Unidade 5 - Instalações Elétricas - Dispositivos de manobra, proteção e coordenação em sistemas

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INSTALAÇÕES ELÉTRICAS 
INDUSTRIAIS
UNIDADE 05 – DISPOSITIVOS DE MANOBRA, PROTEÇÃO E 
COORDENAÇÃO EM SISTEMAS ELÉTRICOS
PROFª. MSC. KÉSIA ALVES COELHO LOUBACK
kes ia. louback@gmai l .com
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5.1 - Introdução
Introdução
Sistema elétrico e sistema de proteção
• O Sistema Elétrico de Potência (SEP) é constituído por subsistemas de Geração, Transmissão e
Distribuição, que são responsáveis pela Transmissão de energia da geração até os centros de carga,
através de uma grande área geográfica, e pela distribuição da mesma aos consumidores.
• Tal sistema deve ser projetado e operado para entregar esta energia obedecendo dois requisitos
básicos: Qualidade e economia, que apesar de serem relativamente antagônicos é possível conciliá-los,
utilizando conhecimentos técnicos e bom senso.
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Introdução
Sistema elétrico e sistema de proteção
• O sistema elétrico deve obedecer aos padrões legais preestabelecidos pelo governo para fornecimento
adequado de energia elétrica na quantidade e qualidade requeridos:
→ Aneel – Prodist Módulo 8
→ ONS - Submódulo 2.8
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Introdução
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Introdução
Sistema elétrico e sistema de proteção
• Devido a própria natureza do sistema elétrico de potência, é impossível tornar o sistema elétrico imune
à perturbações, defeitos e falhas diversas.
• Por isso, mecanismos de proteção contra situações anormais devem ser previstos. Esses mecanismos
constituem a denominada PROTEÇÃO dos sistemas elétricos.
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Introdução
Sistema elétrico e sistema de proteção
• Condições anormais resultam em:
→ interrupções no fornecimento de energia elétrica;
→ podem ocasionar danos aos componentes do sistema.
• Esquemas de proteção são planejados para receberem as informações das grandezas elétricas do
sistema, em tempo real, de forma a atuarem sempre que condições anormais ocorram.
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Introdução
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Introdução
Curto-circuito
A anomalia mais comum e também a mais severa que incide em um sistema elétrico de potência é o
curto-circuito, que ocorre em decorrência da ruptura da isolação entre as fases ou entre a fase e terra.
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Introdução
Curto-circuito
• Os curtos-circuitos, que podem ser trifásicos, bifásicos ou monofásicos, têm frequências de ocorrência
bem distintas.
• Os mais comuns são os curtos-circuitos monofásicos, representando cerca de 78% dos eventos de
curtos-circuitos no SEP.
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Faltas Ocorrência Permanentes Temporárias
Trifásicas 2 % 95 % 5 %
Bifásicas 11 % 70 % 30 %
Monofásicas 79 % 20 % 80%
Outros 8% - -
Introdução
Curto-circuito
A determinação das correntes de curto-circuito de um sistema são importantes para:
→ Dimensionamento e seleção de relés de proteção;
→ Determinação da capacidade de interrupção de disjuntores;
→ Determinação da máxima corrente de suportabilidade de equipamentos (cabos, trafos, barras, etc);
→ Coordenação da proteção;
→ Calculo de esforços mecânicos e estruturais, etc.
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Introdução
Curto-circuito
• A corrente de curto-circuito, de acordo com a lei de Joule, provoca a dissipação de potência na parte
resistiva do circuito provocando aquecimento. No ponto da falta este aquecimento e o formato do arco
podem provocar uma destruição que pode ser de grande monta, dependendo de Icc e de t.
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Introdução
Sobrecargas
• É causada pela passagem de um fluxo de corrente acima do valor nominal. A corrente nominal é a
máxima corrente permissível para um dado equipamento continuamente.
• A sobrecarga frequente em equipamentos acelera a deterioração da isolação, causando curtos-
circuitos.
