Instalacoes Eletricas DTM

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Universidade Santa Cecília (UNISANTA)
	
Análise dos dispositivos de proteção DTM em relação às correntes de curto-circuito I²t
Márcio Nastari Dias RA 072020
Rodrigo Thomaz de Almeida RA 071817
Ulysses de Souza e Silva RA 110666
Vladimir Lima Junior RA 102377
Vitor Guilherme Matos Rosa RA 104051
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Introdução:
 Esse trabalho tem por objetivo mostrar o funcionamento do dispositivo de proteção e manobra nomeado disjuntor. Será abordado o funcionamento da parte térmica bem como da parte magnética desse dispositivo e explanando o comportamento deste para cada tipo de condição adversa, tanto em relação à sobrecarga quanto à corrente de curto-circuito.
Principais dispositivos de proteção e segurança:
Fusível
 Dispositivo de proteção que, pela fusão de uma parte dimensionada para tal, interrompe a corrente elétrica quando esta excede o valor estabelecido, durante um tempo determinado. 
 Lembrete: Não são recomendados para a proteção contra sobrecorrentes leves e moderadas.
Relé Térmico
 Relé térmico é um dispositivo de proteção de sobrecarga elétrica aplicado a motores elétricos. Este dispositivo de proteção visa evitar o sobre-aquecimento dos enrolamentos do motor quando ocorre uma circulação de corrente elétrica acima da tolerada nos seus enrolamentos.
 
Disjuntor
 Disjuntor é um sistema de segurança de um circuito elétrico, contra sobrecargas elétricas ou curtos-circuitos e tem a função de interromper a passagem de corrente elétrica no circuito, caso a intensidade da corrente ultrapassar a intensidade limite que, normalmente, vem especificada nos próprios disjuntores. Uma boa característica dos disjuntores, é que, além de proteger a instalação elétrica, ele também serve como dispositivo de manobra (NBR 5361).
 Os disjuntores de interrupção ao ar livre são os mais simples e, historicamente, foram os primeiros equipamentos a serem utilizados. Para atender ao crescimento das potências de interrupção, e a elevação dos níveis de tensão nos sistemas elétricos, surgiram os disjuntores a óleo mineral isolante.
 Na década de 30, os disjuntores a ar comprimido apareceram como a melhor técnica de extinção do arco elétrico de alta tensão, resultando uma melhor segurança às instalações elétricas e pessoas, tendo em vista que na época foram registrados muitos acidentes decorrentes da explosão e incêndio de disjuntores a óleo. Em 1953, os EUA construíram o primeiro protótipo do disjuntor a SF6.
 Os disjuntores a vácuo foram fabricados no início dos anos 70 com boa aceitação para utilização em média tensão. Atualmente as perspectivas são de utilização de disjuntores a semicondutores, que já estão sendo desenvolvidos em laboratórios.
 Os disjuntores devem satisfazer as seguintes condições para um funcionamento ideal:
Abrir e fechar um circuito com o menor tempo possível;
Conduzir a corrente de carga das linhas;
Deve suportar termicamente a corrente de carga do sistema;
Suporta térmica e mecanicamente a corrente de curto-circuito do sistema por um determinado tempo especificado;
Isolar a tensão do sistema, em relação à terra e entre seus pólos, sobre quaisquer condições do meio ambiente (sol, chuva, em atmosferas poluídas, etc);
Ter adequada resistência mecânica, não ser afetado por vibrações, ser compacto, requerer pouca manutenção e ser de fácil montagem.
 Atualmente existem disponíveis no mercado várias tipos de disjuntores, sendo o que caracteriza cada um deles é sua técnica de extinção do arco elétrico. As principais técnicas são as seguintes:
Sopro magnético;
Disjuntores a Óleo;
Ar comprimido;
SF6 (Hexafluoreto de Enxofre / gás sintético);
Vácuo;
Semicondutores.
 Lembrete: Devem ser ligados somente aos condutores fase. 
Aplicação de fusível e disjuntor:
 Basicamente os fusíveis são aplicados visando a integridade dos condutores da instalação, já os disjuntores a proteção da “instalação elétrica”. 
