COORDENAÇÃO DE ENGENHARIA DA COMPUTAÇÃO LAB. DE CIÊNCIA E TECNOLOGIA DOS MATERIAIS Exp. no 6: Fusíveis e Disjuntores Grupo: Cleber Cisne Catão
RA 080119
Turma: 304 Sorocaba - Agosto - 2009
Resistores
1. Resu Resumo mo da Teor Teoria ia 2. Mate Materi rial al Util Utiliz izad adoo 3. Proce Procedim diment entoo Experi Experime menta ntall 4. Dado Dadoss Ob Obtidos dos 5. Anál Anális isee de de Dad Dados os 6. Conclusão
Fusíveis e Disjuntores 1. Objetivo
Familiarização com os dispositivos utilizados em Instalações Elétricas para proteção das cargas e levantamento levantamento da curva tempo x corrente de um disjuntor termomagnético. termomagnético. 2. Resu Resumo mo da Te Teor oria ia
Há dois tipos de corrente de falta na instalação elétrica predial, ambasindesejáveis: a. Corren Corrente te de sobre sobrecar carga: ga: quando quando vária váriass cargas cargas são li liga gadas das grada gradativ tivame amente nte,, pertencentes a um mesmo circuito; há uma clara evidência de que o circuito não foi bem dividido na IEP; b. b. Corr Corren ente te de curt curtoo circ circui uito to:: quan quando do a corr corren ente te elét elétri rica ca elev eleva-s a-see a valo valore ress extremamente altos em curto espaço de tempo; é o caso de fios com baixíssima resistência sendo conectados entre dois pontos cuja ddp esteja em valor nominal (127 ou 220 V, por exemplo); Fusível é um dispositivo de proteção contra sobre-corrente em circuitos. Consiste de um filamento ou lâmina de um metal ou liga metálica de baixo ponto de fusão que se intercala em um ponto determinado de uma instalação elétrica para que se funda, por efeito Joule, quando a intensidade de corrente elétrica superar, devido a um curto-circuito ou sobrecarga, um determinado valor que poderia danificar a integridade dos condutores com o risco de incêndio ou destruição de outros elementos do circuito. Disjuntor é um dispositivo eletromecânico que permite proteger uma determinada instalação instalação elétrica com sobre-cargas. Sua principal característica é a capacidade de se rearmar (manual ou eletricamente), quando estes tipos de defeitos ocorrem, diferindo do fusível que têm a mesma função, mas que fica inutilizado depois de proteger a instalação. Assim, o disjuntor interrompe a corrente em uma instalação elétrica antes que os efeitos térmicos e mecânicos desta corrente possam se tornar perigosos às próprias instalações. instalações. Por esse motivo, ele serve tanto como dispositivo de manobra como de proteção de circuitos elétricos. Atualmente é muito utilizado em instalações elétricas residenciais e comerciais o disjuntor termomagnético. Esse tipo de disjuntor possui três funções: * Manobra (abertura ou fecho voluntário do circuito) * Proteção contra curto-circuito - Essa função é desempenhada por um atuador magnético (solenóide), que efetua a abertura do disjuntor com o aumento instantâneo da corrente elétrica no circuito protegido * Proteção contra sobrecarga - É realizada através de um atuador bimetálico, bimetálico, que é sensív sensível el ao calor calor e provoc provocaa a abert abertura ura quando quando a corren corrente te elét elétric ricaa perma permanec nece, e, por um determinado período, acima da corrente nominal do disjuntor As características de disparo do disjuntor são fornecidas pelos fabricantes através de duas informações principais: corrente nominal e curva de disparo. Outras características são import imp ortant antes es para para o dim dimens ensio ionam nament ento, o, tais tais como: como: tensã tensãoo nomina nominal,l, corre corrente nte máxim máximaa de interrupção do disjuntor e número de pólos (unipolar, bipolar ou tripolar). Estes e outros dispositivos dispositivos de proteção contra sobre-correntes são uma parte essencial essencial de um sistema de distribuição de energia para prevenir incêndios ou danos a outros elementos do circuito.