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Introdução
Subfrequência e sobrefrequência
• São causadas pelo súbito desequilíbrio significativo entre a geração e a carga;
• Alteração na velocidade das máquinas podem ocasionar aquecimento e vibrações;
• Até ±2 Hz, a proteção não deve atuar para períodos inferiores a 2s;
• A proteção de frequência opera para uma faixa entre 25 e 70 Hz.
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Introdução
Sobretensão
• Basicamente, as sobretensões do SEP nunca devem superar 110% da tensão nominal de operação.
• Podem ter diferentes origens:
• Descargas atmosféricas;
• Chaveamentos;
• Curto-circuitos monopolares.
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5.2 - Filosofia da proteção
Filosofia da proteção
Objetivos do sistema de proteção
A função de um esquema de proteção em um sistema elétrico de potência é detectar falta e isolar a área
afetada no menor tempo possível, de forma confiável e com mínima interrupção possível.
Objetivos:
→ Segurança pessoal;
→ Manter a integridade dos equipamentos;
→ Isolar a parte afetada do restante do sistema;
→ Assegurar a continuidade de fornecimento.
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Filosofia da proteção
Objetivos do sistema de proteção
Para cumprir seus objetivos:
→ Deve alertar os operadores;
→ Isolar trechos defeituosos do sistema.
→ Se há, por exemplo, um curto-circuito: proteger e evitar o agravamento dos danos aos equipamentos
principais e/ou reflexos sobre toda a rede.
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Filosofia da proteção
Aspectos considerados na proteção
Na análise de proteção dos sistemas elétricos torna-se necessária a distinção entre as seguintes situações
de operação do sistema:
→ situação normal de funcionamento;
→ situação anormal de funcionamento, como por exemplo, perda de sincronismo;
→ situações de curto-circuito.
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Filosofia da proteção
Níveis de atuação de um sistema de proteção
• Proteção Principal: Em caso de falta dentro da zona protegida, é quem deverá atuar primeiro.
• Proteção de Retaguarda: A sua atuação só ocorrerá se a proteção principal falhar.
• Proteção Auxiliar: Possui funções auxiliares da proteção principal e de retaguarda. Portanto tem como
objetivo a sinalização, alarme e intertravamento.
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Filosofia da proteção
Requisitos do sistema de proteção
A) Seletividade: é a propriedade da proteção em discriminar e somente desconectar do sistema a parte
atingida pelo defeito.
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Filosofia da proteção
Requisitos do sistema de proteção
B) Coordenação: característica de atuação temporal, de tal forma que o dispositivo selecionado,
inicialmente, tenha a chance de abrir e isolar a parte afetada, mas conte com o recurso de uma atuação
de retaguarda, por parte de outros dispositivos de proteção, após um tempo de ajuste previsto.
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Filosofia da proteção
Requisitos do sistema de proteção
C) Velocidade: Menor dano ao equipamento defeituoso com consequente diminuição do tempo de
indisponibilidade e menor custo de reparo.
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Filosofia da proteção
Requisitos do sistema de proteção
D) Sensibilidade: É a capacidade do elemento de proteção reconhecer com precisão a faixa e os valores
indicados para sua operação e não operação;
• Para avaliar numericamente o nível de sensibilidade:
𝑁𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 =
𝐼𝑐𝑢𝑟𝑡𝑜−𝑐𝑖𝑟𝑐𝑢𝑖𝑡𝑜 𝑚á𝑥𝑖𝑚𝑎 𝑔𝑒𝑟𝑎çã𝑜 𝑚í𝑛𝑖𝑚𝑎
𝐼𝑎𝑐𝑖𝑜𝑛𝑎𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑜 𝑒𝑙𝑒𝑚𝑒𝑛𝑡𝑜 𝑑𝑒 𝑝𝑟𝑜𝑡𝑒çã𝑜 𝑝𝑖𝑐𝑘−𝑢𝑝
• Nível adequado é de 1,5 ≤ 𝑁𝑠𝑒𝑛𝑠𝑖𝑏𝑖𝑙𝑖𝑑𝑎𝑑𝑒 < 2
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Filosofia da proteção
Requisitos do sistema de proteção
E) Confiabilidade: Probabilidade do sistema de proteção funcionar com segurança e corretamente, sob
todas as circunstâncias;
F) Automação: Capacidade e operar automaticamente quando for solicitado e retornar à posição de
operação depois de cessada a ocorrência, sem o auxílio humano, quando for conveniente;
G) Custo: máxima proteção ao menor custo possível.
