVC;
135 para condutores de cobre com isolação de EPR ou XLPE;
74 para condutores de alumínio com isolação de PVC;
87 para condutores de alumínio com isolação de EPR ou XLPE.
5.6 Determinação da Corrente de Curto Circuito Presumida
5.6.1 Considerações Preliminares
Conforme vimos na seção anterior, para o correto dimensionamento do
dispositivo de proteção necessitaremos do valor de Ics, isto é, o valor da corrente
de curto-circuito presumida no ponto da instalação do dispositivo.
No momento de uma falta para a terra, o valor da corrente de curto-circuito
depende basicamente da impedância existente entre a fonte e o ponto de falta.
Apresentaremos a seguir, um procedimento simplificado de cálculo que conduz a
um resultado com boa aproximação para curtos-circuitos em instalações elétricas.
Neste procedimento, foram consideradas as seguintes hipóteses:
a- Desprezado o valor da impedância do sistema de energia da
concessionária (a montante do transformador), isto é, considerada infinita a
capacidade do sistema. Em cálculos de maior precisão (projetos industriais
etc), as .concessionárias fornecem a capacidade de ruptura, em kA, ou a
potência de curto-circuito simétrico do sistema, em MV A, no ponto de
entrega;
b- Desprezada a impedância do circuito de média tensão para a alimentação
do transformador do consumidor (quando houver);
c- Desprezadas as impedâncias internas dos dispositivos de proteção e
comando;
d- Considerado curto-circuito
resistência de contato;
direto,
desprezando-se
a
13
e- Considerado curto-circuito trifásico simétrico (condição mais
desfavorável);
f- Desprezada a contribuição de motores ou geradores em funcionamento
na ocasião da falta (em instalações industriais, esta contribuição pode ser
significativa em motores acima de 100 CV e tensão superior a 600 V, que
passam a funcionar como gerador no instante da falta.
Observação: Todas as considerações anteriores, exceto a do item "f",
levam-nos a um cálculo em favor da segurança, ou seja, poderemos
encontrar um valor de Ics um pouco superior ao real, o que só nos levaria a
especificar dispositivos com maior capacidade de ruptura.
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5.6.2 Procedimento de Cálculo
Para determinar o valor da corrente de curto-circuito presumida em um ponto de
qualquer circuito alimentador trifásico após o transformador, teremos, conforme a
figura 5.2:
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c - Parâmetros de Cálculo:
RL = Resistência da linha a montante (m);
r = Resistência específica da linha, conforme Tabela 5.1, (m/m);
L = Comprimento da linha a montante (entre a fonte e o ponto do
curto-circuito) (m);
N = Número de condutores em paralelo em uma mesma fase;
XL = Retância da linha a montante (m);
x = Reatância específica da linha, conforme Tabela 5.1, (m/1m);
RE = Resistência equivalente secundária do transformador (m);
Pcu = Perdas no cobre (W), conforme Tabela 5.2;
In = Corrente nominal do transfomador;
ZE = Impedância equivalente secundária do transformador (m);
Uc = Tensão de linha nominal (V);
Z% = Impedância percentual do transformador;
P = Potência nominal do transformador (kVA);
XE = Reatância equivalente secundária do transformador (m);
Zcc = Impedância total de curto-circuito (m)
Icc = Corrente de curto-circuito simétrica presumida (kA).
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Tabela 5.1 - Impedância dos Condutores
Seção nominal
Reatância
(m/m)
0,176
Seção nominal
(mm2)
1
Resistência
(m/m)
22,1
70
Resistência
(m/m)
0,328
Reatância
(m/m)
0,0965
1,5
14,8
0,168
95
0,236
0,0975
2,5
8,91
0,155
120
0,188
0,0939
4
5,57
0,143
150
0,153
0,0928
6
3,71
0,135
185
0,123
0,0908
10
2:24
0,119
240
0,0943
0,0902
16
1,41
0,112
300
0,0761
0,0895
25
0,880
0,106
400
0,0607
0,0876
35
0,841
0,101
500
0,0496
0,0867
50
0,473
0,101
630
0,0402
0,0865
(mm2)
Caso tenhamos a continuidade do circuito de distribuição, com a ramificação de
subalimentadores, a impedância total até o ponto de falta levará em conta a soma
das impedâncias de todos os circuitos do percurso, desde o transformador até o
ponto de falta.
A corrente de curto-circuito para os circuitos subseqüentes, trifásicos ou
monofásicos, pode ser determinada, simplificadamente, utilizando-se o gráfico da
figura 5.3.
