Instalações Elétricas - Ademaro A. M. B. Cotrim
Capítulo 6 - Dispositivos de manobra, proteção, comando e seccionamento não automático
UFMG - DEE
Os dispositivos de manobra (ou de comando) e de proteção podem ser classificados em:
A operação de um dispositivo de manobra é o movimento dos contatos móveis do circuito principal do dispositivo, de uma posição para outra.
Os dispositivos de manobra podem ser também classificados:
Disjuntor é um dispositivo de manobra (mecânico) e de proteção, capaz de estabelecer, conduzir e interromper correntes em condições normais do circuito, assim como estabelecer, conduzir por tempo especificado e interromper correntes em condições anormais especificadas do circuito, tais como as de curto-circuito.
Fig. 1: Disjuntores tripolares.
Um dispositivo fusível é um dispositivo de proteção que, pela fusão de uma parte especialmente projetada, abre o circuito no qual se acha inserido e interrompe a corrente, quando esta excede um valor de referência durante um tempo especificado.
As partes de um dispositivo fusível são, em geral:
Fig. 2: Dispositivos fusíveis NH e Diazed e respectivas partes componentes.
As quatro funções básicas que podem ser exercidas por um ou mais dispositivos:
Fig. 5: Corrente presumida de curto-circuito em um ponto de uma instalação.
A integral de Joule (símbolo \(I^2t\)) é a integral do quadrado da corrente em um intervalo de tempo especificado, isto é:
\[ I^2t = \int_{t_0}^{t_1} i^2 dt \; [A^2s] \]
A integral de Joule dá o valor da energia térmica por unidade de resistência (\(1 A^2s = 1 J/\Omega\)) liberada em um circuito.
Os dispositivos fusíveis constituem a proteção mais tradicional dos circuitos e dos sistemas elétricos. Sua operação consiste na fusão do elemento fusível (elo) contido no fusível.
A corrente que pode percorrer o fusível permanentemente sem que esse valor-limite seja ultrapassado é definida como a corrente nominal do fusível.
Nas instalações elétricas de baixa tensão, os tipos mais comuns são: gL, gG, gM e aM.
Fig. 10: Ação de fusíveis limitadores de corrente com dois elos em paralelo.
As normas classificam os dispositivos fusíveis também quanto ao tipo de pessoa indicada para sua utilização.
| Uso | Formatos/Classes | \(I_N\) máximo | Capacidade de interrupção |
|---|---|---|---|
| Autorizado (industrial) | Cartucho cilíndrico, tipo faca (NH), parafusado | 1.250 A | ≥ 50 kA (660 V CA) / 25 kA (750 V CC) |
| Não qualificado (doméstico) | Cartucho, tipo D (Diazed) | 100 A | ≥ 6 kA (240 V) / 20 kA (240–500 V) |
A característica tempo-corrente de um fusível dá o tempo virtual de fusão ou interrupção em função da corrente presumida simétrica. O espaço entre os tempos máximo e mínimo de fusão é a zona tempo-corrente.
Fig. 11: Zona tempo-corrente de um fusível de uso geral (gG).
Fig. 12: Zona tempo-corrente de um fusível tipo aM (menor valor a interromper \(4 I_N\))
Fig. 13: Característica de corte de um fusível limitador.
Fig. 14: Zonas tempo-corrente para fusíveis tipo “gG” de 2, 6, 16, 25, 40, 63, 100, 160, 250, 400, 630 e 1.000 A.
Fig. 15: Zonas tempo-corrente para fusíveis tipo “gG” de 4, 10, 20, 32, 50, 80, 125, 200, 315, 500, 800 e 1.250 A.
A figura mostra a característica de corte de um fusível limitador gL, considerando um fator de potência de curto-circuito de 10% (\(\cos \phi = 0,1\)).
Para esse fator de potência, a relação entre o pico assimétrico e o valor eficaz simétrico é dada por: \[ \lambda\sqrt{2} = 1,78 \times \sqrt{2} \cong 2,5 \]
O que significa cada termo?
- \(I_k\): é o valor eficaz da corrente presumida simétrica de curto-circuito.
- \(\sqrt{2}\): converte o valor eficaz simétrico no seu respectivo valor de crista (pico senoidal).
