A figura 1 mostra o "esquema geral da sequência dos elementos de proteção em uma instalação elétrica industrial.
Notem que no "topo" da rede, isto é, na posição mais próxima a rede elétrica temos o fusível e, então, segue o disjuntor (e, em alguns casos, o relé térmico).
Essa concepção, apesar de clássica, pode apresentar variações (previstas em norma) dependendo de cada caso. Há projetos que utilizam apenas disjuntores, por exemplo.
A estrutura proposta pela figura 1, entretanto, pode ser entendida através da filosofia de funcionamento de cada elemento protetor. Particularmente, eu classifico as proteções em duas grandes categorias: proteção tipo fusível, e proteção tipo disjuntor.
Os fusíveis são proteções desenvolvidas para atuar na corrente de curto-circuito, já as proteções termomagnéticas (disjuntores, reles, etc.) para atuar na corrente de sobrecarga.
"Mas qual a diferença entre corrente de curto-circuito e de sobrecarga?"
Definimos como corrente de curto-circuito aquela cuja amplitude tende ao infinito, e é provocada pelo curto-circuito entre fases, entre fase e neutro, ou entre fase e terra.
Nessa situação a linha sob energia tende a diminuir sua tensão para zero volt, visto que a impedância de curto-circuito também aproxima-se de zero ohms.
Em uma instalação cuja corrente nominal seja 10 A, por exemplo, a corrente de curto-circuito pode atingir instantaneamente vários kA (quiloampéres).
Ao contrário da corrente de curto-circuito, a corrente de sobrecarga raramente compromete a ddp (diferença de potencial) na linha de alimentação. Quando isso ocorre, entretanto, a queda de tensão dificilmente ultrapassa 10% da tensão nominal. Outra diferença é que a corrente de sobrecarga não tende ao infinito, porém, ela pode atingir valores que danifiquem tanto a carga como a instalação. É para esse tipo de sobrecarga que as proteções termomagnéticas foram desenvolvidas.
Pode parecer óbvio, mas é comum técnicos e engenheiros confundirem-se nesses conceitos, principalmente quanto ao papel do fusível.
Por várias vezes já presenciei "especialistas" no ramo reclamarem que determinado fusível fora mal dimensionado, pois, somente "abriu" após a queima de um semicondutor em um equipamento.
Ora, é exatamente esse o papel do fusível do tipo convencional. Ele somente se abrirá após alguma anomalia ter ocorrido, por exemplo, um semicondutor em curto-circuito.
"Mas, então, qual a sua função?"
A função do fusível convencional é proteger a instalação, e não a carga.
Aproveitando o mesmo exemplo citado acima, caso não houvesse fusível, não somente o semicondutor estaria danificado após o curto, mas também toda a PCl (placa de circuito impresso), cabos, fios e "sabe-se mais lá o quê". Como o fusível abriu, o dano restringiu-se ao componente com defeito. Conforme veremos mais adiante, existem tipos especiais de fusíveis destinados à proteção de semicondutores.
FUSÍVEIS
Quando tratamos sobre qualquer assunto referente a instalações elétricas em baixa tensão, temos de fazê-lo segundo a norma NBR 5410 da ABNT. Para isso, vamos a alguns conceitos fundamentais determinados pela NBR antes de partirmos para o estudo das proteções.
a) Definições:
- Sobrecorrente: corrente cujo valor excede o valor nominal. Para condutores, o valor nominal é a capacidade de condução de corrente.
- Corrente de sobrecarga: sobrecorrente em um circuito, sem que haja falta elétrica.
- Corrente de curto-circuito: sobrecorrente que resulta de uma falta. de impedância desprezível, entre condutores vivos que apresentam uma diferença de potencial em funcionamento normal.
- Condutores vivos: todo condutor pelo qual circula corrente. O neutro, portanto, é considerado um condutor vivo.
b) Determinações:
-Todos os condutores vivos devem ser protegidos por um ou mais dispositivos de seccionamento automático contra sobrecargas e contra curto-circuitos.
* CUIDADO! Essa determinação da NBR 5410 é um procedimento que visa apenas a proteção dos condutores. o que não garante necessariamente a proteção dos equipamentos ligados a esses condutores.