Disjuntores Termomagnéticos:
 Esses disjuntores têm três funções básicas nas instalações elétricas: manobra (deixar o circuito energizado ou não), proteção contra sobrecarga (disparador térmico) e proteção contra corrente de curto-circuito (disparador magnético).
 Em ambos os casos de proteção, o DTM é utilizado com a finalidade de evitar a sobrecorrente, a qual é um dos tipos de condições adversas encontradas nas instalações elétricas.
 - Sobrecarga: 
 Quando há o excesso de cargas interligadas em um condutor não dimensionado para tal aplicação, resulta no aquecimento do mesmo. 
 Se analisarmos o aumento do fluxo de corrente sem alterarmos a bitola do condutor (resistividade fixa), de tal forma que esse fluxo seja maior do que o nominal do condutor, teremos uma maior oposição do condutor à passagem da corrente isso implica no aumento do trabalho para transportar o elétron no condutor, havendo uma maior perda de energia que é transformada em calor. Com base no aumento de temperatura gerado no condutor o disparador térmico do DTM atua: em condições normais, não há aquecimento do condutor não havendo o acionamento da barra de disparo. Caso ocorra um aumento excessivo de cargas na instalação elétrica, inicia-se o processo de aquecimento do condutor e consequentemente a variação da dilatação linear do bimetal. Após um determinado tempo, dependendo obviamente da curva deste, se permanecer o aumento de temperatura, o bimetal atua na barra de disparo cessando a energia da instalação elétrica.
 Quando falamos à respeito do disparador térmico em DTM, há dois tipos: o disparador térmico simples, conforme figuras 1 e 2, e o disparador térmico compensado, conforme figuras 3, 4 e 5. O princípio de funcionamento deles é o mesmo, a diferença é que o compensado é específico para lugares nos quais a temperatura ambiente possa interferir na atuação do disjuntor, apresentando um segundo bimetal para compensar essa diferença. 
- Disparador térmico simples:
Figura 1
Figura 2
- Disparador térmico compensado:
Figura 3
Figura 4
Figura 5
 
Lembrete: Quando o disparador térmico for acionado é preciso esperar que o bimetal volte ao seu estado inicial para rearmar o disjuntor, já quando o disparador magnético for acionado o rearme é instantâneo.
 - Sobrecorrente:
 Esse tipo de condição adversa ocorre quando fechamos algum curto-circuito entre FASES ou entre FASE e NEUTRO. 
 Se analisarmos para o mesmo nível de tensão, ao fechar o curto-circuito, a resistência da instalação elétrica “tende” a zero desta forma a corrente ou corrente de curto-circuito “tende” a infinito, em escala real na ordem de [kA], logicamente que apesar do valor de ICC ser alto nunca será infinito nem como a resistência zero.
 O disparador magnético tem o seguinte funcionamento: quando o condutor está submetido à corrente nominal, o campo magnético gerado pelo solenóide não é capaz de atrair o êmbolo ferromagnético situado na barra de disparo. Por outro lado, quando há uma corrente de curto-circuito, como a corrente elétrica é altíssima, o campo magnético gerado pelo solenóide também aumenta sua intensidade (aumenta o nº de linhas de campo), devido o mesmo estar diretamente correlacionado à corrente assim resultando na atração do êmbolo ferromagnético e consequentemente atuação da barra de disparo que por sua vez cessa a circulação de corrente na instalação elétrica.
 É possível analisar esse fenômeno físico nas figuras 6 e 7.
 
Figura 6
Figura 7
Curva de atuação do disjuntor:
 Os disjuntores são separados por classes conforme a sua faixa de atuação, a seguir temos um gráfico para compararmos suas especificações:
Gráfico 1
Gráfico 2
Faixa B - atuação instantânea do disparador para valores de 3xIn até 5xIn.
Faixa C - atuação instantânea do disparador para valores de 5xIn até 10xIn.
Faixa D - atuação instantâneado disparador para valores de 10xIn até 20xIn.
 Assim que caracterizados pelas classes, os disjuntores são classificados em três categorias. Os disjuntores lentos, os disjuntores rápidos e os disjuntores limitadores de corrente. A seguir detalhamos as três categorias.