- \(\lambda\) (Fator de Assimetria): durante os primeiros instantes de um curto-circuito, a corrente apresenta uma componente de corrente contínua que desloca a onda, tornando o primeiro pico muito maior (onda assimétrica). O fator \(\lambda\) contabiliza esse agravamento. Para um \(\cos \phi = 0,1\) (circuito bastante indutivo), o impacto é elevado, resultando no fator multiplicador de \(2,5\).
Verificação numérica:
Vamos confirmar o valor de crista apresentado na Figura 16, para uma corrente de curto-circuito presumida simétrica \(I_k = 0,9\) kA:
Ik_kA = 0.9 # corrente de curto-circuito presumida simétrica (kA)
lambda_sqrt2 = 2.5 # fator para cos(phi) = 0,1 (X/R = 6,6)
crista_kA = lambda_sqrt2 * Ik_kA
crista_A = crista_kA * 1000
println("Valor de crista máximo (sem limitador): ", crista_kA, " kA = ", crista_A, " A")
@assert crista_kA == 2.25 "Valor não confere com o impresso no livro (2,25 kA)"Valor de crista máximo (sem limitador): 2.25 kA = 2250.0 AO gráfico da Figura 16 mostra que, para essa corrente presumida (\(I_k = 900\) A), a corrente de corte lida na curva de um fusível gL de 16 A ainda coincide com o próprio \(I_k\) (\(I_c \approx 0,90\) kA \(= 900\) A) — ou seja, nesse patamar de corrente o fusível ainda não exerce efeito limitador; a limitação só se manifesta para correntes presumidas bem mais elevadas.
Os disjuntores exercem três funções básicas:
Onde os disjuntores podem NÃO atuar adequadamente: Choques elétricos, faltas de baixa intensidade entre condutores, correntes de falta à terra de pequena intensidade, surtos de tensão e sobreaquecimentos em conexões.
Um disparador é um dispositivo associado mecanicamente a um disjuntor e que libera os órgãos de retenção dos contatos principais.
Um disparador de sobrecorrente provoca a abertura, com ou sem retardo, quando a corrente excede um valor predeterminado. Pode ser:
A câmara de extinção de um disjuntor é o compartimento que envolve os contatos do circuito principal, capaz de resistir às solicitações térmicas devidas ao arco, projetada especificamente para promover a extinção de arco elétrico.
Existem diversos tipos quanto ao meio extintor/construção:
Os disjuntores possuem, em geral, dois níveis de proteção:
(Disjuntores termomagnéticos aliam ambos).
Os disjuntores termomagnéticos classificam-se em relação ao tempo de abertura (pré-arco) em três categorias:
Nota: Os pequenos disjuntores em caixa moldada são hoje decisivos na proteção da grande maioria dos circuitos terminais, evitando incêndios de origem elétrica que iniciam nesses pontos.
Sua armadura é tensionada por uma mola; acima de um valor definido (corrente de ajuste), é vencida a inércia da armadura, que é atraída pelo núcleo magnético, abrindo os contatos principais.
Fig. 20: Princípio de funcionamento de um disparador eletromagnético.
Fig. 21: aracterística tempo-corrente de um disparador eletromagnético com características de longa duração e instantânea.
Disparador eletromagnético combinando as características de longa duração (LD) e instantânea, usado em um disjuntor aberto (Figura 20), com corrente nominal \(I_N = 600\) A:
IN = 600.0 # corrente nominal do disparador (A)
# Característica de longa duração (LD): ajuste de 80% a 160% de IN
LD_min = 0.8 * IN
LD_max = 1.6 * IN
LD_ajuste = 1.0 * IN
# Característica instantânea: ajuste de 6 a 12 vezes IN
inst_min = 6 * IN
inst_max = 12 * IN
inst_ajuste = 9 * IN
println("LD: faixa de ", LD_min, " a ", LD_max, " A, ajuste = ", LD_ajuste, " A")
println("Instantâneo: faixa de ", inst_min, " a ", inst_max, " A, ajuste = ", inst_ajuste, " A")
@assert LD_ajuste == 600.0 "Ajuste de LD não confere com o livro (600 A)"
@assert inst_ajuste == 5400.0 "Ajuste instantâneo não confere com o livro (5.400 A)"LD: faixa de 480.0 a 960.0 A, ajuste = 600.0 A
Instantâneo: faixa de 3600.0 a 7200.0 A, ajuste = 5400.0 AOs valores calculados conferem com os impressos no livro: ajuste da característica LD em \(I_N = 600\) A e ajuste do instantâneo em \(9 I_N = 5.400\) A.