- A norma brasileira permite o seccionamento do neutro (em alguns países essa prática é obrigatória), portanto, no Brasil a decisão de seccionamento do neutro é do profissional responsável pelo projeto de instalação. Caso ele decida seccioná-lo, porém, dois pontos devem ser obedecidos:
1 - O condutor neutro só pode ser seccionado por dispositivo multipolar, isto garante que esse condutor nunca será seccionado antes dos condutores fase, nem restabelecido após.
2 - O condutor PEN, condutor com função de neutro e de proteção, frequentemente e erroneamente chamado de neutro, nunca pode ser seccionado.
- Na condição de sobrecarga os dispositivos de proteção devem interromper a corrente antes que esta possa provocar um aquecimento prejudicial à isolação, às ligações, aos terminais ou às vizinhanças das linhas. Para a condição de curto-circuito a norma estabelece que devem ser previstos dispositivos de proteção para interromper toda a corrente de curto-circuito nos condutores, de forma a evitar que os efeitos térmicos e dinâmicos da corrente prevista possam causar danos aos condutores e/ou outros elementos do circuito.
Agora, que já conhecemos as principais diretrizes da norma NBR 5410 quanto ao aspecto proteção, vamos analisar a estrutura do primeiro dispositivo protetor: o fusível.
Os primeiros estudos aprofundados sobre o processo de fusão como técnica de proteção foram feitos pela Siemens, na Alemanha. em 1930. Essa empresa desenvolveu um fusível de valor real e prático e foi patenteado com o nome de "diazed". ''Dia" derivado da palavra ''diametrisch" (diametral), ''Z" da palavra alemã ''z weiteilig" = bi-partido (fusível e tampa rosqueada) e "ed" significando ''rosca Edson". Podemos ver a aparência desse componente, bem como sua base, na figura 2.
A figura 3 exibe o fusível Diazed em corte. Note que o corpo de porcelana abriga dois fios: o condutor principal, cujo meio é de secção mais fina (essa técnica permite que o arco voltaico formado pela interrupção da corrente fique o mais longe possível das extremidades do componente); e um fio fino que segura a "espoleta" indicadora. Uma vez que o condutor principal funde-se, o fio fino também (visto que toda corrente circula por ele agora), liberando uma pequena "espoleta" de indicação de fusível queimado. Internamente, o fusível Diazed é preenchido com areia para que o arco-voltaico seja extinto o mais rápido possível.
Podemos encontrar dois tipos de fusível Diazed: rápido e retardado.
O fusível rápido é indicado para cargas resistivas convencionais (lâmpadas, fornos, etc.). e o retardado para circuitos de proteção para motores elétricos. Os motores elétricos consomem na sua partida até dez vezes mais corrente que a nominal de trabalho, porém, esse pico é transitório e normal, e acaba tão logo a inércia de partida seja vencida. Caso utilizássemos fusíveis rápidos como elementos protetores de motores, esses queimariam de imediato logo na partida.
O fusível retardado desloca sua curva de atuação tempo-corrente de modo a preservar sua integridade no instante da partida. A figura 4 mostra a comparação entre duas curvas, uma de fusível rápido e a outra de retardado. Vejam que, embora com os mesmos valores limítrofes, a curva corrente-tempo do fusível rápido é bem mais inclinada que a do retardado. O controle da inclinação da curva corrente-tempo é feita através da geometria e tratamento do elemento fusível.
A figura 5 apresenta algumas construções dos elementos fusíveis através da técnica dos 'furos múltiplos". Observem que o maior diâmetro dos furos sempre está na região central cio elemento, região na qual deve ocorrer a fusão.
Os elementos fusíveis retardados recebem um adicional de "matéria ativa" aplicada no centro do elemento fusível: um pouco de estanho (figura 6). Essa técnica desloca sua curva de atuação.
TEMPO DE INTERRUPÇÃO
O tempo total necessário à interrupção de corrente é maior do que o tempo requerido apenas para a fusão do elemento fusível.
A figura 7 ilustra o exemplo das etapas do processo de interrupção. Notem que, para que haja a total interrupção da corrente, o elemento tem de se fundir por completo, e o arco-voltaico formado ser extinto. Portanto, o tempo de interrupção é a soma do tempo de fusão e do tempo de extinção do arco.