3. Mater Material ial Utili Utiliza zado do
- amostras de fusíveis e disjuntores; - 1 x disjuntor termomagnético de 10 A - 1 x disjuntor termomagnético de 16 A; - 1 x alicate – amperímetro; - 1 x variac; - 1 x transformador elevador elevador de corrente; - cabos de ligação; - 1 x chave de fenda média; - 1 x cronômetro; 4. Proce Procedi dimen mento to Exper Experime iment ntal al
Montar o circuito ilustrado:
- aumentar a corrente elétrica gradativamente, gradativamente, até fazer o disjuntor desarmar-se; - repetir este procedimento por mais duas vezes; na terceira vez anotar a última corrente elétrica de desarme; - elevar a corrente elétrica, de forma lenta, até este último valor de desarme; ao chegar no valor de corrente, disparar o cronômetro e medir quanto tempo o disjuntor ficará ligado nesta corrente; - repetir este procedimento por mais duas vezes em outros valores de corrente acima ou abaixo da corrente de desarme; - preencher as tabelas 6.1 e 6.2: 5. Dados Obtidos
Tab. 6.1: valores de t e I – disjuntor de 10 A
t(s) 1,76 5,60 1,10
I(A) 33,9 32,9 35,0
Tab. 6.2: valores de t e I – disjuntor de 16 A
t(s) 3,80 4,20 1,30
I(A) 49,7 48,7 50,0
Tab. 6.3: dados das amostras
Tipo de amostra Fusível tipo Rolha Fusível tipo Cartucho Fusível tipo NH Fusível tipo Diazed Disjuntor TermomagneticoI Disjuntor TermomagneticoII
In(A) 15 100 425 25
Vn(V) 125 250 500 500 11025 500 1204 240
6. Anal Analis isee dos dos Dado Dadoss Tab. 6.1: valores de t e I – disjuntor de 10 A
t(s) 1,76 5,60 1,10
I(A) 33,9 32,9 35,0
Tab. 6.2: valores de t e I – disjuntor de 16 A
t(s) 3,80 4,20
I(A) 49,7 48,7
Id(KA) 100 -
2à5 10
1,30
50,0
7. Con Conclusã usão
Disjuntores e fusíveis são dispositivos de segurança indispensáveis para evitar danos as instalações elétricas de qualquer porte, inclusive os seus componentes (motores, sistemas eletrônicos integrados, etc.), e apesar do custo de alguns desses dispositivos terem um alto custo, compensam essa desvantagem por manterem a segurança de equipamentos tão caros quanto ou mais que o seu valor. Observando o gráfico de tempo pela passagem da corrente nos dispositivos, verifica-se o seu funcionamento e pode-se observar que quanto maior a corrente, menor é o seu tempo de ação, evitando assim que haja a destruição de algum componente no circuito. Disjuntor a vácuo
As propriedades do vácuo como meio isolante são, de há muito tempo, conhecidas e as primeiras tentativas de se obter a interrupção de uma corrente alternada em câmara de vácuo datam de 1926, quando foi interrompida com sucesso uma corrente de 900A em 40kV. No entanto, as dificuldades técnicas da época referentes à técnica de vácuo, disponibilidade de materiais e métodos de fabricação, fabricação, que garantissem uma câmara com vácuo adequado, isenta de impurezas e vazamentos, fez com que a introdução destes disjuntores fosse postergada para início da década de 60, sendo que a sua produção em grandes volumes para média tensão começou realmente no inicio dos anos 70. O arco voltaico a vácuo
Esta expressão, a principio, pode parecer contraditória, pois a existência de um arco voltaico pressupõe a existência íons positivos e elétrons que, por assim dizer, lhe sirvam de veículo; e no vácuo não existe, em principio, a possibilidade de se encontrar estas partículas. No caso dos disjuntores a vácuo, os íons positivos e elétrons são fornecidos pela nuvem de partículas metálicas provenientes da evaporação dos contactos formando o substrato para o arco voltaico volt aico.. Após a int interrup errupção ção de corrente, corrente, estas estas partícul partículas as deposita depositam-se m-se rapidame rapidamente nte na superfície dos contactos recuperando, assim, a rigidez dielétrica entre os mesmos. Esta recuperação da rigidez dielétrica é muito rápida nos disjuntores a vácuo, o que permite altas capacidades de ruptura em câmaras relativamente pequenas. O arco voltaico no vácuo, pode ser de dois tipos: difuso ou contraído.
