DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO CONTRA SOBRECORRENTES 11.1 - Prescrições Estabelecidas pela NBR 5410 11.2 - Definições 11.3 - Curva de Atuação Tempo X Corrente de um Dispositivo de Proteção 11.4 - Características dos Dispositivos de Proteção 11.5 - Dimensionamento dos Dispositivos de Proteção 11.6 - Determinação da Corrente de Curto-circuito Presumida 11.7 - Exemplo de Dimensionamento de Dispositivos de Proteção 11.8 - Informações Técnicas e Curvas Tempo X Corrente para o Dimensionamento de Disjuntores
11.1 - Prescrições Estabelecidas pela NBR - 5410 A NBR 5410 estabelece as seguintes prescrições fundamentais destinadas a garantir a segurança de pessoas, de animais domésticos e de bens, contra os perigos e danos que possam resultar de utilização das instalações elétricas (item 4.1 da NBR 5410): a - Proteção contra choques elétricos:
- Proteção contra contatos diretos; - Proteção contra contatos indiretos.
b - Proteção contra efeitos térmicos:
- Proteção contra os riscos de incêndios em materiais e proteção contra queimaduras em pessoas e animais domésticos, em consequência de temperaturas elevadas e/ ou arcos elétricos. c - Proteção contra sobrecorrentes:
- Proteção contra correntes de sobrecargas; d - Proteção contra correntes de falta:
- Proteção contra consequências negativas dos efeitos térmicos e eletromecânicos que possam resultar de faltas e/ou curtocircuitos; e - Proteção contra sobretensões:
- Sobretensões oriundas de fenômenos atmosféricos; - Sobretensões resultantes de manobras da instalação, dos sistemas elétrico, etc.
11.2 - Definições Dispositivos de Manobra ou de Comando
São equipamentos elétricos destinados a ligar ou desligar um circuito em condições normais de operação. Portanto, os dispositivos de manobra são capazes de estabelecer, conduzir e interromper a corrente elétrica de um ou mais circuitos, dentro de seus valores nominais. Como por exemplo de dispositivos de manobra temos os interruptores, os disjuntores, as chaves seccionadoras, os contatores, as chaves faca, os botões de comando (botoeiras), etc.
É importante observar que tais equipamentos não tem a função de proteger os circuitos, mas, apenas e tão somente, comandá-los. Desta forma, a atuação desses equipamentos não é automática, isto é, depende sempre da intervenção direta ou indireta do operador. Esses equipamentos são dimensionados, tornando-se por base as características nominais do circuito ao qual estão conectados, tais como: tensão nominal, corrente nominal, capacidade de ruptura, frequência, regime de carga, etc. A figura 11.1 apresenta exemplos de dispositivos de manobra.
Dispositivos de Proteção contra Sobrecorrentes São equipamentos elétricos capazes de estabelecer, conduzir e interromper correntes em condições normais de operação de um circuito, bem como estabelecer, conduzir e interromper automaticamente correntes em condições anormais, de forma a, dentro de condições especificadas, limitar a ocorrência desta grandeza em módulo e tempo de duração.
Os dispositivos de proteção contra sobrecorrentes são capazes de proteger os circuitos contra correntes de curto-circuito e/ou correntes de sobrecarga. Como exemplo desses dispositivos podemos citar os disjuntores, os fusíveis, os relés térmicos, etc. A figura 11.2 apresenta exemplos de dispositivos de proteção.
Corrente Nominal A corrente Nominal (In) de um dispositivo de manobra ou de proteção é o valor eficaz da corrente de regime contínuo que o dispositivo é capaz de conduzir indefinitivamente, sem que a elevação de temperatura de suas diferentes partes exceda os valores especificados em norma.
Sobrecorrentes São correntes elétricas cujos valores excedem o valor da corrente nominal. As sobrecorrentes podem ser originadas por solicitação do circuito acima de suas características de projeto (sobrecargas) ou por falta elétrica (curto-circuito).