Os fusíveis tipo rápido ainda são incapazes de proteger semicondutores. Embora com a denominação "rápido", um semicondutor reage com uma velocidade muito maior do que um fusível. Existe, entretanto, outra categoria de fusíveis: os ultra-rápidos. Normalmente, esses dispositivos são iguais em aparência aos Diazeds convencionais, porém, com atuação rápida o suficiente para proteger semicondutores de potência (SCRs. TRIACs, IGBTs, etc.).
O pessoal da manutenção deve tomar cuidado ao substituir fusíveis tipo Diazed, pois esses tem o mesmo aspecto dos "silized" (ultra-rápidos), porém, como são de resposta mais lenta, podem comprometer a integridade do equipamento em questão. Portanto, leia com atenção as descrições do componente no seu invólucro (rápido, retardado, ou ultra-rápido).
Geralmente, os fusíveis tipo Diazed são elementos de baixa a média capacidade de ruptura. Isso significa que um elemento protetor dessa natureza não deve ser empregado em circuitos cuja corrente nominal ultrapasse os 125 A, e a de curto-circuito 40 kA.
Para sistemas de potência acima dessas utiliza-se um outro tipo de fusível: o NH.
O fusível NH (também conhecido como fusível ''faca", ou de "lâmina") pode operar com correntes nominais da ordem da 1000 A. e curto-circuito de até 250 kA.
A característica desse fusível é o fato de seu elemento fusível estar inteiramente protegido (figura 8). Assim como o Diazed. os elementos fusíveis do NH também são constituídos por furos múltiplos (figura 9).
Normalmente, esses fusíveis possuem um indicador de queima que funciona da mesma forma que o Diazed. Alguns fusíveis NH vêm montados diretamente sobre a chave seccionadora da instalação. Além de maior capacidade de ruptura, o fusível NH é de efeito retardado exclusivamente.
TIPOS DE FUSÍVEIS
Conforme já dissemos anteriormente, a proteção clássica para curto-circuito é o fusível e para sobrecorrentes o disjuntor. Com o avanço tecnológico, porém, novos dispositivos surgiram e, atualmente, podemos encontrar fusíveis que atuam na sobrecorrente. e disjuntores que atuam no curto-circuito.
Essa nova "tendência" fez com que a norma se adaptasse, permitindo a proteção composta por apenas um dispositivo. Claro que esse dispositivo deve garantir, simultaneamente. a proteção contra os curtos e sobrecargas. Por essa razão podemos encontrar várias instalações protegidas apenas por disjuntores (ou fusíveis).
A normalização internacional (IEC 60269) e a nacional (NBRs 11840 e 11849), então, definem três tipos de fusíveis: gG para proteção de circuitos contra correntes de sobrecargas e de curto-curcuito; gM e aM, que atuam apenas como proteção contra curto-circuito. Esses dois últimos, geralmente, são empregados para proteção de motores, onde a proteção de sobrecarga (sobrecorrente) é feita pelo relé térmico.
A figura 10 mostra as curvas tempo-corrente dos fusíveis gG e aM.
Os valores típicos de fusíveis e disjuntores em baixa tensão são: 6. 10. 13. 16, 20, 25. 32. 40, 50. 63. 80, 100, e 125 A (fusíveis de baixa capacidade): e de 150 A a 1kA (fusíveis de alta capacidade).
A figura 11 exibe as zonas de fusão e de não-fusão para fusíveis gG e gM. A corrente convencional de não-fusão (Inf) é o valor da corrente que o fusível pode suportar por um tempo determinado, sem se fundir. A corrente de fusão é o valor de corrente que assegura a fusão do elemento fusível antes de ocorrido o tempo convencional.
Vamos a um exemplo prático.
Seja. um fusível de 80 A (tipo gG ou gM) conduzindo uma corrente de 1.25 In (isto é, 100 A), ele não deve se fundir antes de 2 horas. Porém. caso circule uma corrente equivalente a 1,6 In (128 A), ele deve se fundir em. no máximo, 2 horas, vide tabela 1.
DISJUNTORES
Os disjuntores são dispositivos de proteção que podem operar segundo três princípios: térmicos, magnéticos, ou eletrônicos. A grande maioria deles é termomagnético. ou seja, atua segundo duas grandezas.