O arco difuso
Quando se interrompem pequenas correntes, até aproximadamente 10kA, tem-se a formação do arco difuso, ou seja um arco distribuído por toda a superfície dos contactos. O processo pode ser assim descrito: a superfície dos contactos apesar de lisa, possui uma micro – rugosidade, que é responsável pela formação de últimos pontos de contacto que irão aquecer-se na separação galvânica dos mesmos, devido à alta densidade de corrente (104A/cm a 109A/cm). Formam-se focos de emissão iônica que irão irradiar os íons e elétrons, responsáveis pela formação de um pequeno arco voltaico. Em toda a superfície dos contactos temos, da mesma maneira, a formação de inúmeros arcos paralelos, dando origem ao chamado arco difuso. Nota: estes focos de emissão iônica têm uma superfície muito pequena (10μm de diâmetro) e regularmente distribuídos por toda a superfície dos contactos, de maneira que o efeito de erosão sobre os mesmos é desprezível. desprezível. Isto significa, em termos práticos, uma capacidade de perfazer um enorme número de manobras sob cargas sem desgastes dos contactos. Além disso, devido à diminuta dimensão dos focos de emissão iônica, a constante de tempo de resfriamento dos mesmos é extremamente pequena (<1μs), e devido a isto a taxa de redução da emissão de vapor metálico na passagem da corrente pelo zero é bastante elevada e a redeposição do metal sobre os contactos após o zero de corrente é rapidíssima. Como cons conseq eqüê üênc ncia ia dest destes es fato fatos, s, a recu recupe pera raçã çãoo da rigi rigide dezz diel dielét étri rica ca entr entree os cont contac acto toss é extremamente rápida, garantindo uma segura extinção do arco voltaico. O arco contraído
A partir de um certo valor de corrente (aproximadamente 10kA) o arco voltaico contraísse, tornando-se possível localizar um foco de emissão iônica sobre os contactos de alguns milímetros de diâmetro. A transição do arco difuso para o arco contraído é provocada pelo aumento do campo magnético dos vários arcos paralelos com o aumento de corrente, cujas forças de atração começam a superar as forças termodinâmicas do plasma que sustentavam estes arcos. Com isto, os focos de emissão iônica vão deslocando-se e juntam-se, formando um foco único e contraindo o arco. A ação deste foco sobre os contactos contactos seria prejudicial, em termos de extinção, pois, um foco destas dimensões, fixo sobre os contactos, possui uma constante de tempo de resfriamento muito grande (de ( de alguns milissegundos) devido à grande quanti quantidad dadee de vapor vapor emiti emitido do e, porta portant nto, o, uma redepo redeposiç sição ão mui muití tíssi ssimo mo mais mais lent lentaa das partículas partículas metálicas sobre os contactos, após o zero de corrente, com conseqüente redução da capacidade de ruptura até valores inadmissíveis. A fim de se evitar essa ação prejudicial do arco contraído, usa-se o efeito do campo magnético gerado pelo próprio arco, a fim de fazê-lo percorrer todo o contacto, atuando, assim, sempre sobre a camada de metal frio. Com isto, elimina-se o efeito da erosão sobre os contactos e evita-se a formação de uma coluna de plasma estável, difícil de extinguir-se. Características/Aplicações do Disjuntor a vácuo
· Grande segurança de operação, pois não necessitam de suprimento de gases ou líquidos e não emite chamas ou gases; · Praticamente não requerem manutenção, possuindo uma vida extremamente longa em termos de números de operações a plena carga e em curto – circuito; · A relação capacidade de ruptura/volume é bastante grande, tornando estes disjuntores bem apropriados para o uso em cubículos; · Devid Devidoo à ausên ausênci ciaa de meio meio exti extinto ntorr gasoso gasoso ou lí líqui quido, do, podem podem faze fazerr re-li re-ligam gamen entos tos automáticos múltiplos.