Os disparadores térmicos operam baseados no princípio dos pares bimetálicos, isto é, nas diferentes dilatações que apresentam os metais quando submetidos a variação de temperatura.
Para evitar a atuação indevida decorrente apenas do aumento da temperatura ambiente, é colocada uma lâmina bimetálica de compensação.
Alguns disjuntores podem usar componentes eletrônicos (dispositivos semicondutores microprocessados) para monitorar os níveis de corrente, em vez de disparadores magnéticos e térmicos.
No Brasil, o documento técnico aplicável a um disjuntor de baixa tensão depende da sua aplicação:
A diferença não é apenas de faixa de corrente: a NBR IEC 60947-2 é a referência para disjuntores de quadros de distribuição industriais, subestações e proteção de motores, enquanto o RTQ/NBR NM 60898 cobrem circuitos terminais residenciais e similares — cada norma define também sua própria temperatura de calibração (ver Tabela 6.3).
Independentemente da norma aplicável (ex: NBR NM 60898, IEC 60947-2), destacam-se os seguintes valores:
Seja um disjuntor em caixa moldada com corrente nominal \(I_N = 35 \text{ A}\).
Para essa corrente as relações são:
O que isso significa?
| Documento | \(I_n\) (A) | \(\Theta_a\) (°C) | \(I_{na}\) | \(I_a\) | \(t_c\) (h) |
|---|---|---|---|---|---|
| RTQ (Inmetro 243) | \(\le 50\) | \(25\) | \(1,05 I_n\) | \(1,35 I_n\) | \(1\) |
| RTQ (Inmetro 243) | \(> 50\) | \(25\) | \(1,05 I_n\) | \(1,35 I_n\) | \(2\) |
| NBR NM 60898 | \(\le 63\) | \(30\) | \(1,13 I_n\) | \(1,45 I_n\) | \(1\) |
| NBR NM 60898 | \(> 63\) | \(30\) | \(1,13 I_n\) | \(1,45 I_n\) | \(2\) |
| NBR IEC 60947-2 | \(\le 63\) | \(30\) | \(1,05 I_n\) | \(1,30 I_n\) | \(1\) |
| NBR IEC 60947-2 | \(> 63\) | \(30\) | \(1,05 I_n\) | \(1,30 I_n\) | \(2\) |
Segundo a NBR NM 60898, as três faixas são:
Fig. 24: Faixas de atuação instantâneas de disjuntores conforme a NBR NM 60898.
Os disjuntores em caixa moldada são o tipo mais comum de disjuntor de baixa tensão.
Fig. 25: Curva característica de um disjuntor em caixa moldada, conforme a NBR IEC 60947-2.
Dentre os disjuntores em caixa moldada, destacam-se os chamados pequenos disjuntores (ou “minidisjuntores”).
Como os pequenos disjuntores em caixa moldada normalmente não são compensados termicamente, sua corrente nominal (a de operação do disparador térmico) deve ser corrigida quando a temperatura do quadro difere da temperatura de calibração do fabricante.
Os dispositivos DR constituem-se no meio mais eficaz de proteção das pessoas (e dos animais domésticos) contra choques elétricos. São o único meio “ativo” de proteção contra contatos diretos.
O DR detecta a soma fasorial das correntes que percorrem os condutores vivos de um circuito. A atuação ocorre quando a corrente diferencial-residual (\(I_{DR}\)) ultrapassa um valor preestabelecido.
As três principais funções que os componentes de um dispositivo DR devem desempenhar são:
Quando o fluxo resultante no núcleo do transformador for diferente de zero, isto é, quando existir uma corrente diferencial-residual, será gerada uma força eletromotriz na bobina secundária e uma corrente percorrerá a bobina do núcleo do relé polarizado.
Quando essa corrente for igual ou superior à corrente de atuação do dispositivo, o fluxo criado no relé polarizado provocará sua desmagnetização.
A ação da mola desloca o braço que libera a trava, abrindo os contatos principais do dispositivo e desenergizando o circuito.
Fig. 30: Dispositivo DR Bipolar.
Certos equipamentos (retificadores, tiristores, inversores de frequência) podem dar origem a componentes contínuas em circuitos CA. Por isso, os DRs são classificados quanto ao tipo de corrente que conseguem detectar:
Em instalações industriais com motores acionados por inversores de frequência (drives) ou outras cargas com retificadores, a corrente de fuga pode conter componentes contínuas que um DR tipo AC comum não detecta — sendo obrigatório o uso de DR tipo A ou B. Em instalações mais usuais, como as residenciais, o DR tipo AC normalmente é suficiente.
