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CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 1 Instalações Elétricas Aula 4 Prof. Julio Cesar Nitsch CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 2 Conversa inicial Olá! Seja bem-vindo(a) à quarta aula da disciplina Instalações Elétricas! Instalações elétricas não estão imunes a falhas e acidentes. Pelo contrário, um sistema elétrico é bastante susceptível a problemas operacionais ou a acidentes provocados por situações de terceiros. Como engenheiros, devemos considerar os possíveis perigos que cercam uma instalação elétrica, desde uma criança que pode colocar um objeto em uma tomada até o choque de um caminhão em um poste. As proteções para as instalações nos ajudam a salvaguardar o sistema elétrico. Nesta aula, estudaremos os conceitos envolvidos em proteções elétricas e apresentaremos as formas de instalação necessárias para se aumentar a confiabilidade de um projeto. Como já vimos anteriormente, as normas de instalações elétricas e de componentes estão sempre nos acompanhando e nos respaldando. Contextualizando Cabe ao engenheiro, na execução do projeto ou na realização de um trabalho, escolher a forma de proteger uma instalação elétrica. A solução parece simples e já está no domínio público: utilizar um fusível ou um disjuntor. Ao instalar um chuveiro, um motor ou uma máquina de lavar roupa, mesmo o leigo sabe que deve contar com a proteção de um disjuntor. É o engenheiro que faz esse trabalho com uma apuração técnica. Há vários detalhes que o leigo desconhece e colocar uma proteção errada pode ser, em alguns casos, a pior solução. Quanto maior a instalação ou sua importância, também maior é a importância das proteções para o sistema. Ou seja, quando do estudo dos tópicos a seguir ou dos livros, preocupe-se com os detalhes de cada situação. Dois disjuntores de 25A com curvas B e D são dois disjuntores de atuação muito diferente conforme a situação a qual forem submetidos. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 3 Tema 1: Conceitos para proteção de instalações elétricas Ao longo de toda a disciplina, estamos utilizando a NBR 5410:2004 como nossa orientadora de desenvolvimento e para a normalização obrigatória. Não agiremos diferente nesta aula. A NBR 5410 e outras que serão citadas nos colocam o caminho a ser seguido. Basicamente, podemos classificar a proteção de circuitos em três diferentes situações: 1. Proteção contra uma sobrecarga. 2. Proteção contra um curto-circuito ou falta direta. 3. Proteção contra contato direto. Importante citar que alguns autores não classificam esse item como uma proteção de circuito, mas como uma proteção ao ser humano, animais, enfim, à vida em todas as suas formas. Os dispositivos de proteção têm, quando do seu projeto e fabricação, uma determinada corrente nominal de funcionamento que poderíamos dizer ser a corrente que o dispositivo pode conduzir de modo contínuo sem incorrer em sua atuação. Corrente de sobrecarga Proveniente da má utilização ou funcionamento de uma carga. Geralmente é de 30% a 200% maior que a corrente nominal, não está ligada a uma falta elétrica e provoca a atuação da proteção dentro da sua curva térmica. Corrente de curto-circuito Proveniente de uma falta elétrica na qual um elemento energizado entra em contato com uma parte aterrada ou com outro potencial. Quando circula a corrente de curto-circuito, conforme as características da instalação, ele pode assumir valores bastantes elevados. Os dispositivos de proteção têm uma determinada capacidade de suportar essas correntes: a capacidade de ruptura ou capacidade de interrupção. Corrente de ruptura CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 4 A máxima corrente que um dispositivo de proteção pode suportar sem entrar em colapso. Na prática, colapso significa que o dispositivo explode ou entra em curto. Dessas definições, podemos inferir que as proteções para instalações elétricas podem se dirigir às correntes de sobrecarga, de curto-circuito e de ruptura. Tecnicamente, podemos observar esses conceitos nas curvas de atuação dos componentes de proteção. Duas curvas estão apresentadas a seguir. Nas áreas destacadas em vermelho temos os setores de sobrecarga e nas áreas em amarelo os setores de corrente de curto-circuito. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 5 Tema 2: Fusíveis As proteções com elemento fusível vêm diminuindo seu papel rapidamente. Enquanto eram muito mais baratas que as outras proteções, tinham seu mercado garantido, mas com a popularização dos disjuntores devido à redução de preço, os fusíveis perderam um grande mercado. Enquanto o fusível precisa ser trocado, o disjuntor somente precisa ser rearmado depois do reparo de um problema na instalação elétrica. Atualmente, poucas são as vantagens dos fusíveis perto de outros equipamentos: Elevada capacidade de ruptura, chegando facilmente à casa dos 100 kA; Velocidade de atuação. Por outro lado, muitas desvantagens podem ser associadas aos fusíveis: Interrupção individual por fase, o que pode deixar uma carga com alimentação inapropriada; Baixa precisão na atuação; Alta susceptibilidade à alteração na curva de atuação devido a esforços elétricos, variações de temperatura e choques mecânicos; Custo de manutenção de peças de reposição; Pouca variedade de modelos. Vamos fazer uma verificação básica dos fusíveis. Existem muitos modelos para diversas aplicações, desde um simples fusível com corpo de vidro, muito comum em pequenos aparelhos e automóveis, aos fusíveis industriais. A seguir, temos as partes de um fusível industrial e seu conjunto completo de suporte. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 6 Na figura a seguir, temos as curvas características de um conjunto de fusíveis. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 7 Verifique que, no eixo das abcissas, temos a corrente que circula pelo fusível, e no eixo das ordenadas, o tempo de fusão/atuação do fusível. Suponhamos então que, em um circuito de corrente de projeto (IB) de 22,3A, uma corrente de sobrecarga de 100A circule por um fusível de corrente nominal de 35A. A figura a seguir nos mostra que esse fusível atuará em 2 segundos. Consulte o livro dos professores Geraldo Cavalin e Severino Cervelin e estude mais algumas características dos fusíveis. Veja uma boa apresentação sobre fusíveis a seguir: http://joinville.ifsc.edu.br/~rogerio.silva/1- %20T%C3%A9cnico%20Eletroeletr%C3%B4nica/2- %20M%C3%A1quinas%20El%C3%A9trica%20- %20M%C3%B3d%203/Semestre%202015_2/Aula7%20e%209%20- %2020%20e%2027_08_15%20LAB3/Aula_2_Instalacoes_Eletricas-fusiveis.pdf Verifique que o fusível não tem uma distinção acentuada ao longo das correntes, ou seja, sua atuação em sobrecarga e em curto circuito é similar, diferente do disjuntor, componente que veremos a seguir. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 8 Tema 3: Disjuntores Os disjuntores, como vimos, ao contrário dos fusíveis, vêm aumentando sua participação no mercado. O barateamento dos sistemas de injeção e produção se refletiu nos preços dos disjuntores. Esse mercado também cresceu porque os disjuntores apresentam uma série de vantagens: Confiabilidade; Estabilidade de funcionamento; Facilidade de recolocação em funcionamento; Abertura de todo o circuito: monofásico, bifásico e trifásico; Possibilidade de agregar acessórios; Possibilidade de integração com um sistema inteligente; Atuação mais definida entre sobrecarga e curto-circuito, item que nos leva ao funcionamento do disjuntor. Veja na figura a seguir os elementos que mais nos interessam. 1. Contatos e câmara de extinção de arco. 2. Bobina: sensor das correntesde curto-circuito. 3. Par bimetálico: sensor das sobre correntes. 4. Mecanismos de armação e desarme. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 9 Veja uma demonstração do princípio de funcionamento do disjuntor no vídeo a seguir: https://www.youtube.com/watch?v=1mpgU3Wu9QA A descrição do funcionamento do disjuntor é sintetizada na sua curva de atuação. Nos fusíveis tínhamos uma curva para cada corrente nominal de fusível, como mostrado nas curvas de fusíveis. Para o disjuntor temos uma só curva, como mostrada na figura a seguir. Como podemos ver, na curva da figura anterior não há uma corrente (em ampères) definida no eixo das abcissas. O que temos é uma indicação de um múltiplo de “In”. 