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INSTALAÇÕES ELÉTRICAS INDUSTRIAIS – ELETROTÉCNICA AULA 2 Prof. Samuel Polato Ribas 2 CONVERSA INICIAL Neste encontro realizaremos um estudo sobre curto-circuito em instalações elétricas. Sabe-se que as correntes de curto-circuito influenciam diretamente no sistema de proteção de qualquer instalação, mais ainda nas instalações industriais, pois elas possuem vários equipamentos que contribuem para a composição das correntes de curto-circuito. Esta aula está dividida de maneira que seja possível analisar as correntes de curto-circuito existentes em uma instalação elétrica industrial, bem como dimensionar os circuitos alimentadores e fazer sua proteção. A análise começará a partir do estudo das causas e consequências dos curtos-circuitos nas instalações. Depois, serão apresentados os tipos de curtos- circuitos que podem existir em um sistema trifásico, já que este é o mais utilizado na indústria. Na sequência, abordaremos o cálculo das correntes de curto- circuito – estes valores são extremamente importantes, já que irão influenciar na escolha e no dimensionamento do sistema de proteção utilizado. Depois, serão estudados os critérios para dimensionamento de alimentadores. E, por fim, veremos como realizar a proteção de circuitos alimentadores nas instalações industriais, como é feita essa proteção, quais os componentes utilizados e como cada um deles contribuirá para a proteção dos alimentadores. TEMA 1 – CURTO-CIRCUITO EM INSTALAÇÕES INDUSTRIAIS: CAUSAS E CONSEQUÊNCIAS Em uma instalação elétrica, são várias as causas que levam a um curto- circuito, e suas consequências podem ser desprezíveis ou extremamente sérias. A seguir, listaremos algumas das causas desses acidentes e suas respectivas consequências. Os curtos-circuitos são correntes extremamente elevadas, que duram por frações de circuitos. Seus valores de pico variam de acordo com as fontes que contribuem para o aumento da corrente de curto-circuito e da impedância do sistema. Entre as fontes que contribuem para a corrente de curto-circuito em uma instalação elétrica industrial, também chamada de corrente de falta, estão os motores de indução, condensadores síncronos e geradores, diferentemente dos transformadores, que não são equipamentos que ocasionam aumento da corrente de curto-circuito. 3 Por meio de ensaios específicos, é possível determinar a corrente que circulará por seus enrolamentos, mas não significa que essa corrente influenciará na corrente de curto-circuito da instalação como um todo. Em caso de uma corrente de falta, os transformadores serão vistos como grandes impedâncias para a instalação e para o sistema elétrico que fornece energia. De maneira geral, o curto-circuito ocorre devido à perda de isolamento de algum dispositivo ou elemento da instalação. Entre as causas de curtos-circuitos, pode-se citar o desgaste natural de equipamentos, que pode ser evitado por meio de manutenções preventivas. Outro fator que pode levar a um curto-circuito é o mau dimensionamento de sistemas de proteção. Como sua principal função é agir imediatamente após ocorrer um curto-circuito, evitando a propagação da corrente de falta, um mau dimensionamento pode levar à demora de atuação do sistema de proteção, ou, até mesmo, à não atuação da proteção. Pode-se também citar a falha humana como uma causa de curto-circuito. Em paradas programadas para manutenção, por exemplo, deve-se certificar que todo o sistema que passará por manutenção está desenergizado. Caso a desenergização não esteja feita, a pessoa que iniciar os trabalhos em um ambiente energizado, pensando estar totalmente desenergizado, com certeza estará sujeita a graves acidentes. Outra causa de curto-circuito por falha humana é a utilização de mão de obra não capacitada. Por exemplo, considere que um motor de indução de grande porte precisa ser retirado de seu local de instalação para manutenção mecânica. Esse motor não possui placa de identificação, e, ao desconectar os terminais do motor, a pessoa responsável não fez a devida identificação dos terminais. Para quem tem experiência nessa área parece algo óbvio, mas a falta dela ou o excesso de confiança podem levar a essa situação. No momento de religar o motor, a pessoa pode ter dificuldades em identificar corretamente os terminais do motor, ocasionando um curto-circuito e gerando riscos que poderiam ser evitados. Entre as consequências causadas por curtos-circuitos em instalações elétricas industriais, estão danos em elementos e componentes, como queima de fusíveis. Além disso, as correntes podem causar danos de natureza mecânica – danificar barramentos, chaves secionadoras e condutores, resultando em rompimento – ou deformações na estrutura de quadros de distribuição. 4 As consequências relacionadas a curtos-circuitos estão diretamente relacionadas ao sistema de proteção. No instante em que passa a existir uma corrente de curto-circuito na instalação elétrica industrial, o sistema de proteção deve atuar, extinguindo a corrente de curto-circuito o mais breve possível. Por isso, é importante o dimensionamento correto dos equipamentos de proteção. É importante ressaltar que um curto-circuito pode percorrer o corpo de uma pessoa, causando grandes queimaduras, e pode inclusive levar a óbito. Para prevenir curtos-circuitos, então, devem ser realizadas manutenções periódicas em equipamentos elétricos e instalações, além do dimensionamento correto dos dispositivos de proteção. Ainda falando de instalações elétricas industriais, por serem sistemas trifásicos, há diversas possibilidades de curtos-circuitos, cada qual com suas características, que veremos no tema a seguir. TEMA 2 – TIPOS DE CURTOS-CIRCUITOS As correntes de curto-circuito geram danos significativos à instalação. Sendo assim, é importante conhecer quais são os tipos de curtos-circuitos e analisar as correntes para conhecer suas características e comportamento. As correntes de curto-circuito serão analisadas do ponto de vista de seu comportamento em função do tempo, ou