O acionamento magnético do dispositivo atua nas condições de curto-circuito, e o térmico nas condições de sobrecorrente. Um disjuntor termomagnético, portanto, protege a instalação contra curtos e sobrecargas. Existem modelos no mercado, entretanto, que possuem apenas um ou outro mecanismo de disparo.
A figura 12 revela o interior de um disjuntor termomagnético. Podemos observar que o acionamento térmico é feito através de uma lâmina bimetálica convencional já o magnético por uma bobina. Quando ocorre um curto-circuito. o campo magnético gerado provoca o deslocamento da armadura que, através de um disparador mecânico, "desarma" o dispositivo.
O mecanismo de desarme é o mesmo para a secção térmica. Desta vez, porém, o que causa o disparo é a ação de uma lâmina bimetálica. O disparo térmico apresenta a característica de atuação em tempo inverso, isto é, o disparo se dá em um tempo tanto menor quanto maior for a sobre-corrente.
A figura 13 ilustra a curva característica típica tempo-corrente de um disjuntar termomagnético.
a) Características nominais dos disjuntores:
Temos quatro principais características dos disjuntores a serem observadas no projeto.
-Tensão Nominal:
A tensão nominal de um disjuntor é a tensão normal de operação, e pode ser apresentada por Un ou Ue.
- Corrente nominal:
A corrente nominal é a corrente que o disjuntor pode suportar em regime ininterrupto. a uma tempera-tura de referência especificada (a norma considera essa temperatura como 30''C)
- Disparo instantâneo:
Essa característica define as três faixas possíveis de atuação de um disjuntor: B. C. e D.
Cada faixa mostra em qual corrente cada dispositivo atuará segundo o tempo de duração da sobrecarga.
Essa corrente é expressa em um múltiplo da corrente nominal.
- Faixa B: de 3 In a 5 In.
- Faixa C: de 5 In a 10 In.
- Faixa D: de 10 In a 20 In.
A figura 14 apresenta as características dessas faixas segundo a curva tempo-corrente.
Vamos a um exemplo prático.
Suponha que um fabricante tenha um disjuntor que opera na faixa C. Isso significa que sua atuação na sobrecarga atua entre os limites de 5 In (cinco vezes a corrente nominal) a 10 In. Uma vez dentro desse inter-valo, o dispositivo demorará o tempo expresso na curva da figura 14 para desarmar. Vamos supor que esse exemplo refere-se a um disjuntor de 5 In. então, nessa condição, em 9 segundos (aproximadamente) ele desarmará.
- Capacidade de interrupção:
Capacidade de interrupção é a capacidade de sobrecarga ou curto-circuito sem que haja dano (mecânico ou elétrico) ao dispositivo de proteção. Para disjuntores de baixa capacidade os valores típicos são: 1, 3, 4, 5, 6, 10, 15, 20, e 25 kA.
b) Condições de proteção contra sobrecargas e curto-circuito:
Para tratarmos do dimensionamento dos elementos protetores, temos que entender um conceito fundamental no projeto de instalações elétricas: a seletividade.
A seletividade é a característica de coordenação de disjuntores e/ou fusíveis de modo a seccionar apenas o "ramal" sob sobrecarga ou curto-circuito, preservando os demais.
Podemos entender melhor o processo analisando a figura 15. Imaginem que uma falha (curto ou sobre-carga) ocorra no "ramal C" de uma fábrica. Para que o sistema tenha uma boa seletividade, apenas aquela proteção (seja ela fusível ou disjuntor) deve atuar. Todos os demais pontos da instalação devem permanecer energizados, fazendo assim com que a falta de energia limite-se ao ramal defeituoso.
É intuitivo que os disjuntores mais próximos da entrada de energia (esse ponto é denominado "montante") sejam de maior capacidade do que os mais próximos a carga (esse ponto é denominado "juzante").
"Mas, como dimensionar uma proteção em vista das características da instalação?"
Como já dissemos anteriormente, quatro são as principais características: tensão de trabalho, correntes, região de operação, e capacidade de ruptura.
Todas essas quatro características são comuns a fusíveis e disjuntores.