1 x In, 2 x In, 3 x In... E In é a corrente nominal do disjuntor em análise. Então, se consideramos um disjuntor de 10A, o eixo das abcissas deverá ser lido como 1 x 10A, 2 x 10A, 3 x 10A ... 40 x 10A. Se o disjuntor for de 50ª, o eixo das abcissas será 1 x 50A, 2 x 50A ... 40 x 50A. No eixo das ordenadas, o tempo de atuação do dispositivo é absoluto e geralmente dado em segundos. Os disjuntores podem ser fabricados para uma determinada performance frente às várias necessidades das instalações elétricas. Com esse objetivo, as normas preveem três diferentes curvas de atuação A, B e C para disjuntores de CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 10 uso residencial, comercial e industrial até, geralmente, 200A. Então, o mais importante ao se utilizar um disjuntor é verificar a curva mostrada pelo fabricante. Suponhamos que uma sobrecarga de 40A comece a circular por um disjuntor de 20A, ou seja, duas vezes a sua corrente nominal. Se considerarmos as curvas do disjuntor a seguir, vamos ter uma margem de atuação entre 15 segundos e um minuto. Vamos analisar as curvas B, C e D dos disjuntores. Nos disjuntores com a curva tipo B, a bobina, que é responsável pela sensibilidade à corrente de curto-circuito, começa a atuar com um valor de 3x a corrente nominal. Por exemplo, se tivermos um disjuntor de 20A, ele interpretará uma corrente de 60A como uma corrente de curto-circuito. Já um disjuntor de 20A com a curva C interpretará a corrente de 60A como uma sobrecarga. E começará a “ver” um curto circuito a partir de 100A. Igual raciocínio para a curva “D”. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 11 A função das proteções e, nesse item em particular, do disjuntor, é de proteger a carga e os condutores de alimentação. Dessa afirmação, temos a primeira imposição da norma NBR 5410:2004 para as proteções: Ip é a corrente de projeto do circuito (corrente de carga nominal). In é a corrente nominal da proteção. Iz é a capacidade de condução nominal dos condutores, considerados todos os eventuais fatores de correção. A norma também determina que as proteções devem atuar em uma hora com 45% de sobrecarga (I2). A seguir, está representada a indicação da norma NBR 5410:2004. Vamos interpretar a figura. Logicamente, a corrente nominal da proteção tem que ser maior que a corrente de projeto (carga), caso contrário, a proteção atuaria em condições normais de funcionamento. A corrente da proteção tem que ser menor que a corrente nominal dos condutores, mas os condutores, por norma, devem suportar uma sobrecarga de 45% por uma hora, sem sofrer prejuízos (1,45 IZ). A proteção deve atuar em no máximo uma hora quando de uma sobrecarga de 45% (I2), garantindo o intertravamento mostrado na figura anterior. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 12 Tema 4: Dispositivo diferencial residual A necessidade de aumento da proteção para usuários dos sistemas elétricos levou a um aperfeiçoamento das proteções elétricas. Como os fusíveis não permitem que se agregue tecnologias mais aprimoradas, as atenções se voltaram para os disjuntores. Uma pessoa submetida a uma tensão, assim como qualquer outro corpo, fica submetida diretamente a uma corrente elétrica, e nós somos extremamente sensíveis à corrente elétrica. Como se pode ver pela figura, a partir de 30 mA entramos em uma zona de alto risco de acidentes graves. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 13 Em face desta condição, foi desenvolvido um dispositivo que “vigia” o circuito elétrico e atua em caso de perigo para o ser humano, o dispositivo residual. Vamos ver como ele funciona? Quando o circuito está funcionando normalmente, a corrente que circula pelas bobinas B1 e B2 são exatamente iguais. Essas correntes criam fluxos F iguais e em sentidos contrários cuja resultante é zero. Assim, como não há um fluxo na bobina B3, não há uma tensão induzida e não há corrente no sensor. Quando há uma fuga de corrente devido a uma falta ou um contato de uma pessoa com uma parte energizada, as correntes nas bobinas B1 e B2 ficam diferentes. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 14 Se a corrente que passa pela bobina B1 é diferente da corrente que passa pela bobina B2, há um fluxo residual diferente de zero. Sendo o fluxo residual diferente de zero, na bobina B3 há uma tensão induzida. Essa tensão induzida impõe uma corrente no sensor, que por sua vez desarma a parte de força do disjuntor. Tema 5: Sistemas de aterramento Na classificação dos esquemas de aterramento é utilizada a seguinte simbologia: Primeira letra – situação da alimentação em relação à terra: T = um ponto diretamente aterrado; I = isolação de todas as partes vivas em relação à terra ou aterramento de um ponto através de impedância. Segunda letra – situação das massas da instalação elétrica em relação à terra: T = massas diretamente aterradas, independentemente do aterramento eventual de um ponto da alimentação; N = massas ligadas ao ponto da alimentação aterrado (em corrente alternada, o ponto aterrado é normalmente o ponto neutro). Outras letras (eventuais) – disposição do condutor neutro e do condutor de proteção: S = funções de neutro e de proteção asseguradas por condutores distintos; C = funções de neutro e de proteção combinadas em um único condutor (condutor PEN). A combinação dessas possibilidades gera os seguintes sistemas de aterramento normalizados: CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 15 Esquema TN O esquema TN possui um ponto da alimentação diretamente aterrado, sendo as massas ligadas a esse ponto através de condutores de proteção. São consideradas três variantes de esquema TN, de acordo com a disposição do condutor neutro e do condutor de proteção: Esquema TN-S, no qual o condutor neutro e o condutor de proteção são distintos. Esquema TN-C-S, em parte do qual as funções de neutro e de proteção são combinadas em um único condutor. Esquema TN-C, no qual as funções de neutro e de proteção são combinadas em um único condutor, na totalidade do esquema. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 16 O esquema TT possui um ponto da alimentação diretamente aterrado, estando as massas da instalação ligadas a eletrodo(s) de aterramento eletricamente distinto(s) do eletrodo de aterramento da alimentação. Veja na bibliografia indicada o sistema IT e faça uma comparação com os sistemas anteriores. Trocando Ideias Chegou a hora de participar do fórum! Sistemas de proteção salvaguardam o trabalho do engenheiro. No desenvolvimento do projeto, as proteções merecem atenção especial. Se você tiver oportunidade, desmonte alguns fusíveis e disjuntores e faça uma análise desses componentes. Você também pode colocar à prova algumas proteções simulando sobrecargas, mas atente para a segurança. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 17 Na Prática Alguns fabricantes de proteções como disjuntores e fusíveis disponibilizam as característicastécnicas de seus produtos sob a condição de curto circuito. Consulte esses componentes. Procure também algumas informações sobre o cálculo de curto-circuito. Ele não faz parte da nossa ementa, mas é importante para o engenheiro. Diferente que muitos pensam, o curto-circuito tem valores definidos pelo circuito elétrico. Síntese Nessa aula, procuramos trazer as informações sobre proteção em circuitos elétricos. Como você deve ter observado, todos os temas estão inter- relacionados; não há como desenvolver um tema sem se preocupar com os outros. Ainda, como já dissemos, instalações elétricas estão referenciadas às normas. Ler e interpretar normas é fundamental nessa área. CCDD – Centro de Criação e Desenvolvimento Dialógico 18 Referências CAVALIN, G. & CERVELIN, S. Instalações elétricas prediais. 10ª ed. São Paulo: Editora Érica, 2010. COTRIM, A. Instalações elétricas. 5ª ed. Rio de Janeiro: Editora Prentice Hall, 2014. ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5410:2004: Instalações Elétricas de Baixa Tensão. Rio de Janeiro, 2010.
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