seja, como será a forma de onda da corrente de curto-circuito ao longo do tempo. Existem basicamente dois tipos de correntes de curto-circuito, simétricas ou assimétricas. As correntes de curto-circuito simétricas possuem simetria entre o semiciclo positivo e negativo da corrente, ou seja, ao longo do tempo, os valores instantâneos do semiciclo positivo e negativo são os mesmos, resultando em um valor médio igual a zero. Veja a seguir: 5 Figura 1 – Exemplo de corrente de curto-circuito simétrica As correntes de curto-circuito assimétricas possuem diferença entre os semiciclos positivo e negativo ao longo do tempo, gerando um valor médio resultado dessa diferença. Em outras palavras, pode-se dizer que esse tipo de corrente possui uma componente alternada e uma componente contínua, que desloca a parcela alternada gerando um desequilíbrio entre os dois semiciclos. Essa corrente pode ser totalmente assimétrica, como mostrado na Figura 2: Figura 2 – Exemplo de corrente de curto-circuito totalmente assimétrica Pela análise da Figura 2, todo semiciclo negativo é deslocado para cima, resultando em uma corrente de curto-circuito contínua, com valor alternado, de tal forma que a amplitude desse valor alternado não ultrapasse o eixo do tempo, 6 o que caracterizaria uma corrente de curto-circuito parcialmente assimétrica, como mostrado na Figura 3: Figura 3 – Exemplo de corrente de curto-circuito parcialmente assimétrica Nesse caso, a corrente de curto-circuito alternada possui uma componente contínua, mas não é o suficiente para que a corrente de curto- circuito se torne totalmente assimétrica. O terceiro tipo de corrente assimétrica é aquela que, a partir do instante do curto-circuito, secomporta como uma corrente assimétrica e, ao longo do tempo, se torna uma corrente simétrica, conforme mostrado na Figura 4: Figura 4 – Exemplo de corrente de curto-circuito assimétrica e simétrica Note que na Figura 4, a corrente de curto-circuito inicia com um comportamento de corrente assimétrica, e, ao percorrer o eixo do tempo, a 7 componente contínua da corrente diminui, passando a ser uma corrente parcialmente assimétrica, e finalmente se tornando uma corrente simétrica. Essa alteração no comportamento da corrente se dá devido a fatores atenuantes que a corrente de curto-circuito encontra durante seu percurso. Apresentado o comportamento das formas de onda das correntes de curto-circuito, parte-se para os tipos de curtos-circuitos, que podem ser franco ou de arco. Os do tipo franco ocorrem quando há contato direto entre dois ou mais condutores, ou entre a fase e uma parte metálica que esteja aterrada, por exemplo. Em outras palavras, ocorrem quando há contato físico entre um condutor-fase e outros condutores, ou entre o condutor-fase e qualquer outra parte da instalação que ocasione um curto-circuito. Já os curtos-circuitos do tipo arco são quando a corrente elétrica forma um arco elétrico entre uma parte energizada e outra não energizada. Por exemplo, quando ocorre um arco elétrico entre condutores fase e terra, ou entre fases. Nesse caso, há o rompimento da rigidez dielétrica do meio que separa os condutores, transformando um meio isolante em um meio condutor. Um exemplo de curto-circuito do tipo arco é mostrado na Figura 5. Figura 5 – Exemplo de curto-circuito do tipo arco Crédito: Jefferson Schnaider. Desses dois tipos de curto-circuito, o mais recorrente é o do tipo franco. Considerando um sistema trifásico a três fios e condutor de proteção, esse tipo 8 de curto-circuito pode ser trifásico, bifásico e entre fase e terra, os quais serão estudados a seguir. Um curto-circuito trifásico ocorre quando há contato direto entre as três fases, conforme mostrado na Figura 6, em que ICS é a corrente eficaz simétrica de curto-circuito. Figura 6 – Curto-circuito trifásico Entre os tipos de curtos-circuitos, este é o que normalmente possui o maior valor. Esse valor é importante principalmente para o dimensionamento dos sistemas de proteção, tais como relés e disjuntores, bem como para o dimensionamento de condutores. O curto-circuito bifásico ocorre quando há contato entre duas fases, o que é mostrado na Figura 7, sendo Icb a corrente de curto-circuito bifásica, e Icbt a corrente de curto-circuito bifásica para a terra. 9 Figura 7 – Curto-circuito bifásico e entre duas fases e terra Por fim, tem-se o curto-circuito entre fase-terra, que pode ocorrer entre uma fase e terra ou entre duas fases e terra. Nesse caso, diferentemente do curto circuito bifásico, em que as duas fases estão em curto, no curto-circuito fase-terra com duas fases, o contato entre elas e a terra se dá separadamente, como mostrado na Figura 8, sendo Itb a corrente de curto-circuito fase-terra. Figura 8 – Curto-circuito fase-terra simultâneo Já na Figura 9, é apresentado o curto-circuito fase-terra de uma fase com a terra. Entre as importâncias para determinação da corrente de curto-circuito entre fase e neutro, está o dimensionamento do condutor de malha de aterramento e de reatores de aterramento. 10 Figura 9 – Curto-circuito fase-terra TEMA 3 – CÁLCULOS DE CORRENTES DE CURTO-CIRCUITO Neste tema, trataremos dos cálculos das correntes de curto-circuito. Não são cálculos simples, pois possuem um grande número de variáveis envolvidas e dependem dos equipamentos que fazem parte da instalação. Além disso, o local da instalação onde ocorre o curto-circuito também influencia no valor das correntes. Sendo assim, veremos primeiramente a localização do curto-circuito. Dois casos são os mais relevantes. Quando o curto circuito ocorre próximo ou distante dos terminais de geradores. Este segundo caso é o mais comum, pois o primeiro somente se aplica quando a planta industrial está próxima da fonte geradora, o que é bastante raro de acontecer. Já a principal forma de geração é por meio de usinas hidrelétricas. 