FOTO: disjuntor à vácuo e corte da câmera de disjunção a vácuo. Disjuntores a SF6 Propriedades do SF6
Este gás possui uma série de propriedades físicas e químicas que o torna um meio isolante e extintor, por excelência. O SF 6(hexaf (hexafluo luoret retoo de enxofr enxofre) e) é um gás gás incom incombus bustí tível vel,, não venenoso, incolor, inodoro e devido à sua estrutura molecular simétrica é extremamente estável e inerte até cerca de 5000ºC, comportando-se, portanto, como um gás nobre. O SF6 encontra-se num sistema fechado e praticamente isento de umidade por toda a vida útil do equipamento. equipamento. Além disso, existe a presença de filtros com elementos desumidificadores desumidificadores para qualquer eventualidade, de maneira que, o problema da umidade e das suas conseqüências seja praticamente inexistente. Com um peso especifico de 6,14g/l ele é 5vezes mais pesado que o ar. As características isolantes do SF6 variam em função da pressão (na realidade em função da densidade) e são bastante superiores aquelas dos meios isolantes mais comuns usados em disjuntores que são o óleo mineral e o ar comprimido.
Foto: corte e funcionamento do disjuntor a SF6. A trajetória da corrente é formada pelas placas de contacto (1), o primeiro contacto fixo (2), os segmentos de contacto (3) montados anelarmente sob carga de molas, dentro do tubo de contacto móvel e o segundo contacto fixo (2). Os dois contactos fixos, quando ocorre a posição “fechado”, são ligados entre si pelos segmentos de contacto, ou seja pelo contacto móvel. Este é rigidamente acoplado ao cilindro de sopro (4) e entre ambos está um êmbolo fixo de forma anelar (5). Ao se dar o comando de abertura ao disjuntor, disjuntor, o contacto móvel e o cilindro começam a movimentar-se, comprimindo o gás contra o êmbolo fixo (figura b)). A pressão neste espaço vai aumentando com a diminuição do volume até ao momento em que os contactos se separam. Verifica-se, então, o aparecimento do arco e ao mesmo tempo a descarga da sobre pressão para o resto do sistema, ocasionando o fluxo de gás (figura c)), sobre o arco, extinguindo-o. Desta maneira torna-se desnecessário todos os implementos de geração de alta pressão e injeção temporizadora do gás sobre o arco, que existiam nos disjun disjuntor tores es a dupla dupla pressã pressão, o, ou seja, seja, o sist sistema ema de compr compress essor, or, válvul válvulas as e regist registros ros,, mecanismos de válvula de sopro, reservatório de alta pressão, sistema de monitorização do lado de alta pressão, etc. Disjuntor a SF6 de dois ciclos
Para as redes com tensões nominais de 420kV e acima, é de extrema importância obter-se tempos de interrupção bastante curtos para grandes correntes de curto – circuito, tendo-se em vista a estabilidade da rede e a carga dos geradores, que estão alimentando o curto – circuito. Para isto especificam-se, geralmente, os chamados disjuntores de 2ciclos (“Two – cycle breakers), ou seja, disjuntores, que manobram com a rapidez e eficiência suficientes para cortar correntes de curto – circuito em apenas 2ciclos, o que significa 40ms para redes de 50Hz e 33,33ms para redes de 60Hz. O disjuntor de ar comprimido é, por natureza, um disjuntor de 2ciclos pelo fato de ser bastante rápido na manobra (as massas a serem movimentadas são relativamente pequenas). Características/Aplicações dos disjuntores a SF6 Os disjuntores a SF6 representam, sem dúvida, a tendência atual nas áreas de alta e muito alta tensão. O fato da técnica de ar comprimido ser bem anterior ao SF6, e também dos disjuntores a ar comprimido serem, por natureza rápidos, deu uma posição de destaque a estes disjuntores disjuntores nas redes de muito alta tensão (MAT). A comprovação mais evidente disso, consiste no fato de todos os fabricantes de disjuntores de alta tensão, incluírem também na sua linha de produtos os disjuntores a SF6. Aplicações em 138kV, bem como em 69kV, estão ainda predominantemente na faixa dos
disjuntores PVO, principalmente por razões de preço.
Foto: disjuntor à SF6.