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5.3 – Proteção de sistemas de baixa tensão
Proteção de sistemas de baixa tensão
Dispositivos de segurança
▪ Dispositivos de segurança elétrica são aparelhos que interrompem a corrente elétrica, caso esta seja
maior que um circuito ou aparelho possa suportar.
▪ Segundo a NBR 5410, os principais dispositivos de segurança elétrica para instalações prediais
residenciais ou industriais são: fusíveis, DPS (dispositivos de proteção de surto ou de sobretensões), DR
(diferencial residual) e DTM (disjuntor termomagnético).
▪ O dimensionamento e a escolha correta desses equipamentos são essenciais para prevenir acidentes,
tais como sobrecargas, incêndios, choques e queimade equipamentos, tanto residenciais quanto
industriais.
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Proteção de sistemas de baixa tensão
Dispositivos de segurança
• A Figura ao lado exibe um exemplo típico de um Quadro de
Distribuição mostrando os elementos básicos que o compõe.
• Vamos estudar individualmente cada Dispositivo de Proteção
utilizado em instalações elétricas de baixa tensão de acordo
com a sua respectiva aplicação em função da NBR5410.
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Fusíveis
• São os elementos mais tradicionais para proteção contra curto-circuito de sistemas elétricos.
• Sua operação é baseada na fusão do “elemento fusível” contido no seu interior.
• O princípio de funcionamento do fusível é romper seu elemento fusível caso a corrente elétrica do
acionamento ultrapasse seu valor máximo admissível.
Proteção de sistemas de baixa tensão
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Fusíveis tipo NH, Diazed e Cilindrico
Fusíveis: Dimensionamento
No dimensionamento de fusíveis, recomenda-se que sejam observados os seguintes pontos:
• 1º Critério de escolha do Fusível – devem ser especificados com uma corrente superior a 20% acima
do valor nominal da corrente (In) do circuito que irá proteger.
• 2º Critério de escolha do Fusível - Devem suportar o pico de corrente (Ip) dos motores durante o
tempo de partida (TP) sem se fundir. Com o valor de Ip e TP determina-se pelas curvas características
dos fusíveis fornecidas pelos fabricantes o valor necessário do fusível.
Proteção de sistemas de baixa tensão
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Fusíveis: Dimensionamento
Proteção de sistemas de baixa tensão
31Unidade 3 – Máquinas assíncronas trifásicas
Gráfico curva tempo-corrente dos fusíveis tipo D
Proteção de sistemas de baixa tensão
DPS
▪ Os protetores de surto preservam instalações e equipamentos elétricos e eletrônicos contra os efeitos
diretos e indiretos de descargas atmosféricas. São classificados em:
• Classe I: eliminam efeitos diretos das descargas atmosféricas;
• Classe II: protegem equipamentos elétricos contra sobretensões induzidas ou conduzidas originadas de descargas
atmosféricas;
• Classe III: usados para proteger equipamentos situados a mais de 30 metros do DPS de cabeceira.
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Proteção de sistemas de baixa tensão
Disjuntor residual (DR)
▪ Este dispositivo protege pessoas de choques. Ele é necessário porque o disjuntor termomagnético não
reconhece pequenas correntes, que podem mesmo assim causar danos graves ao corpo.
▪ Por esse motivo, a NBR 5410 obriga a utilização de dispositivos DR em locais molhados ou úmidos, tais
como:
→ Pontos de utilização em locais molhados ou sujeitos a lavagens;
→ Tomadas internas usadas para alimentar equipamentos em áreas externas;
→ Pontos situados onde há banheira ou chuveiro;
→ Pontos de tomada em locais não residenciais;
→ Tomadas e iluminação em áreas externas.