A tensão de trabalho deve ser igual á tensão da rede de alimentação. Portanto, esse é o mais fácil dos parâmetros a ser determinado.
As correntes envolvidas no processo são de quatro naturezas:
IB = corrente de projeto do circuito
In = corrente nominal do dispositivo de proteção
lz = capacidade de condução de corrente dos condutores
I2 = corrente de atuação (para disjuntores), ou de fusão (para fusíveis).
Segundo a NBR 5410, a seleção do dispositivo de proteção deve satis-fazer as seguintes condições:
Estabelecendo os limites acima, pode-se afirmar que o projeto está bem "seletivo".
Para facilitar a escolha, a figura 16 traz quatro tabelas com potências clássicas, cujos disjuntores já estão dimensionados. Outros casos podem ser calculados através dos limites já citados.
A região de operação (terceiro parâmetro) pode ser estabelecida como região "B", ou "C'', pois essas são as que mais se aproximam das exigências da norma. De acordo com a capacidade do disjuntor, o próprio fabricante estabelece a melhor opção. Portanto, essa não é uma preocupação do projetista.
O último parâmetro que determinará, finalmente, a escolha da proteção é a capacidade de interrupção.
Para definirmos esse parâmetro precisamos saber qual será a máxima corrente de curto-circuito na instalação.
Ora, como em um curto-circuito a impedância é desprezível, a única "resistência" a corrente é a impedância da instalação.
A figura 17 mostra um curto-circuito em uma "tomada" em uma instalação elétrica.
Como o fio responsável pelo curto tem impedância desprezível, a "resis-tência" que limitará a corrente de curto é a soma das impedâncias "resistências" das etapas do circuito: (Z = + RT + RR + RA + Rc).
A corrente total de curto, portanto, será a razão da tensão da linha por essa impedância
Para determinarmos a corrente de curto-circuito temos de saber a impedância de cada elemento da instalação. Isso nem sempre é fácil de se determinar, pois o comprimento dos cabos influencia muito.
Para facilitar o trabalho do leitor. na figura 18 trazemos quatro tabelas com as potências clássicas dos transformadores de entrada (30 kVA, 45 kVA, 75 kVA e 150 kVA), com suas respectivas correntes já calculadas.
Segundo a norma, a capacidade de ruptura do elemento protetor deve ser maior ou, no mínimo, igual a corrente de curto-circuito.
INTEGRAL DE JOULE
Com as tabelas e parâmetros descritos até agora temos informações suficientes para dimensionamos uma boa proteção segundo as características da instalação. Essa proteção, entretanto, destina-se a preservação da integridade dos condutores (chaves e demais componentes) dessa instalação. Suponha que, dentro de determinado equipamento, tenhamos chaves estáticas (ou semicondutores de potência) as quais desejamos proteger.
Seguir todo o procedimento anterior substituindo apenas os elementos protetores por ultra-rápidos não é suficiente.
Nesse caso, precisamos considerar um novo parâmetro: a integral de Joule. A integral de Joule é definida como a integral do quadrado da corrente durante um dado intervalo de tempo.
Quando as sobrecorrentes assumem valores muito elevados (como no caso de curto-circuitos). as junções dos semicondutores atingem temperaturas da ordem de centenas de graus em tempos extremamente rápidos (ordem de centésimos de segundo).
Nessa condição. para o estudo dos efeitos térmicos da corrente (considerando tempos tão pequenos), não é possível separar a grandeza corrente da grandeza tempo, sendo necessário considerá-las conjuntamente no produto integral.
As curvas são fornecidas pelos fabricantes dos semicondutores
A figura 19 ilustra uma curva típica de uma chave estática.
Ao projetarmos um dispositivo de proteção para semicondutores, portanto, devemos considerar sua curva em relação a curva do componente a ser protegido.
A figura 20 mostra a curva típica de fusíveis tipo gG. e a figura 21 de um disjuntor termomagnético.
A curva da integral de Joule não serve apenas para proteção de semi-condutores, pois ela é uma poderosa ferramenta no estudo da proteção de condutores no que se refere a coordenação seletiva entre dispositivos.
