Dispositivos de Proteção em Instalações Elétricas: Material Teórico

Eletricidade e Instalações Elétricas Material Teórico Dispositivos de Proteção Responsável pelo Conteúdo Prof Me Vinicius Azevedo Borges Revisão Textual Profª Esp Kelciane da Rocha Campos UNIDADE Dispositivos de Proteção Corrente de Sobrecarga e de CurtoCircuito Fusíveis Disjuntores Dispositivos Diferenciais Residuais DR Dispositivos de Proteção Contra Sobretensões Transitórias DPS OBJETIVO DE APRENDIZADO Identificar dispositivos utilizados para proteção em instalações elétricas e situações de uso para tais dispositivos Orientações de estudo Para que o conteúdo desta Disciplina seja bem aproveitado e haja maior aplicabilidade na sua formação acadêmica e atuação profissional siga algumas recomendações básicas Determine um horário fixo para estudar Procure manter contato com seus colegas e tutores para trocar ideias Isso amplia a aprendizagem Mantenha o foco Evite se distrair com as redes sociais Seja original Nunca plágie trabalhos Aproveite as indicações de Material Complementar Não se esqueça de se alimentar e de se manter hidratado Assim Organize seus estudos de maneira que passem a fazer parte da sua rotina Por exemplo você poderá determinar um dia e horário fixos como seu momento de estudo Procure se alimentar e se hidratar quando for estudar lembrese de que uma alimentação saudável pode proporcionar melhor aproveitamento do estudo No material de cada Unidade há leituras indicadas e entre elas artigos científicos livros vídeos e sites para aprofundar os conhecimentos adquiridos ao longo da Unidade Além disso você também encontrará sugestões de conteúdo extra no item Material Complementar que ampliará sua interpretação e auxiliarão no pleno entendimento dos temas abordados Após o contato com o conteúdo proposto participe dos debates mediados em fóruns de discussão pois irá auxiliar a verificar o quanto você absorveu de conhecimento além de propiciar o aprendizado com colegas e tutores e que se apresenta como rico espaço de troca de ideias e de construção Corrente de Sobrecarga e de CurtoCircuito O fio terra fusíveis e disjuntores são elementos de proteção dos circuitos e são responsáveis por protegerem as pessoas os bens materiais e a própria instalação elétrica contra os perigos da eletricidade É importante se atentar às condições de umidade nas instalações elétricas desde o início de sua montagem na distribuição dos eletrodutos e caixas de passagens que ficarão embutidas nas paredes e concreto a fim de evitar o contato dos condutores com a água As emendas dos condutores também devem receber atenção com o cuidado de estarem firmes e bem isoladas Uma emenda malfeita que possa expor alguma parte viva metálica do circuito ou que possa encostarse em algum elemento metálico que não faça parte do circuito elétrico ou em algum elemento capaz de conduzir corrente elétrica como uma parede molhada pode causar choque nas pessoas Apesar de todo cuidado com a instalação seu uso incorreto ou sobrecargas externas podem danificar a fiação equipamentos ou provocar acidentes Antes de compreendermos como proteger a instalação elétrica vamos definir alguns termos Sobrecorrente é ao se ligar uma carga em um circuito elétrico com potência acima do limite para o qual o circuito foi dimensionado ocorrerá uma sobrecarga Esta sobrecarga exige uma corrente elétrica de valor muito maior circulando sobre o circuito que chamamos de sobrecorrente e pode danificar as fiações e equipamentos ligados à rede além de produzir muito calor nos condutores podendo acarretar incêndios Sobretensão é uma tensão muito acima do nominal provida pela concessionária de energia elétrica geralmente proveniente de descargas atmosféricas Também pode ter origem nos transformadores quando estes apresentam avarias Curtocircuito é o caminho mais curto que uma corrente elétrica percorre através dos condutores sem nenhum equipamento ligado no circuito Este caminho pode ser intencional ou acidental mas pode causar danos para as pessoas ou equipamentos Curtoscircuitos acidentais podem ser provocados por aquecimento dos condutores devido a sobrecargas na instalação Choque elétrico é a passagem da corrente elétrica pelo corpo humano Um choque elétrico pode causar desde pequenos sustos até a morte passando por graves queimaduras São bastante comuns em instalações elétricas malfeitas emendas de condutores ou partes metálicas expostas em contato com a rede elétrica além de uso incorreto da instalação a famosa gambiarra Figura 1 Curtocircuito provocado por sobrecarga Fonte Getty Images A fim de proteger a instalação elétrica os equipamentos e os usuários algumas medidas devem ser tomadas Uma delas é que todos os condutores fase de uma instalação devem ser protegidos por um ou mais dispositivos de seccionamento automático do circuito contra sobrecorrentes sobrecargas e curtocircuitos Na montagem das instalações elétricas devem ser utilizados o fio neutro o aterramento e os dispositivos de proteção disjuntores fusíveis ou outros seccionadores para proteger os condutores contra curtocircuitos e sobrecorrentes os aparelhos utilizados de energia contra sobretensões e os próprios usuários contra choques elétricos O fio neutro é um