3.1 Curto-circuito próximo dos terminais do gerador Quando ocorre um curto-circuito em um gerador síncrono, a corrente inicial começa em um valor elevado e depois vai diminuindo até estabilizar em determinado valor. Assim, a reatância do gerador é variável no início do curto- circuito e depois atinge um valor final. Portanto, para entender o que ocorre no gerador a partir do instante do curto-circuito, é necessário saber como essas reatâncias se comportam quando ocorre a falta, pois são elas que irão limitar a corrente de curto-circuito do gerador. Nesse caso, as reatâncias do estator são referidas ao rotor e chamadas de reatância de eixo direto. Vejamos os três tipos. 11 A primeira reatância é a subtransitória, representada por X’’d, e formada pelas reatâncias de dispersão do rotor e do estator. Essa reatância também sofre influência do enrolamento de amortecimento e da parte maciça do rotor, que acabam por limitar a corrente no instante em que o curto-circuito ocorre. O valor da reatância é o mesmo para as faltas trifásica, monofásica e entre fase e terra. A segunda reatância, chamada transitória, X’d, é formada pelas reatâncias de dispersão dos enrolamentos do estator e do rotor, o que limita a corrente de curto-circuito, depois que os efeitos da corrente subtransitória deixam de existir. As duas reatâncias, transitória e subtransitória, possuem valores que variam de acordo com o tipo de gerador. Para geradores hidráulicos, a reatância subtransitória varia de 18 a 24% na base da potência e tensão nominais em geradores que têm enrolamento de amortecimento. Já em turbogeradores (geradores de usinas termoelétricas), seu valor varia de 12 a 15% na base da potência e tensão nominal. Já a reatância transitória varia de 18 a 24% em geradores de hidrelétricas, nas mesmas condições de base da reatância subtransitória, e, em turbogeradores, de 12 a 15% nas mesmas condições. A terceira reatância é chamada de reatância síncrona, Xd. Ela é formada pela reatância total dos enrolamentos do rotor do gerador e começa a atuar após a reatância transitória não surtir mais efeito. A partir do instante em que a corrente de curto-circuito passa a ser limitada pela reatância síncrona, não há mais variação. A reatância síncrona pode variar de 100 a 150% na base da potência e tensão nominais, para geradores de hidrelétricas, e de 120 a 160% para turbogeradores. Como o próprio nome das reatâncias sugere, a subtransitória e a transitória atuam durante o regime transitório da corrente de curto-circuito, e a reatância síncrona atua no regime permanente da corrente de curto-circuito. A Figura 10 mostra o comportamento da corrente de curto-circuito levando em consideração a atuação de cada reatância. 12 Figura 10 – Corrente de curto-circuito nos terminais de um gerador 3.2 Curto-circuito distante dos terminais do gerador Neste caso, que retrata a maioria das situações de curto-circuito, existem impedâncias das linhas entre o gerador e a origem do curto-circuito. A impedância da linha é muito maior que a impedância do gerador, praticamente eliminando a influência de suas reatâncias. Sendo assim, a corrente de curto- circuito possui uma componente simétrica acrescida de um valor de corrente contínua. Nesse tipo de situação, a corrente de curto-circuito permanece constante ao longo dos períodos da forma de onda. Devido à presença da componente de corrente contínua, a corrente de curto-circuito possui uma componente assimétrica e uma simétrica. A componente assimétrica se deve à adição da componente de corrente contínua. Como passar do tempo, a parcela contínua começa a diminuir, ao ponto que a corrente passa a ser apenas senoidal, tornando-se simétrica. É possível ver a forma de onda que representa essa situação na Figura 11. Ela expressa algumas grandezas fundamentais para envolver a situação de curtos-circuitos distantes dos geradores, que serão vistos a seguir. a. Corrente de curto-circuito simétrica: é a componente simétrica da corrente de curto-circuito. b. Corrente de curto-circuito simétrica eficaz: é o valor eficaz da corrente de curto-circuito simétrica. 13 Figura 11 – Corrente de curto-circuito distante dos terminais de um gerador c. Corrente inicial de curto-circuito simétrica eficaz: é a corrente eficaz no momento que ocorre a falta. d. Impulso da corrente de curto-circuito: é o valor de pico da corrente no instante em que ocorre o curto-circuito. e. Potência de curto-circuito simétrica: é a potência resultante da corrente de curto-circuito simétrica com a tensão de fase do local onde ocorre o curto-circuito. 3.3 Redução das correntes de curto-circuito As correntes de curto-circuito são limitadas pelas impedâncias existentes no sistema. Dessa forma, quando as impedâncias são muito pequenas, a tendência é que as correntes de curto-circuito assumam valores considerados muito elevados para determinadas situações. Esses valores muito elevados costumam danificar não somente a parte elétrica das instalações, mas também a parte mecânica, como os barramentos. Sendo assim, é conveniente encontrar formas de reduzir as correntes de curto-circuito. Em caso de curtos-circuitos trifásicos, a forma mais comum de redução da corrente é por meio da introdução de reatores série com o valor da 14 impedância, de modo que se tenha a corrente de curto-circuito desejada. No caso de curtos-circuitos fase-terra, são utilizados resistores de aterramento. Esses resistores são ligados em série com o neutro do transformador e também podem ser substituídos por reatores de aterramento. Falando especificamente de transformadores, é possível controlar a corrente de curto-circuito tomando algumas medidas bastante simples que podem resultar em melhora significativa na redução da corrente de curto-circuito. Uma dessas medidas consiste em dimensionar os transformadores com uma impedância percentual elevada. Assim, a corrente de curto-circuito encontrará um caminho com maior impedância, o que limita o seu valor. Outras medidas que podem ser adotadas são: dividir a carga da instalação em circuitos parciais alimentados a partir de vários transformadores ou reduzir a corrente por meio de reatores de aterramento, como já foi mencionado. O grande problema dessa forma de redução da corrente é que o fator de potência da instalação como um todo é reduzido, necessitando de correção. 