A proteção adicional contra contatos diretos, proporcionada pelo DR de alta sensibilidade (\(I_N \le 30\) mA), é obrigatória, segundo a NBR 5410, nos seguintes casos:
Um DR de 30 mA oferece proteção eficaz contra fibrilação ventricular na faixa de 30 a 350 mA; em situações críticas (locais úmidos ou molhados), recomendam-se valores ainda menores, como 10 mA ou 6 mA.
A “ação não-automática” (ou “manual”) deve ser entendida como uma ação voluntária, efetuada por uma pessoa, ao contrário da “automática”, que resulta do comando de um dispositivo (geralmente um relé) sensível a determinada grandeza elétrica.
Observe que o seccionamento e o comando não automáticos não excluem a intervenção de um dispositivo entre a pessoa e o dispositivo de seccionamento propriamente dito, como é o caso do “comando a distância”.
Resumo das principais características exigidas pela NBR 5410 para os dispositivos de seccionamento e comando:
| Função | Características principais (resumo) |
|---|---|
| Seccionamento | Seccionar todos os condutores vivos; marcações “desligado/ligado” claras; não usar dispositivo a semicondutor; impedir restabelecimento inadvertido. |
| Seccionamento p/ manutenção mecânica | Operação manual; interromper a corrente de plena carga (inclusive rotor travado); impedir religamento inadvertido durante a manutenção. |
| Seccionamento de emergência | Interrupção por uma única operação; comando identificado, preferencialmente vermelho sobre fundo amarelo; acessível a partir do local de risco. |
| Comando funcional | Pode não seccionar todos os pólos (ex: dispositivos a semicondutor); não podem ser usados fusíveis, barras ou seccionadores. |
COTRIM, Ademaro A. M. B. Instalações Elétricas. 5ª Edição. São Paulo: Pearson Prentice Hall, 2009.
Quais são os três tipos de circuitos internos dos dispositivos de manobra e de proteção?
Qual é a diferença dos conceitos ciclo de operação e seqüência de operações?
Ciclo de operação é a sucessão de operações de uma posição à outra e a volta à posição inicial, passando por todas as outras. A seqüência de operações é a sucessão de operações especificadas em determinados intervalos de tempo.
O que é um disjuntor?
É um dispositivo de manobra mecânico e de proteção, capaz de estabelecer, conduzir e interromper correntes em condições normais do circuito, bem como estabelecer, conduzir por tempo especificado e interromper correntes em condições anormais (como as de curto-circuito).
O que é um dispositivo fusível?
É um dispositivo de proteção que, pela fusão de uma parte especialmente projetada (elo), abre o circuito no qual se acha inserido e interrompe a corrente, quando esta excede um valor de referência durante um tempo especificado.
Como é feita a indicação visível da atuação de uma chave fusível de distribuição de energia elétrica?
Após a fusão do elo, o porta-fusível é levado, pela ação da gravidade, a uma posição tal que assegura a distância de isolamento especificada (pendurando-se), dando uma indicação visível da sua atuação.
A quais elementos são em geral associados os relés provocando a abertura destes em condições anormais?
Os relés são associados eletricamente aos disjuntores ou contatores, provocando a sua abertura quando detectam alguma condição anormal (sobrecorrente, subtensão, desequilíbrios, etc.).
Quais são as quatro funções básicas exercidas pelos dispositivos de manobra e de proteção?
Quais são as características básicas dos fusíveis?
Quais são as características básicas dos disjuntores?
Oferecem larga margem de escolha de correntes nominais com ajustes; operação é repetitiva; atuam multipolarmente; permitem, em alguns casos, o comando a distância; e são mais lentos que os fusíveis limitadores em curtos-circuitos muito elevados, mas eficientes para correntes moderadas.
Qual é a diferença entre interruptores e disjuntores DR?
Interruptores DR destinam-se unicamente à proteção contra choques elétricos (têm baixa capacidade de interrupção). Disjuntores DR são dispositivos mais completos, com alta capacidade de interrupção, que garantem também a proteção contra sobrecorrentes (sobrecarga e curto-circuito).
UFMG | ELE618 - Sistemas Elétricos Industriais