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Proteção de sistemas de baixa tensão
Disjuntor residual (DR)
▪ O DR funciona com um sensor que mede as correntes que entram e saem no circuito (a). 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 à 0 (b).
▪ A soma só não será igual a 0 se houver corrente fluindo para a terra (c), como no caso de um choque elétrico.
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Proteção de sistemas de baixa tensão
Disjuntor termomagnético (DTM)
▪ O disjuntor termomagnético é um dispositivo de manobra e proteção. Isto é, ele é capaz de desarmar-
se automaticamente ao detectar calor atípico no circuito, o que pode indicar corrente excedente.
▪ São classificados conforme o tipo de funcionamento:
→ Pelo número de polos: monopolar, bifásico ou trifásico;
→ Pela corrente de curto-circuito (de curva B, C ou D).
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Proteção de sistemas de baixa tensão
Disjuntor termomagnético (DTM)
▪ Estes disjuntores termomagnéticos possuem o elemento térmico contra sobrecarga e o elemento
magnético contra curto-circuito portanto, sob dois princípios de funcionamento.
▪ O primeiro, uma proteção térmica, agindo pelo princípio do bimetal, – duas lâminas de metais distintos
com coeficientes de dilatação diferentes. Se houver uma corrente elétrica ligeiramente acima da
tolerância do disjuntor por um tempo significativo, as lâminas metálicas aquecem, curvam-se e
desligam o circuito em poucos minutos.
▪ O segundo princípio é a atuação de uma grande sobrecorrente. Nesse caso, passa a agir uma bobina
magnética que desliga instantaneamente o disjuntor devido ao elevado campo magnético trazido por
esta elevada corrente.
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Proteção de sistemas de baixa tensão
Disjuntor termomagnético (DTM)
▪ Os disjuntores são diferenciados por faixa de atuação (B, C ou D) em função da curva que caracteriza o
seu desarme. A diferença básica entre eles está no tempo de atuação do disparador magnético devido
a curto-circuito.
→ Curva B – O disparador magnético atua entre 3 e 5 vezes a corrente nominal (In). É destinado à proteção dos
condutores que alimentam cargas de natureza resistiva como chuveiros, aquecedores e lâmpadas
incandescentes (residencial).
→ Curva C – O disparador magnético atua entre 5 e 10 In. É destinado à proteção de condutores que
alimentam cargas indutivas como lâmpadas fluorescentes, motores, eletrobombas (residencial e outros).
→ Curva D – O disparador magnético atua entre 10 e 50 In. É destinado à proteção de condutores que
alimentam cargas fortemente indutivas como transformadores e cargas com elevada corrente de partida
(acima de 10 In) (industrial).
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Proteção de sistemas de baixa tensão
Disjuntor termomagnético (DTM)
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Onde:
• 𝐼𝐵 é a corrente de projeto do circuito
• 𝐼𝑍 é a capacidade de condução de corrente dos condutores
• 𝐼𝑁 é a corrente nominal do dispositivo de proteção
• 𝐼2 é a corrente convencional de atuação para disjuntores
𝐼𝐵 ≤ 𝐼𝑁 ≤ 𝐼𝑍
𝐼2 ≤ 1,45 𝑥 𝐼𝑍
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5.4 – Proteção de instalações aéreas
Proteção de instalações aéreas
Componentes utilizados na rede de distribuição
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→ Os valores de tensão informados são os
padronizados, lembrem-se que existem redes
com outros valores de tensão de distribuição.
127/220V e 220/380 V
13,8 kV e 34,5 kV
Proteção de instalações aéreas
Isoladores
▪ O isolador é uma peça fixada na cruzeta e sua função é isolar a tensão, impedindo que a corrente
elétrica desça do poste até o chão. Além disso, os isoladores têm a função de sustentar
mecanicamente os cabos.
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Proteção de instalações aéreas
Isoladores
Basicamente, existem três tipos de isoladores:
i. De pino (porcelana ou vidro) – geralmente, destinados às redes de distribuição de até 34,5 kV;
ii. De disco (porcelana ou vidro) – usados em linhas de alta e extra-alta-tensão;
iii. Rígidos (fibra de vidro, resina epóxi e vários materiais) – usados em linhas compactas.