3.4 Sistemas de base por unidade (pu) O sistema por unidades é uma ferramenta bastante importante no cálculo de correntes de curto-circuito, pois nesse tipo de cálculo, os valores com que se trabalha são elevados, o que torna os cálculos mais complexos, devido à grande quantidade de elementos em um valor. No cálculo por unidade, chamado de pu, os valores são normalizados tomando como base um valor de referência para cada grandeza utilizada. Assim, todos os valores determinados são calculados em função dessa base. No caso de circuitos elétricos, as principais grandezas envolvidas nos cálculos são potência, tensão, corrente e impedância. Dessa forma, é importante definir valores de base para essas grandezas, a fim de determinar os demais valores do circuito em valores em pu, ou seja, valores por unidade. Como em instalações elétricas industriais a grande maioria dos elementos envolvidos é alimentada por um sistema trifásico, os cálculos apresentados terão como foco esse tipo de sistema. Será apresentado como determinar a tensão, a potência, a corrente e a impedância de base. Primeiramente, deve-se determinar a potência e a tensão de base. Ambas são definidas levando em consideração apenas uma escolha, ou seja, o valor que for desejado para a tensão de base e para a potência de base. Costuma-se 15 escolher como tensão de base uma tensão na faixa de kV e uma potência na faixa de kVA ou MVA. Uma boa escolha é tomar como valores de base a tensão e a potência de um transformador. Após escolhidas, definem-se a corrente de base e a impedância de base por meio de cálculos tendo como parâmetros a tensão e a potência de base. Assim, a corrente de base a impedância de base depende de valores predeterminados. Como exemplo de determinação de valores de base, considere um transformador de 8000 kVA, com tensões de 69/13,8 kV e impedância do lado de alta tensão de 1 kΩ. Obviamente existem duas tensões em lados diferentes do transformador, a tensão do primário e do secundário. Dessa forma, haverá valores de base diferentes, dependendo do lado do transformador que está sendo considerado. Para o lado de alta tensão, será considerado como potência de base, Sb, igual a 8000 kVA, e tensão de base, Vb, igual a 69 kV. Sendo assim, a tensão do lado de alta do transformador, Vpu1 = 1 pu, equivale a 69 kV, e a potência Spu = 1 pu, equivale a 8000 kVA. A impedância de base no lado de alta tensão será dada por: ( ) = == 125,595 108000 1069 3 232 1 b b b S V Z (1) Em pu, o valor da impedância será: pu Z Z Z b pu 68,1 125,595 101 3 1 1 1 = == (2) Para o lado de baixa tensão, pode-se repetir os cálculos das equações (1) e (2), ou referenciar o valor da impedância do lado de alta tensão para o lado de baixa tensão. Para isso, é necessário definir um valor de base para o lado de baixa tensão, que, neste caso, será de 13,8 kV. Assim, tem-se que a impedância do lado de baixa tensão será; = = = 40101 1069 108,13 3 2 3 3 1 2 1 2 2 Z V V Z b b (3) 16 Definida a impedância do lado de baixa tensão, define-se agora o valor da impedância de base, que será: ( ) = == 805,23 108000 108,13 3 232 2 2 b b b S V Z (4) Por fim, determina-se o valor da impedância do lado de baixa tensão: === 68,1 805,23 40 2 2 2 b pu Z Z Z (5) Perceba que os valores de impedância em pu para os dois lados do transformador são iguais, o que facilita os cálculos. Para determinar as correntes de base do lado de alta tensão e de baixa tensão, tem-se respectivamente: A V S I b b b 94,66 10693 108000 3 3 3 1 1 = = = (6) e A V S I b b b 69,334 108,133 108000 3 3 3 2 2 = = = (7) Perceba que os valores das correntes de base são os valores das correntes nominais do transformador. Portanto, se o transformador operar a plena carga, os valores das correntes do lado de alta tensão e do lado de baixa tensão serão iguais a 1 pu, conforme as equações a seguir: pu I I I b pu 1 94,66 94,66 1 1 1 === (8) e pu I I I b b 1 69,334 69,334 2 2 2 === (9) Além de trabalhar com números menores, facilitando os cálculos, a representação de grandezas utilizando o sistema por unidades tem outras vantagens: • Os transformadores são considerados com relação 1:1; 17 • O valor da impedância dos transformadores é o mesmo quando representado em pu; • A potência de base é a mesma para todo o sistema; • A tensão de base é escolhida de acordo com uma tensão conhecida do sistema; • Quando há transformadores, após escolher a tensão de base de um dos lados, é possível determinar a tensão de base do outro lado utilizando a relação de transformação; • Na maioria dos casos, a escolha das tensões e da potência de base do sistema é feita de acordo com os dados do transformador. 3.5 Cálculo das correntes de curto-circuito Como a corrente de curto-circuito tem uma forma de onda senoidal, obviamente deve possuir uma funçãoseno. O valor instantâneo de uma corrente de curto-circuito é dado por: ( ) ( ) ( ) −−−+= − senetsenItI tCt csCC 2 (10) Na equação (10), ICC(t) representa o valor instantâneo da corrente de curto-circuito; Ics é o valor eficaz da corrente simétrica de curto-circuito; t é o tempo em que ocorreu o curto-circuito; ωt é o ângulo de tempo; β é o deslocamento angular em rad; e θ é o ângulo da impedância do sistema, dado por: = R X arctg (11) sendo X a reatância entre a fonte geradora e o ponto onde ocorreu o curto- circuito, e R a resistência entre a fonte geradora e o ponto onde ocorreu o curto- circuito. Por fim, a variável Ct é a constante de tempo dada por: Rf X Ct = 2 (12) sendo f a frequência do sistema. 