 - Disjuntores lentos: Caracterizam-se com tempos de pré-arco longos, superiores a 60ms. Estes são destinados a intervir apenas em casos extremos.
 - Disjuntores rápidos: Caracterizam-se com tempos de pré-arco de 2 a 3 ms, com os quais a corrente de curto-circuito não chega a estabilizar-se com seu valor teórico máximo.
 - Disjuntores limitadores de corrente: Caracterizam-se com tempos de pré-arco de 0,6 a 0,9 ms, com os quais a corrente de curto-circuito está fortemente limitada com respeito a seu valor teórico máximo.
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 Vejamos a seguir a curva da atuação de um dispositivo. Podemos separar a ação térmica da ação magnética:
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Gráfico 3�
Integral de joule:
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 A integral de joule é uma grandeza relacionada com pulsos de corrente não senoidais como dispositivos de seccionamento a estado sólido e por dispositivos de proteção a sobrecorrente do tipo limitador podendo ser fusíveis ou disjuntores. Por ela se dá o valor da energia térmica por unidade de resistência (1A²s= 1J /Ω) liberada em um circuito. 
 O I²t é uma ferramenta para solução de problemas térmicos resultantes da circulação de corrente de valor elevado e de curta duração, como as de falta direta em circuitos elétricos, no que aquece os condutores e a atuação das proteções. Quando as sobrecorrentes chegam a valores muitos elevados, como as de curto-circuito, a temperatura pode chegar a centenas de graus em um intervalo de tempo muito pequeno, na ordem de centésimos de segundo. Sendo pela forma da corrente ou pela indutância de linha os primeiros ciclos da corrente podem ser avaliados pela corrente eficaz. No estudo térmico dessa corrente com tempos extremamente pequenos, não podemos separar as grandezas (tempo x corrente), assim consideramos um conjunto no produto integral.
 A integral de joule dos dispositivos termomagnéticos determina onde o dispositivo deixa passar a corrente em função do valor eficaz. Nesta existe 4 regiões sendo:
1ª Correntes: I < In (a corrente do dispositivo menor que a corrente nominal) não existindo limitação;
2ª Correntes: In < I < Im (a corrente nominal menor que a corrente do dispositivo e por sua vez menor que a corrente de atuação magnética). Os tempos são relativamente altos;
3ª Correntes: Im < I < Icn (a corrente de atuação magnética menor que a corrente do dispositivo e por sua vez menor que a corrente da capacidade de interrupção nominal);
4ª Correntes: I > Icn (a corrente do dispositivo tem que ser maior que a corrente da capacidade de interrupção nominal). 
Demonstração:
 Verificado pelo oscilograma uma corrente de curto-circuito presumida de um valor de crista de 8,5kA, a crista fica limitada a um valor de 3,2kA (crista) com a integral de joule.
 Desenvolvendo a integral de joule que seria de 360.000 A²s, fica limitada a 45.000 A²s.
Dados básicos para a especificação de disjuntores:
 - Corrente nominal de operação (In): é o valor eficaz da corrente de regime permanente que o dispositivo pode conduzir indefinidamente sem que haja a elevação da temperatura de suas diferentes partes excedendo o valor especificado;
 - Corrente presumida ou real: é a corrente que circularia no circuito em que está inserido o dispositivo, se cada um de seus pólos fosse substituído por um condutor de impedância desprezível;
 - Capacidade de interrupção: é um valor de corrente de interrupção presumida que o dispositivo é capaz de interromper sob uma tensão dada e em condições prescritas de emprego e funcionamento;
 - Tensão nominal (Ue): é o valor de tensão ao qual são requeridas as capacidades de interrupção e de estabelecimento nominais, bem como as categorias de desempenho em curto-circuito;
 - Frequência nominal: é a frequência da rede elétrica da alimentação para qual o disjuntor foi projetado.
 - Tipos de disjuntores: determinar a classe, tempo de acionamento, etc.