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Proteção de instalações aéreas
Para raios
▪ Os para-raios são equipamentos instalados ao longo das linhas de transmissão e das redes aéreas de
distribuição com a finalidade de proteger esses sistemas dos surtos de tensão que podem ter origem
externa (descargas atmosféricas) e interna (manobras de chaves seccionadoras e disjuntores).
▪ Os para-raios limitam as sobretensões a um valor máximo. Este valor é tomado como o nível de
proteção que o para-raios oferece ao sistema.
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Proteção de instalações aéreas
Para raios
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Proteção de instalações aéreas
Chave fusível
“A chave fusível é um equipamento destinado a proteção de sobrecorrentes de circuitos primários,
utilizado em redes aéreas de distribuição urbana e rural e em pequenas subestações de consumidor e de
concessionária.”
▪ Composição:
▪ Elo fusível – “Elemento metálico no qual é inserida uma parte sensível a correntes elétricas elevadas,
fundindo-se e rompendo-se num intervalo de tempo inversamente proporcional à grandeza da
referida corrente.”
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O elo fusível é utilizado no interior do cartucho ou 
porta-fusível, preso nas suas próprias extremidades
Proteção de instalações aéreas
Chave fusível
▪ Composição:
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Proteção de instalações aéreas
Chave fusível
▪ Coordenaçãoda proteção
▪ É importante para o projetista coordenar a atuação dos Elos Fusíveis através das suas curvas
características (tempo x corrente)
▪ Seletividade → Zonas de Proteção
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Proteção de instalações aéreas
Disjuntor
“Equipamento destinado à interrupção e ao restabelecimento das correntes elétricas num determinado
ponto do circuito.”
Composição usual: Relés de proteção + Disjuntor
Funções:
o Interromper correntes de defeito no menor tempo possível
o Manobras (em plena carga ou a vazio)
o Interrupção do Arco Elétrico (Óleo, Ar Comprimido, SF6, Vácuo)
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Proteção de instalações aéreas
Disjuntor e relé de proteção
Relés de proteção: “Elementos responsáveis pela detecção das correntes elétricas do circuito que, após
analisadas por sensores previamente ajustados, podem enviar ou não a ordem de comando para sua
abertura.”
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Funcionamento: Relé elementar
Proteção de instalações aéreas
Disjuntor e relé de proteção
→ Curvas de ajustes dos relés
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Proteção de instalações aéreas
Religador automático
“Equipamento de interrupção da corrente elétrica dotados de uma determinada capacidade de repetição
em operação de abertura e fechamento de um circuito, durante a ocorrência de um defeito.”
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Proteção de instalações aéreas
Religador automático
Por que utilizar religadores?
➢ A maioria das faltas que ocorrem em sistemas aéreos de distribuição consiste de faltas temporárias que
podem ser causadas por descargas atmosféricas, vento, animais ou contatos com árvores.
➢ Estima-se que de 80% a 95% de todas as faltas em circuitos aéreos são faltas temporárias.
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Faltas Ocorrência Permanentes Temporárias
Trifásicas 2 % 95 % 5 %
Bifásicas 11 % 70 % 30 %
Monofásicas 79 % 20 % 80%
Outros 8% - -
Proteção de instalações aéreas
Religador automático
→ Função:
▪ Eliminação dos defeitos transitórios nas redes de distribuição aéreas sem a necessidade de
deslocamento da equipe de manutenção.
▪ Manobra/realocação de cargas
→ Tipos:
▪ Monofásicos (Aplicadas a redes monofásicas e trifásicas)
▪ Trifásicos (Aplicadas a redes trifásicas)
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Os religadores automáticos NÃO devem ser aplicados em instalações industriais 
ou comerciais, onde os defeitos são quase sempre permanentes.
Proteção de instalações aéreas
Religador automático
→ Funcionamento:
▪ Opera quando detecta correntes de curto-circuito, desligando e religando automaticamente os
circuitos um número pré-determinado de vezes.
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Referências
55UNIDADE 04 – DIMENSIONAMENTO DE CONDUTORES