18 A equação (10) permite o cálculo da corrente de curto-circuito em qualquer instante de tempo, porém sabe-se que a corrente de curto-circuito em seus primeiros ciclos possui uma componente alternada e uma componente contínua cujo efeito diminui ao longo do tempo. Portanto, é factível que a equação (10) possa ser dividida em duas partes, sendo uma delas referente ao valor contínuo, e a outra referente ao valor simétrico. O primeiro termo da equação (10): ( ) −+ tsenI cs2 (13) refere-se ao valor simétrico, ou seja, ao valor alternado da corrente de curto- circuito. Já o termo ( ) − − seneI tCt cs2 (14) refere-se à componente contínua da corrente de curto-circuito, que tende a zero com o passar do tempo. No cálculo da corrente ICC(t), ocorrem duas situações específicas em circuitos de alta reatância indutiva que merecem atenção. A reatância é tão alta que a resistência do circuito pode ser considerada muito próxima de zero, se comparada à reatância. Nessa situação de alta reatância, estuda-se o comportamento quando o curto-circuito ocorre no instante em que a tensão é zero e no instante em que a tensão é máxima. Se o curto-circuito ocorrer no instante em que a tensão é zero, o deslocamento angular entre a tensão e a corrente de curto-circuito assimétrica é zero, β é zero, pois é nesse instante que surgirá a corrente de curto-circuito. Além disso, como a reatância é muito maior que a resistência, então o ângulo θ também será zero. Sendo assim, a equação (10) fica escrita na forma: ( ) ( ) ( ) º90º0º90º02 −−−+= − senetsenItI tCt csCC ( ) ( ) tCt csCC etsenItI − −−= º902 (15) Como e-t/Ct permanece na equação e t é igual a zero, o resultado desse elemento será igual a 1, o que significa que teremos o valor máximo da parcela contínua da corrente de curto-circuito, como ilustrado na Figura 12. 19 Figura 12 – Corrente de curto-circuito assimétrica quando a falta ocorre na tensão igual a zero A outra situação é quando o curto-circuito ocorre no instante em que a tensão está no valor máximo. Nesse caso, haverá um deslocamento de 90º entre a tensão e a componente contínua da corrente de curto-circuito, ou seja, β igual a 90º. Como o valor de θ continua em 90º, a equação (10) fica na forma: ( ) ( ) ( ) º90º90º90º902 −−−+= − senetsenItI tCt csCC ( ) ( )tsenItI csCC = 2 (16) De acordo com o resultado da equação (16), não haverá componente contínua na corrente de curto-circuito, o que resulta em uma corrente de curto- circuito totalmente simétrica. Essa situação é ilustrada na Figura 13. 20 Figura 13 – Corrente quando a falta ocorre no valor máximo da tensão É importante lembrar que em instalações elétricas industriais sempre se trabalha com sistemas trifásicos, nos quais as tensões estão defasadas de 120º. Assim, quando uma delas está em zero, as outras duas tensões estarão com uma amplitude de 86,66% do valor de pico. A corrente, então, não será totalmente simétrica no início do curto-circuito, sendo necessário analisar em que ponto da tensão ele ocorreu. Considerando as duas situações anteriormente mencionadas, de curto- circuito próximo aos terminais do gerador e distante dos terminais do gerador, no primeiro caso, quando a falta ocorrer próxima aos terminais do gerador, se uma das tensões estiver em zero no momento do curto circuito, o defasamento entre a tensão e a corrente de curto-circuito poderá chegar a 90º e a impedância que limitará a corrente de curto-circuito será a própria reatância de dispersão dos enrolamentos do gerador. Se o curto-circuito ocorrer distante dos terminais do gerador, a impedância do sistema passa a influenciar o defasamento entre a tensão e a corrente de falta. 21 Quando tratamos de um curto-circuito trifásico, deve-se determinar as condições de curto-circuito para uma das fases. Considerando que as fases sejam iguais, essa situação pode ser estendida a elas. Evidentemente, dependendo da carga que estiver conectada a cada uma, as condições podem variar. Para determinar o valor eficaz das correntes de curto-circuito assimétricas, devem ser conhecidos os valores de reatância e resistência entre a fonte de alimentação e o ponto no qual o curto-circuito ocorre. Fazendo uso do fator de assimetria, tem-se que: ( ) ( )tCt csca eItI 2 21 − += (17) sendo Ica a corrente eficaz assimétrica de curto-circuito, e Ics a corrente eficaz simétrica de curto-circuito. O fator de assimetria é dado por: ( )tCt e 2 21 − + (18) O valor desse fator pode ser determinado a partir da Tabela 1, para vários valores da constante de tempo Ct, considerando t = 0,00416s, valor de tempo ¼ do ciclo da senoide de 60 Hz e levando em consideração a relação X/R. Tabela 1 – Fatores de assimetria para ¼ de ciclo para frequência de 60 Hz Relação X/R Fator de assimetria Relação X/R Fator de assimetria Relação X/R Fator de assimetria 0,40 1,00 3,80 1,37 11,00 1,58 0,60 1,00 4,00 1,38 12,00 1,59 0,80 1,02 4,20 1,39 13,00 1,60 1,00 1,04 4,40 1,40 14,00 1,61 1,20 1,07 4,60 1,41 15,00 1,62 1,40 1,10 4,80 1,42 20,00 1,64 1,60 1,13 5,00 1,43 30,00 1,67 1,80 1,16 5,50 1,46 40,00 1,68 2,00 1,19 6,00 1,47 50,00 1,69 2,20 1,21 6,50 1,49 60,00 1,70 2,40 1,24 7,00 1,51 70,00 1,71 2,60 1,26 7,50 1,52 80,00 1,71 2,80 1,28 8,00 1,53 100,00 1,71 3,00 1,30 8,50 1,54 200,00 1,72 3,20 1,32 9,00 1,55 400,00 1,72 3,40 1,34 9,50 1,56 600,00 1,73 3,60 1,35 10,00 1,57 1000,00 1,73 Fonte: elaborado com base em Mamede Filho, 2018. 22 Perceba que a Tabela 1 não traz valores de fator de assimetria para todas as relações X/R entre 0 e 1000. Assim, basta utilizar a equação da constante de tempo (12) e o fator de assimetria dado na equação (18) para determinar o fator de assimetria para qualquer valor correspondente à relação X/R. 3.6 Contribuição de motores de indução nas correntes de curto-circuito Nas instalações elétricas industriais, a maioria das cargas é composta por motores de indução. Dependendo de suas características, um motor pode contribuir para a corrente de curto-circuito de forma relevante. A partir do instante em que ocorre um curto-circuito, a tendência é que o motor pare de girar, pois a tensão tende a zero. Entretanto, existe a inércia do rotor, que mantém o movimento de rotação por mais algum tempo. Durante esse tempo, o motor funciona como um gerador, devido ao magnetismo do núcleo, fazendo com que injete corrente no sistema em vez de absorvê-la, mesmo sendo uma corrente com duração bastante reduzida. A maior influência na corrente de curto-circuito é de motores de grande porte com tensões