Disjuntores de baixa tensão:
Características importantes (NBR07118) para dimensionamento de disjuntores de baixa tensão:
Tensão nominal
Corrente nominal
Frequência nominal
Capacidade de interrupção em curto-circuito
Capacidade de estabelecimento em curto-circuito
NBR 5361 – DISJUNTORES DE BAIXA TENSÃO:
Objetivo:
 Esta Norma fixa as características exigíveis de disjuntores em caixa moldada para circuitos de tensões nominais até 380 V - corrente alternada (entre fases), corrente nominal até 400 A, capacidade de curto-circuito nominal até 65000 A (simétrica e eficaz) e frequência nominal 60 Hz, para proteção contra sobrecargas e curto-circuito nos condutores de instalações elétricas de edifícios e aplicações similares, além de apresentar os ensaios para estes disjuntores. Os disjuntores são projetados para serem manuseados por pessoas também não qualificadas e para não sofrerem manutenção.
NBR 07118 – DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO:
 Tensão de Restabelecimento Transitória (TRT): é a tensão que surge entre os contatos do disjuntor após a interrupção da corrente de curto-circuito, caracterizada por um período da ordem de 1 a 2 ms.	
 Características importantes (NBR07118) para dimensionamento de disjuntores de alta tensão:
Tensão nominal
Nível de isolamento
Frequência
Corrente
Capacidade de interrupção nominal de curto circuito
Capacidade de estabelecimento nominal
Capacidade de suportar corrente de curto circuito
 Capacidade de estabelecimento nominal (ICM): é o maior valor que o disjuntor pode estabelecer na tensão nominal e em condições especificadas. No sistema C.A. está relacionado com LCU por um fator (k) que depende do fator de potência (cos φ) da malha da corrente de curto-circuito.
NBR 07118 – DISJUNTORES DE ALTA TENSÃO:
Objetivo:
 Esta Norma fixa as características exigíveis dos disjuntores de corrente alternada, para interior e exterior, projetados para sistemas de tensões acima de 1000 V, e frequências industriais iguais ou inferiores a 60 Hz e para operação nas condições de serviço do Capítulo 4.
Capítulo 4:
 As condições de serviço são as seguintes:
a) temperatura máxima do ar ambiente de 40°C e o valor médio obtido num período de 24 h, não superior a 35°C sendo que, nos disjuntores instalados em cubículos, as limitações se referem ao ambiente exterior destes;
b) temperatura mínima do ar ambiente de até -5°C sem previsão de formação de camada de gelo;
c) altitude não superior a 1000 m;
d) ar ambiente não excessivamente poluído por: pó ou sais, fumaça densa com elevado teor de sólido e gases ou vapores corrosivos ou inflamáveis;
e) para disjuntores para exterior, a pressão do vento não deve exceder 700 Pa ;
f) inexistência de terremotos;
g) disjuntores para interior, o grau de umidade deve ser limitado segundo o seguinte critério:
- valor médio da umidade relativa, medido durante qualquer período de 24 h, não superior a 95%;
- valor médio da pressão de vapor em qualquer período de 24 h, não superior a 2244 Pa;
- valor médio da umidade relativa, em qualquer período de um mês, não superior a 90%;
- valor médio da pressão de vapor, em qualquer período de um mês, não superior a 1836 Pa;
Notas:
a) Para funcionamento em outras condições o fabricante deve ser consultado.
b) A condensação deve ser prevista onde ocorrem mudanças súbitas de temperatura em períodos de elevada umidade. Tal condensado pode ser impedido por projeto especial do edifício por adequada ventilação e aquecimento da instalação ou pelo uso de um equipamento eliminador de umidade.
c) Para resistir aos efeitos de elevada umidade e condensação ocasional, tais como ruptura da isolação ou corrosão das partes metálicas, podem ser usados disjuntores para interior projetados para tais condiçõese ensaiados convenientemente, ou disjuntores para exterior, informações a serem dadas pelo fabricante.
Quando solicitadas devem ser fornecidas pelo fabricante as seguintes informações:
a) tipo (modelo) do disjuntor;
b) características nominais:
- tensão nominal em VCA;
- nível de isolamento;
- curvas características (tempo x corrente) do disparador térmico e/ou magnético;
- corrente nominal;
- frequência nominal;
- capacidade de estabelecimento em curto-circuito (kA crista);
- capacidade de interrupção em curtos-circuitos elétricos (kA eficaz);
- ciclo de operação.
Ação do 
disparador térmico
Múltiplo de IN
Ação do 
disparador magnético
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