Correntes de Sobrecarga As sobrecargas caracterizam-se por provocar no circuito correntes superiores à corrente nominal, oriundas de solicitações dos equipamentos acima de suas capacidades nominais. Este é o caso de motores acionando cargas permanentes ou transitórias acima da sua potência nominal. Circuitos elétricos que atendam a cargas de potência nominal acima daquelas dos valores nominais previstos no projeto também constituem exemplo de ocorrência de sobrecarga. As sobrecargas produzem a elevação da corrente do circuito a valores, em geral, de algum percentual acima do valor nominal até o máximo de dez vezes a corrente nominal dele, e trazem efeitos térmicos prejudiciais ao sistema. A sobrecarga, mesmo sendo uma solicitação acima do normal, é, em geral, moderada e limitada em sua duração por dispositivos que atuam segundo uma curva tempo x corrente com característica inversa.
Correntes de Curto-Circuito Os curto-circuitos são provenientes de defeitos graves (falha de isolação para o terra, para o neutro, ou entre fases distintas) e produzem correntes elevadíssimas, normalmente superiores a 1000%, podendo chegar a 10.000% do valor da corrente nominal do circuito. A ocorrência de curto-circuito provoca, por consequência, elevadas solicitações térmicas e mecânicas aos condutores e demais dispositivos que estão conectados ao circuito.
As correntes de curto-circuito devem ser supervisionadas por dispositivos que atuem quase que instantaneamente, isto é, curvas tempo x corrente extremamente inversas.
11.3 - Curva de Atuação Tempo X Corrente de um Dispositivo de Proteção Os dispositivos de proteção apresentam características de operação definidas através de uma curva ou zona tempo x corrente. A figura 11.3 apresenta a curva tempo x corrente de um determinado disjuntor. Conforme podemos observar, o trecho " a " da curva representa a faixa de atuação do relé térmico (lâmina bimetálica), definindo para a relação tempo x corrente uma característica inversa. Já o trecho " n" representa a faixa de atuação do relé eletromagnético, que atua para valores de corrente acima de um limiar de dez vezes a corrente nominal ou de ajuste do disjuntor.
Com a utilização dessa curva podemos determinar o tempo e o dispositivo de atuação do disjuntor para qualquer valor de corrente. Por exemplo, se temos um disjuntor de corrente nominal ou de ajuste de 200 A, então: a - Se o disjuntor for percorrido por uma corrente I 1 = 600 A, teremos:
I1 /Iu = 600 / 200 = 3 Tempo de disparo 35 segundos (decorrido este tempo, o disjuntor desliga o circuito, por ação do relé térmico). b - Ocorrendo um curto-circuito, e sendo de 3kA o valor presumido para a corrente de curto-circuito no ponto de instalação do disjuntor, teremos:
I2/Iu = 3000 / 200 = 15 Tempo de disparo 0,015 segundos (o disjuntor desliga o circuito quase que instantaneamente, por ação do relé eletromagnético).
11.4 - Características dos Dispositivos de Proteção 11.4.1 - Classificação quanto ao Tipo de Proteção - Proteção contra curto-circuito (fusíveis, disjuntores magnéticos); - Proteção contra sobrecargas (relés térmicos ou bimetálicos); - Proteção contra curto-circuito e sobrecargas (disjuntores termomagnéticos); - Proteção das pessoas contra choques elétricos e contra riscos de incêndios (disjuntores diferenciais - residuais, que normalmente são fornecidos com o módulo termomagnético acoplado);
- Proteção contra sobretensões (pára-raios Franklin, pára-raios de distribuição do tipo válvula, relés de sobretensão, etc.).
11.4.2 - Classificação quanto ao Número de Pólos - Monopolares; - Bipolares; - Tripolares.
11.4.3 - Principais Dispositivos de Proteção contra Sobrecorrentes a - Disjuntores - Disjuntores de Baixa Tensão (tensão nominal até 1000 V): * Disjuntores abertos; * Disjuntores em Caixa Moldada. - Disjuntores de Média e Alta Tensão (tensão nominal acima de 1000 V): * Pequeno Volume de Óleo (PVO); * Óleo; * SF6 (Hexafluoreto de Enxofre); * Ar comprimido; * Vácuo.
Os Disjuntores Termomagnéticos em Caixa Moldada são os dispositivos de proteção que têm maior utilização em instalações prediais de baixa tensão.