elevadas, normalmente acima de 660V. Nesses casos, cada motor deve ser tratado individualmente como uma fonte que contribui para a corrente de curto-circuito. A Figura 14 mostra vários motores de baixa potência ligados a uma mesma fonte. Figura 14 – Representação de motores de pequena potência e baixa tensão em um curto-circuito 23 Quando há motores de baixa potência e baixa tensão,igual ou abaixo de 440V, é mais viável considerar todos como uma única reatância equivalente, como na Figura 15, que apresenta o grupo de impedâncias dos motores. Figura 15 – Representação de motores de pequena potência e baixa tensão por um grupo de impedâncias TEMA 4 – CRITÉRIOS DE DIMENSIONAMENTO DE ALIMENTADORES Neste tema estudaremos os dimensionamentos de três tipos de condutores: de baixa tensão, de média tensão e de barramentos. Tendo em vista que os três tipos de condutores são largamente empregados em instalações elétricas industriais, nada mais conveniente do que conhecer o seu dimensionamento. 4.1 Circuitos de baixa tensão Para o dimensionamento de circuitos de baixa tensão, serão utilizados os critérios da norma NBR 5410/2004. Embora ela quase sempre seja associada a instalações elétricas residenciais, o método de dimensionamento de condutores é aplicado a qualquer tipo de instalação em baixa tensão. 24 Dimensionar corretamente os condutores de um circuito significa determinar a seção dos condutores que irão alimentar as cargas da instalação. Para isso, é possível considerar os seguintes critérios: • Capacidade condução de corrente: limite de temperatura dos cabos em função da corrente; • Limite de queda de tensão: escolha da proteção contra correntes de curto- circuito; • Verificação da bitola mínima estipulada pela NBR 5410/2004 para os circuitos. O critério da capacidade condução de corrente se aplica ao dimensionamento da seção dos condutores-fase, os quais servirão de base para o dimensionamento das seções dos condutores neutro e de proteção (terra). Em condições de funcionamento normal, a temperatura de um condutor, isto é, a temperatura da superfície de separação entre o condutor propriamente dito e a isolação, não pode ultrapassar a temperatura máxima de operação. A Tabela 2 indica os valores desses limites para diversas condições. Tabela 2 – Temperaturas características dos condutores Material Temperatura máxima (ºC) Regime contínuo Sobrecarga Curto- circuito PVC de polivinila até 300 mm2 70 100 160 PVC de polivinila acima de 300 mm2 70 100 140 EPR – borracha etileno-propeno 90 130 250 XLPE – polietileno reticulado 90 130 250 Fonte: elaborado com base em Mamede Filho, 2018. A temperatura no condutor em regime permanente é a temperatura alcançada em qualquer ponto em condições estáveis de funcionamento. A temperatura do condutor em regime de sobrecarga é estabelecida para um regime não superior a 100 horas em 12 meses consecutivos e de modo que nunca supere 500 horas. A temperatura do condutor em regime de curto-circuito deve ser considerada de tal forma que, para cabos de potência, a duração máxima de um curto-circuito seja de 5.segundos. Durante esse período, o condutor suporta as temperaturas máximas para as quais foi construído. 25 Pelo critério da capacidade de corrente, para determinar o condutor e a proteção a serem utilizados, os seguintes fatores devem ser determinados, segundo a norma NBR 5410/2004: a. Maneira de instalar: a Tabela 3.4 do livro Instalações elétricas industriais, de João Mamede Filho, traz os tipos de linhas elétricas, define as diversas maneiras de instalação dos condutores, codificando-as com letras e números, conforme a Tabela 3.3 do mesmo livro. Isso é importante, pois o meio no qual os condutores serão colocados influenciará na troca térmica entre o cabo e o ambiente e, consequentemente, na capacidade de condução de corrente do condutor, IZ. Se em um percurso houver variação na maneira de instalar, deve-se considerar o percurso que apresentar as condições mais desfavoráveis de troca térmica. b. Corrente de projeto (IP): é a corrente que circulará pelo circuito em condições nominais; pode ser calculada pelas equações (19) e (20). A equação (19) mostra como determinar a corrente de cargas monofásicas, e a equação (20) mostra como determinar a corrente de cargas trifásicas: cos = N N P V P I (19) cos3 = N N P V P I (20) sendo IP a corrente de projeto em A, VN é tensão nominal para sistemas monofásicos, e a tensão de linha para sistemas trifásicos, em V, cos φ é o fator de potência da carga. c. Tipo de condutor: deve ser determinado qual condutor será usado, PVC, EPR ou XLPE, e se será unipolar ou multipolar. d. Número de condutores carregados: deve corresponder ao esquema de condutores vivos do circuito. A Tabela 3.20 do livro Instalações elétricas industriais mostra como determinar o número de condutores carregados. e. Fator de correção de temperatura (FCT): pode ser obtido a partir das Tabelas 3.12 e 3.13 do livro Instalações elétricas industriais, sendo determinado em função da isolação do condutor, da temperatura ambiente ou da temperatura do solo de acordo com a maneira de instalar previamente determinada. 26 f. Fator de correção da resistividade do solo (FCRS): normalmente é utilizado para a maneira de instalar “D”. É aplicado apenas quando a resistividade do solo for um fator considerável na instalação dos condutores; caso contrário, o considera igual a 1. Os valores de fator de correção de resistividades do solo são apresentados na Tabela 3.14, do livro Instalações elétricas industriais. g. Fator de correção de agrupamento (FCA): é determinado em função do trecho mais crítico do circuito. As Tabelas 3.15, 3.16, 3.17, 3.18 e 3.19, do livro Instalações elétricas industriais, permitem a escolha do FCA, conforme o tipo de agrupamento e outros fatores apresentados nessas tabelas. Se elas não fornecerem uma situação específica, o cálculo do fator de correção de agrupamento pode ser feito pela equação: n FCA 1 = (21) sendo n o número de circuitos ou cabos multipolares. h. Corrente corrigida (IC): é calculada levando em consideração os fatores de correção pela seguinte equação: = FCRSFCAFCT I I P C (22) i. Seção transversal do condutor: possuindo o valor da corrente corrigida, o tipo de cabo e a maneira de instalar previamente determinados, a seção transversal do condutor pode ser obtida a partir das Tabelas 3.6, 3.7, 3.8 e 3.9 do livro Instalações elétricas industriais, levando em consideração os seguintes aspectos: • Condutor com isolação de PVC, EPR ou XLPE; • Condutores de cobre ou alumínio; • 2 ou 3 condutores carregados; • Temperatura ambiente de 30ºC; • Temperatura no solo de 20ºC; j. Seção mínima dos condutores: a NBR5410/2004 estabelece que as seções mínimas dos condutores-fase em corrente alternada e dos condutores vivos em corrente contínua não devem ser inferiores às indicadas na Tabela 3.10 do livro Instalações elétricas industriais. 