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Tabela 5.2 - Dados de Transformadores Trifásicos, 15 kll, 60 Hz, Primário Y ou LI,
Secundário Y
Potência
(kV A)
Tensão
Perdas
Impedância
(%)
Secundária (V)
A vazio Pfe
(W)
Cobre Pcu
120
300
3,5
(W)
15
220 a 440
30
220 a 440
200
570
3,5
45
220 a 440
260
750
3,5
75
220 a 440
390
1200
3,5
112,5
220 a 440
520
1650
3,5
640
2050
3,5
150
225
300
500
750
1.000
380 a 440
'
220
640
2950
4,5
380 a 440
900
2800
4,5
220
900
3900
4,5
380 a 440
1120
3700
4,5
220
1700
6400
4,5
380 a 440
1700
6000
4,5
220
1700
10000
5,5
380 a 440
2000
8500
5,5
220
2000
12500
5,5
380 a 440
3000
11000
5,5
220
3000
18000
5,5
18
19
20
5.7 EXEMPLO DE DIMENSIONAMENTO DO DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO
Dimensionar o dispositivo de proteção para o circuito da figura abaixo, sabendo
que o mesmo é constituído de condutores unipolares de cobre com isolação de
PVC, está instalado em eletroduto de PVC embutido em alvenaria e que a
corrente presumida de curto circuito no ponto de instalação do referido dispositivo
de proteção é de 20 kA.
21
22
23
24
5.8 Interruptor Diferencial Residual - DR
O Interruptor Diferencial tem como função principal proteger as pessoas ou o
patrimônio contra faltas à terra:


Evitando choques elétricos (proteção às pessoas)
Evitando Incêndios (proteção ao patrimônio)
O DR não substitui um disjuntor, pois ele não protege contra sobrecargas e cutrocircuitos
A sensibilidade do interruptor varia de 30 a 500mA e deve ser dimensionada com
cuidado, pois existem perdas para terra inerentes à própria qualidade da
instalação.
Proteção contra contato direto: 30mA
Contato direto com partes energizadas pode ocasionar fuga de corrente elétrica,
através do corpo humano, para terra.
Proteção contra contato indireto: 100mA a 300mA
No caso de uma falta interna em algum equipamento ou falha na isolação, peças
de metal podem tornar-se "vivas" (energizadas).
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Proteção contra incêndio: 500mA
Correntes para terra com este valor podem gerar arcos / faíscas e provocar
incêndios.
Princípio de Funcionamento
O DR funciona com um sensor que mede as correntes que entram e saem no
circuito (fig. 1). As duas são de mesmo valor, porém de direções contrárias em
relação à carga.
Se chamarmos a corrente que entra na carga de +I e a que sai de -I, logo a soma
das correntes é igual a zero (fig. 2).
A soma só não será igual a zero se houver corrente fluindo para a terra (fig. 3),
como no caso de um choque elétrico.
26
Aplicação
Dois módulos - Fase neutro e Fase fase
Quatro módulos fase-neutro
fase-fase
2 fases e neutro
3 fases
3 fases e neutro
Instalação
O DR deve estar instalado em série com os disjuntores de um quadro de
distribuição. Em geral, ele é colocado depois do disjuntor principal e antes dos
disjuntores de distribuição.
Para facilitar a detecção do defeito, aconselha-se proteger cada aparelho com
dispositivo diferencial. Caso isto não seja viável, deve-se separar por grupos que
possuam características semelhantes.
Exemplo : circuito de tomadas, circuito de iluminação, etc.
A NBR 5410 exige a utilização de proteção diferencial residual (disjuntor ou
interruptor) de alta sensibilidade em circuitos terminais que sirvam a:
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Tomadas de corrente em cozinhas, copas-cozinhas, lavanderias, áreas de
serviço, garagens e, no geral, a todo local interno molhado em uso normal
ou sujeito a lavagens;
Tomadas de corrente em áreas externas;
Tomadas de correntes que, embora instaladas em áreas internas possam
alimentar equipamentos de uso em áreas externas;
Pontos situados em locais contendo banheira ou chuveiro
Recomendações




Todos os fios do circuito têm que obrigatoriamente passar pelo DR
O fio terra (proteção) nunca poderá passar pelo interruptor diferencial
O neutro não poderá ser aterrado após ter passado pelo interruptor
O botão de teste para o DR de 4 pólos está entre os pólos centrais F/F
(220V), mas o DR funciona normalmente se conectado F/N (127V) nestes
pólos.
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