De construção compacta, são montados em uma caixa de material isolante (poliéster, por exemplo) que serve ao mesmo tempo para suportar e abrigar as suas partes componentes. Possuem acionamento manual e são equipados com disparadores que atuam em caso de curto-circuito (bobina eletromagnética) e disparadores térmicos que atuam em caso de sobrecarga (lâmina bimetálica). Os de construção mais elaborada possuem ajuste para atuação dos disparadores eletromagnéticos e térmicos, podendo, em alguns casos, possuir também disparadores de subtensão (bobina de mínima). Os disjuntores termomagnéticos em caixa moldada, monopolares, bipolares ou tripolares, são usados para proteção e manobra de circuitos terminais ou de distribuição, montados em quadros de distribuição padronizados. Para a completa e correta especificação de um disjuntor termomagnético, o projetista deve especificar as seguintes características nominais dele: - Número de pólos; - Tensão nominal (V); - Frequência (Hz); - Capacidade de ruptura (kA); - Corrente nominal (A); - Faixa de ajuste do disparador magnético (caso opcional); - Faixa de ajuste do disparador térmico (caso opcional).
Capacidade de Interrupção de um Dispositivo de Proteção Capacidade de ruptura, capacidade de interrupção ou corrente de ruptura de um dispositivo de proteção é o valor de corrente de interrupção presumida que o dispositivo é capaz de interromper, sob uma tensão dada em condições estabelecidas em norma. Ná prática, significa o maior valor corrente de curtocircuito que o dispositivo é capaz de interromper, sem soldar os contatos ou explodir. O valor da capacidade de interrupção, em kA, é um dado de placa dos dispositivos de proteção, garantido pelo seu fabricante, conforme ensaios normatizados. A figura 11.6 mostra a vista interna de um disjuntor termomagnético do tipo caixa moldada, no qual estão indicados os seus principais componentes.
b - Fusíveis - Fusíveis de Baixa Tensão: * Rolha; * Cartucho; * Diazed; * NH;
* etc. - Fusíveis de Alta Tensão: * a expulsão (LD´s); * a ácido bórico; * a areia de quartzo. Os dispositivos fusíveis são elementos de proteção que, pela fusão de uma parte dimensionada para tal, seccionam o circuito no qual se acham inseridos, interrompendo a circulação de corrente, quando ela excede um valor estabelecido durante um intervalo de tempo determinado (necessário para provocar a elevação de temperatura no elemento fusível até a sua fusão). Constituem o tipo de dispositivo de uso mais tradicional na proteção de circuitos e sistemas elétricos.
Os fusíveis geralmente constituem uma excelente proteção contra curto-circuitos devido a sua alta capacidade de interrupção e a sua capacidade limitadora (interrompem as correntes de curto-circuito antes que elas atinjam seu valor de crista). Sua utilização, porém, não é recomendável para proteção contra sobrecargas leves e moderadas, pois possuem características de atuação tempo x corrente não ajustável.
c - Relés Térmicos O relé térmico é um dispositivo que protege um equipamento (ou circuito) contra danos térmicos de origem elétrica, pela medição da corrente que percorre o equipamento protegido, atuando através de uma curva características tempo x corrente inversa, que simula o comportamento térmico do circuito (NBR 5465). São utilizados principalmente em circuitos de motores, constituindo a proteção contra sobrecargas. Os relés bimetálicos de sobrecarga são acoplados aos contatores magnéticos, que constituem o dispositivo de comando do circuito.
11.4.4 - Comentários sobre a utilização dos fusíveis e disjuntores a - Fusíveis 1. São de operação simples e segura. 2. São, geralmente, de baixo custo. 3. Não permitem efetuar manobras, sendo normalmente usados com chaves. 4. São unipolares e, consequentemente, podem causar danos a motores, caso o circuito não disponha de proteção contra falta de fase. 5. Não permitem ajuste, o que somente pode ser conseguido com a mudança do tamanho (corrente nominal) ou do tipo do fusível. 6. Não permitem rearme do circuito após a sua atuação, devendo ser substituídos. 7. Constituem, essencialmente, uma proteção contra correntes de curto-circuito. 8. Não são recomendados para a proteção contra sobrecorrentes leves e moderadas.
b - Disjuntores 1. Atuam pela ação de disparadores, ou principalmente no caso dos de média e alta tensão, através de relés separados da estrutura principal do disjuntor.