27 k. Proteção: o condutor não pode ser dito corretamente até que seja verificada sua proteção. Apenas para ilustrar, na proteção de um condutor pode ser utilizado um disjuntor, cujo valor de corrente nominal deve estar compreendido entre o valor da corrente de projeto corrigida e o valor da corrente suportada pelo condutor. A partir de agora serão mostrados os critérios para o dimensionamento de condutores seguindo o critério do método da queda de tensão. Os aparelhos de utilização de energia elétrica são projetados para trabalhar a determinadas tensões, alguns deles com maior tolerância à variação de tensão que outros. Sendo assim, diferenças de tensão entre a fonte e a carga podem danificar o equipamento ou fazer com que não funcione adequadamente. Essa diferença de tensão é chamada de queda de tensão. As quedas de tensão são em função da distância entre a carga e a fonte, e a potência da carga. As quedas de tensão admissíveis são dadas em percentagem, e seus valores admissíveis são definidos pela NBR 5410, não devendo ser superiores aos seguintes valores, em relação às tensões nominais da instalação: a. 7%, a partir dos terminais do secundário do transformador de médiaou baixa tensão, no caso de transformadores da unidade consumidora; b. 7%, a partir dos terminais do secundário do transformador de média ou baixa tensão, da concessionária de energia, quando este for o ponto de entrega de energia; c. 5%, a partir do ponto de entrega de energia, no caso de fornecimentos em tensão secundária de distribuição; d. 7%, a partir dos terminais de saída do gerador, quando houver gerador próprio; e. No caso de motores elétricos, durante a partida, a queda de tensão não pode ser superior a 10% de sua tensão nominal. Para sistemas monofásicos, a seção transversal do condutor é calculada: ( ) NC CC C VV IL S = 200 (23) Em que ρ é a resistividades do material do condutor, no caso do cobre vale 1/56 Ω.mm2/m; LC é a distância da fonte até a carga; IC é a corrente corrigida do circuito; e ∆VC é a queda de tensão máxima admitida, em %. 28 Para sistemas trifásicos, as variáveis são as mesmas, com VN sendo a tensão nominal de linha. Ainda há a inclusão do termo raiz de 3, multiplicando a equação, por se tratar de um sistema trifásicos. A equação fica na forma: ( ) NC CC C VV IL S = 3100 (24) Como já mencionado, os critérios de dimensionamento de condutores de baixa tensão são destinados ao dimensionamento de condutores-fase. A Tabela 3.23, do livro Instalações elétricas industriais, de João Mamede Filho, estabelece a seção transversal de condutores neutro. Para dimensionar condutores de proteção, a norma traz a Tabela 3.25, do mesmo livro, que estabelece a seção mínima dos condutores de proteção, em função do condutor fase. Dois casos particulares no dimensionamento de condutores de baixa tensão são quanto aos motores elétricos e ao banco de capacitores. Em motores elétricos, o cálculo da corrente deve levar em consideração o rendimento do motor, η, e o fator de serviço, FS, sendo que a equação (20) passa a ser determinada como: = cos3 N NS P V PF I (25) Em banco de capacitores, deve-se considerar a corrente com um acréscimo de 35%, ou seja, a equação para cálculo fica: N N P V P I = 3 35,1 (26) 4.1 Circuitos de média tensão Os condutores de média tensão são calculados de acordo com os critérios da norma NBR 14039/2003. Eles são basicamente os mesmos em relação ao dimensionamento de condutores de baixa tensão, mas levando em consideração as particularidades dos condutores de média tensão. Para o dimensionamento de condutores de média tensão, é necessário o conhecimento dos tipos de linhas elétricas, que são fornecidos na Tabela 3.26, do livro Instalações elétricas industriais. No item 6.2.5.1 da norma NBR 14039, 29 são estabelecidos os métodos de referência apresentados na Tabela 3.27 do mesmo livro. Para melhorar o entendimento desses métodos, deve-se levar em consideração os seguintes aspectos: a. Nos métodos A e B, o condutor é instalado com convecção livre, com distância de qualquer superfície adjacente de no mínimo 0,5 vez o diâmetro externo do cabo, para condutor unipolar, e no mínimo 0,3 vez o diâmetro externo do condutor para condutor tripolar. b. Nos métodos C e D, o condutor é instalado em canaleta fechada com dimensões de 0,5 x 0,5 m, de largura e profundidade, com distância de qualquer superfície adjacente de no mínimo 0,5 vez o diâmetro externo do cabo, para condutor unipolar, e no mínimo 0,3 vez o diâmetro externo do condutor para condutor tripolar. c. No método E, o condutor é instalado em eletroduto de material não condutor, e a distância de qualquer superfície adjacente não deve ser inferior a 0,3 vez o diâmetro externo do condutor, desprezando os efeitos da radiação solar incidente. d. No método F, os condutores unipolares são instalados em eletrodutos de material não condutor, e os condutores tripolares em eletroduto metálico não condutor, no solo com resistividade térmica de 2,5 K.m/W e profundidade de 0,9 m. e. No método G, os condutores unipolares são instalados em eletrodutos de material não condutor espaçado do duto adjacente, de uma vez o diâmetro externo do duto no solo com resistividade