DISJUNTORES RESIDUAIS DR
Além das proteções contra sobre-correntes e curto-circuitos das instalações, existe uma outra categoria de proteção: os disjuntores residuais. Os DRs, como são conhecidos, são elementos de proteção contra choques elétricos, portanto, visam a segurança das pessoas e não da instalação ou equipamento.
Sua filosofia de funcionamento é o disparo (desarme) através da corrente de fuga para o terra. Podemos entender melhor seu funcionamento observando a figura 22.
Ao ocorrer uma corrente de falta à terra Id (uma pessoa que toca a fase, por exemplo). a corrente de ''retorno" não será mais igual a corrente ("ida"). A diferença entre elas, então, provoca a circulação de uma corrente no enrolamento de detecção.
Imediatamente, um campo magnético é formado e vence o campo permanente gerado pelo ímã, liberando assim a alavanca. Uma vez liberada, o mecanismo interno provoca a abertura dos contatos.
Resumindo, o DR opera segundo a soma vetorial das correntes. Quando uma corrente circula pelo corpo da pessoa há um desequilíbrio (diferença) entre a corrente de ''ida" e a de "retorno". Essa diferença é detectada pelo dispositivo como se fosse uma corrente de falta à terra.
Ao contrário das proteções convencionais, não há cálculos para dimensionar sua capacidade. A norma estabelece que, para proteção de pessoas, o DR deve atuar em uma corrente 30 mA, aliás, é o tipo mais comum encontrado no mercado. Existem outras capacidades (100 mA e 300 mA, por exemplo), porém, não servem para proteção pessoal.
É importante que a norma NBR 5410 em sua última versão (1997) não "obriga" a utilização desses dispositivos nas instalações e equipamentos. Seu uso, portanto, é uma opção do projetista (ou fabricante).
Podemos classificar os DRs em três aspectos: tipo de falta detectável. com ou sem fonte auxiliar. e curva de atuação.
a) Tipo de falta detectável:
Esse parâmetro determina o modo de funcionamento do DR. Atualmente podemos encontrar três tipos:
Tipo AD:
Sensível apenas a corrente alter-nada. isto é, o disparo é garantido apenas para correntes diferenciais senoidais.
Tipo A:
Sensível a corrente alternada e a corrente contínua pulsante.
Tipo B:
Sensível a corrente alternada. corrente contínua pulsante. e corrente contínua pura. Esse tipo é o mais moderno do mercado.
b) Fonte auxiliar:
Os DRs podem ser construídos de duas formas:
- Funcionamento direto, ou seja. sem a necessidade de energia auxiliar.
- Funcionamento eletrônico. isto é. com a necessidade de energia (fonte de alimentação) auxiliar. A fonte pode ser a própria rede elétrica.
c) Curvas de atuação:
Existem duas curvas possíveis de atuação para o DRs: "G" e "S''.
Para o tipo G. a normalização só especifica limites máximos, isto é, o tempo máximo em que o dispositivo deve efetivar o desligamento do circuito protegido. Já o tipo S deve obedecer também a tempos mínimos de não-atuação. Essa característica é a razão do nome desse tipo de DR ("S" de seletivo), visto que ele atua após decorrido um certo tempo.
Podemos visualizar melhor as diferentes atuações através da figura 23. Notem que a operação do DR tipo G é uma linha (curva tempo máximo de interrupção), enquanto o tipo S é uma faixa.
A figura 24 mostra um exemplo de instalação que emprega disjuntores com a função DR já incorporada.
CONCLUSÃO
Todos os conceitos tratados neste artigo foram feitos "à luz" da norma NBR 5410 em sua última edição (1997). Essa norma da ABNT teve como base a norma internacional IEC 60364 (Electrical Installations of Buildings). Embora dentro da NBR, este artigo é apenas um breve resumo do “capítulo" proteção elétrica. Com certeza, a consulta à documentação original da NBR 5410 é fundamental para o profissional que deseja trabalhar com instalações elétricas, sejam elas residenciais ou industriais.
Literaturas sobre o assunto:
- Norma NBR 5410 (1997)
- Guia EM da NBR 5410 (Editora Aranda).
Sites:
- www.bussmam.com (tanto para produtos como "aplications notes". consulte: Kfuseologyn. e ''SPD Eletri-cal Protection Handbook").
- www.siemens.com.br (produtos).
Alexandre Capelli
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