2. Apresentam os tipos monopolares e multipolares, e no caso dos últimos, possibilitam uma proteção adequada, evitando a operação monofásica de motores trifásicos, tal como a que pode ocorrer com a queima de um único fusível. 3. Permitem melhor margem de escolha e melhor coordenação seletiva com outros dispositivos, pois em muitos tipos permitem o ajuste dos disparadores. 4. Podem ser religados após a sua atuação, sem necessidade de substituição. 5. Podem ser utilizados como dispositivo de seccionamento e, em alguns casos, como dispositivo de manobra. 6. Embora não sejam tão rápidos quanto os fusíveis (principalmente os limitadores) para correntes de curtocircuito, o são para sobre correntes leves e moderadas. 7. Permitem, em alguns tipos, a operação a distância. 8. São, principalmente os de corrente nominal mais elevada, mais caros que o conjunto fusível - contator - relé - botões de comando.
11.5 - Dimensionamento dos Dispositivos de Proteção A NBR - 5410/90 estabelece que "os condutores vivos devem ser protegidos por um ou mais dispositivos de seccionamento automático contra sobrecargas e contra curtoscircuitos". Estabelece também que "as proteções contra os curtoscircuitos e contra as sobrecargas devem ser devidamente coordenadas, de modo que a energia que o dispositivo de proteção contra curtos-circuitos deixa passar, por ocasião de um curto, não
seja superior à que pode suportar, sem danos, o dispositivo de proteção contra sobrecargas".
11.5.1 - Proteção contra as Sobrecargas Conforme a NBR - 5410/90, "devem ser previstos dispositivos de proteção para interromper toda corrente de sobrecarga nos condutores dos circuitos antes que esta possa provocar um aquecimento prejudicial à isolação, às ligações, aos terminais ou às vizinhanças das linhas". Deve haver uma coordenação entre os condutores e o dispositivo de proteção, de forma a satisfazer as duas condições seguintes: a) Ib In Iz b) I2 1,45 . Iz sendo: Ib = Corrente de projeto do circuito; Iz = Capacidade de condução de corrente dos condutores; In = Corrente nominal do dispositivo de proteção; I2 = Corrente que assegura efetivamente a atuação do dispositivo de proteção; na prática, a corrente I2 é considerada igual à corrente convencional de atuação para disjuntores, ou a corrente convencional de fusão, para fusíveis.
Nota
A condição "b" é aplicável quando for possível assumir que a temperatura limite de sobrecarga dos condutores não seja mantida por um tempo superior a 100 h durante 12 meses consecutivos, ou por 500 h ao longo da vida útil do condutor. Quando isso não for ocorrer, a condição "b" deve ser substituída por: I2 Iz
11.5.2 - Proteção contra os Curtos-Circuitos A NBR 5410/90 estabelece que "devem ser previstos dispositivos de proteção para interromper toda corrente de curtocircuito nos condutores dos circuitos, antes que os efeitos térmicos e mecânicos dessa corrente possam tornar-se perigosos aos condutores e suas ligações". A correntes presumidas de curto-circuito devem ser determinadas em todos os pontos da instalação julgados necessários, nos quais serão aplicados os dispositivos de proteção.
Recomendações: a - O dispositivo de proteção deve ter capacidade de ruptura compatível com a corrente de curto-circuito presumida no ponto de sua instalação.
Ir Ics b - O dispositivo de proteção deve ser rápido o suficiente para que os condutores do circuito não ultrapassem a temperatura limite.
Tdd t
Para curto-circuitos simétricos, ou assimétricos com duração inferior a cinco segundos, o tempo limite de atuação do dispositivo de proteção pode ser calculado pela expressão: t = K² . S² I² cs sendo: Ir = Corrente de ruptura do dispositivo de proteção; Ics = Corrente de curto-circuito presumida no ponto da instalação do dispositivo; Tdd = tempo de disparo do dispositivo de proteção para o valor de Ics; t = tempo limite de atuação do dispositivo de proteção, em segundos; S = seção do condutor, em mm²; K = constante relacionada ao material do condutor e da isolação do condutor, conforme NBR 5410: K = 115 para condutores de cobre com isolação de PVC, para seções nominais até 300 mm², ou 103, para seções superiores; 143 para condutores de cobre com isolação de EPR ou XLPE; 76 para condutores de alumínio com isolação de PVC, para seções nominais até 300 mm², ou 68, para seções superiores; 94 para condutores de alumínio com isolação de EPR ou XLPE.