térmica de 2,5 K.m/W e profundidade de 0,9 m. f. No método H, o condutor é instalado diretamente no solo, com resistividade térmica de 2,5 K.m/W e profundidade de 0,9 m. g. No método I, o condutor é instalado diretamente no solo, com resistividade térmica de 2,5 K.m/W e profundidade de 0,9 m, e o espaçamento mínimo entre os condutores não deve ser menor que seu diâmetro externo. É possível estabelecer a seção transversal do condutor com base no cálculo da corrente do circuito. Isso chama-se método de instalação, que está disponível nas Tabelas 3.28, 3.29, 3.30 e 3.31 do livro Instalações elétricas industriais. Os métodos de instalação levam em consideração cabos com isolação em EPR ou XLPE, 2 ou 3 condutores carregados, uma temperatura no 30 condutor de 90ºC a 105ºC, e temperaturas ambiente de 30ºC e 20ºC, para condutores subterrâneos e se são condutores de alumínio ou de cobre. Para temperaturas ambiente e do solo, diferentes de 20ºC e 30ºC, respectivamente, a corrente calculada deve ser submetida ao fator de correção de temperatura, estabelecidos pela Tabela 3.31 do livro Instalações elétricas industriais. Para o fator de correção de agrupamento de cabos, deve-se levar em consideração os valores e condições estabelecidas nas Tabelas 3.32, 3.33, 3.34, 3.35 e 3.36 do mesmo livro, se as condições não se aplicarem àquelas das tabelas referentes aos métodos de instalação. O fator de correção referente à resistividade do solo é utilizado quando a resistividade térmica do solo for diferente de 2,5 Km/W. Caso a resistividade térmica do solo possua um valor diferente, devem ser aplicados os fatores de correção estabelecidos pela Tabela 3.37 do livro Instalações elétricas industriais. 4.3 Dimensionamento de barramentos Os barramentos são elementos condutores responsáveis por centralizar a corrente da fonte de alimentação e distribuí-la aos alimentadores. Podem ser em formato retangular ou circular, construídos em cobre ou alumínio. Seu dimensionamento é feito diretamente a partir da forma construtiva e da aplicação. Eles podem ser pré-fabricados ou de fabricação específica, sendo estes de construção e aplicação específica, normalmente aplicados à alimentação de painéis elétricos e subestações blindadas abrigadas. Já os pré-fabricados possuem alta capacidade de condução de corrente e podem ser utilizados para a alimentação de centro de controle de motores, por exemplo. De maneira geral, os barramentos são utilizados para instalações de média e baixa tensão, sendo inviável a aplicação de condutores para a condução de corrente. Eventualmente os barramentos também podem ser aplicados a sistemas de alta tensão. Os tipos de barramentos mais utilizados são os de barras retangulares de cobre, de barras circulares de cobre e barramentos blindados de cobre. As dimensões desses tipos de barramento são tabeladas em função da capacidade de condução de corrente dadas, respectivamente, pelas tabelas 3.38, 3.39 e 3.40 do livro Instalações elétricas industriais. 31 TEMA 5 – PROTEÇÃO DE CIRCUITOS ALIMENTADORES Assim como o dimensionamento dos alimentadores das instalações elétricas é de extrema importância, a sua proteção também é, para que as cargas e os próprios alimentadores não sofram danos no caso de falhas na instalação, que resultem em correntes de sobrecarga ou de curto-circuito. As proteções mais utilizadas para alimentadores são fusíveis e disjuntores. Os disjuntores protegem alimentadores e cargas contra as correntes de sobrecarga e curto-circuito, e podem ser de alta, média ou baixa tensão. A Figura 16 apresenta um disjuntor de alta tensão, utilizado em subestações. Figura 16 – Disjuntor de alta tensão Créditos: Chaiya/Shutterstock.A Figura 17 apresenta um disjuntor de média tensão, e a Figura 18, um disjuntor de baixa tensão. Alguns disjuntores de média tensão podem ter seu fechamento por meio de motores elétricos, como é o da Figura 17. Esses disjuntores são chamados de motorizados. A proteção de alimentadores de baixa tensão, como barramentos e condutores, é feita por meio de disjuntores de baixa tensão, como os da Figura 18, por exemplo. Esse tipo de disjuntor atua de acordo com uma curva, que relaciona o nível de corrente com o tempo de atuação do disjuntor. 32 Figura 17 – Disjuntor de média tensão motorizado Crédito: Jefferson Schnaider. Figura 18 – Disjuntor de baixa tensão Crédito: Vietnam stock photos/Shutterstock. Obviamente, quanto maior a intensidade de corrente, menor será o tempo de atuação. Já os fusíveis utilizados para proteção também podem ser de alta, média ou baixa tensão. Em se tratando de alimentadores de baixa tensão, os fusíveis mais utilizados são do tipo diazed (ou diametral) e do tipo NH. A Figura 19 apresenta um exemplo de fusível diazed e a Figura 20, um exemplo de fusível do tipo NH. 33 Assim como os disjuntores de baixa tensão, os fusíveis atuam com base na corrente que passa por eles. Quanto maior a intensidade de corrente em relação à sua corrente nominal, menor será o tempo de fusão do elo. Figura 19 – Exemplo de fusível diazed Crédito: Siemens Brasil, S.d. Figura 20 – Exemplo de fusível NH Crédito: Siemens Brasil, S.d. Os fusíveis do tipo NH também podem ser instalados na seccionadora- fusível. Esse tipo de equipamento consiste em uma chave seccionadora na qual são colocados os fusíveis NH, conforme mostrado na Figura 21. Nessa situação, a seccionadora, que é um dispositivo apenas de manobra, passa também a proteger os circuitos, devido à existência de fusíveis em seu interior, por onde a corrente irá passar, obrigatoriamente. 34 Figura 21 – Exemplo de fusível seccionadora-fusível Crédito: Siemens Brasil, S.d. FINALIZANDO Esta aula teve como objetivo estudar os curtos-circuitos em instalações industriais. Além disso, foi visto como dimensionar condutores e barramentos para instalações elétricas industriais, bem como os principais dispositivos de proteção para eles. 35 REFERÊNCIAS MAMEDE FILHO, J. Instalações elétricas industriais: de acordo com a norma brasileira NBR 5419/2015. 9. ed. Rio de Janeiro: LTC, 2018.