dos condutores providos pela rede elétrica da concessionária que estabelece um referencial para a diferença de tensão dos condutores fase de todo o sistema e não deve ser seccionado por nenhum dispositivo de proteção exceto pelo dispositivo diferencial residual que será tratado mais adiante O fio neutro terá sempre a mesma seção do fio fase e será parte exclusiva de cada um dos circuitos Uma exigência da concessionária é o aterramento do fio neutro no padrão de energia O aterramento Figura 2 é formado por um conjunto de elementos que conectam as partes metálicas chamadas massas da instalação tomadas caixas tubulações quadros luminárias etc ao solo fornecendo uma diferença de potencial para a instalação igual a zero em relação ao solo Esse conjunto de elementos é formado por uma haste de aço revestida de cobre de diâmetro entre 10 e 25 mm e comprimento de 240 m que é cravada no solo O fio terra que se estende até o quadro de distribuição é conectado a esta haste A partir do quadro de distribuição o fio terra fará parte de cada um dos circuitos residenciais possuindo a mesma seção do fio fase de cada circuito Quando porém o fio fase estiver dentro do mesmo eletroduto este condutor de proteção pode ser comum a vários circuitos De acordo com a norma o fio terra deve ser um condutor encapado na cor verdeamarelo embutido no eletroduto Entretanto no solo o fio terra deverá ser um condutor desnobrado Nas instalações residenciais o aterramento é realizado próximo ao quadro de medição chamado de aterramento de alimentação Ligado a esse aterramento está o neutro da rede pública Caso a concessionária permita que se aproveite este aterramento para conectar a ele o fio terra da edificação teremos o esquema de aterramento TNS mostrado na Figura 3 com o fio neutro e o fio terra distintos na instalação A ABNTNBR541004 exige infraestrutura de aterramento confiável e eficaz permitindo outros esquemas de construções No esquema TT por exemplo outra haste é cravada exclusivamente para o fio terra Figura 4 Neste esquema também é adotada a mesma seção do fio terra que a dos condutores fase dos seus circuitos Quando o aterramento possuir pelo menos duas hastes é conveniente que elas sejam interligadas para zerar a diferença de potencial entre elas O aterramento malfeito pode ser pior que não ter aterramento algum A responsabilidade de instalação do fio terra e sua haste é do eletricista O dispositivo de proteção de sobrecorrente chamado fusível como o nome sugere consiste em um elemento fusível ou lâmina de liga metálica com um ponto de fusão baixo montado para se fundir quando aquecido por efeito Joule quando a intensidade de corrente elétrica for superior ao valor nominal do fusível Este valor indica uma corrente que poderia danificar o isolamento dos condutores e levar a um curtocircuito ou danificar outros equipamentos conectados à rede Dependendo do tipo de aplicação são utilizadas duas letras para a especificação dos fusíveis pela norma IEC 602691 NBR 11841 A primeira letra indica o tipo de sobrecorrente que fará o fusível atuar e a segunda indica o tipo de equipamento para o qual o fusível é indicado conforme a Tabela 1 Os fusíveis tipo D são utilizados na proteção contra curtoscircuitos em instalações elétricas Permitem o seu manuseio sem riscos de choque acidental sendo uma opção bastante segura A Figura 7 mostra um fusível do tipo D com seus respectivos acessórios O parafuso de ajuste impede a substituição do fusível por outro de valor superior de corrente e é instalado entre a base e o fusível Os equipamentos mais comuns de proteção dos circuitos elétricos residenciais são os disjuntores termomagnéticos também conhecidos como DTM e os dispositivos de proteção residuais também denominados DRs Eles protegem os circuitos automaticamente na ocorrência de sobrecargas de corrente e de fuga de corrente para a terra ou choque Os disjuntores termomagnéticos são equipados com relés térmicos que atuam em presença de sobrecargas moderadas e relés magnéticos para sobrecargas elevadas e consistem nos dispositivos de proteção de baixa tensão mais comuns Os disjuntores possuem especificações relacionadas à corrente elétrica de atuação e não atuação definida por norma que determina que um disjuntor a desarme com precisão de 20 em torno do valor calibrado Por isso considerase que os disjuntores devem trabalhar aproximadamente 80 de sua capacidade nominal de corrente Por isso num circuito com a corrente elétrica de projeto definida em 32 A por exemplo o disjuntor escolhido deverá ser de 40 A ou seja 125 vezes a corrente de projeto Observe que a corrente nominal do disjuntor deve ser maior que a corrente elétrica do projeto uma vez que ele deve desarmar quando atingir 80 dessa corrente nominal Uma regra prática pode ser utilizada para o dimensionamento de disjuntores residenciais sugere o seguinte Para proteção do aparelho utilizado Quando o disjuntor é instalado para proteger um único aparelho utilizador de energia elétrica no circuito Considerando por exemplo um chuveiro elétrico que ligado em rede de 220 V poderá ser submetido a uma corrente elétrica de 25 A com seção da fiação calculada em 4 mm² De acordo com a NBR 541004 este fio permite passagem de correntes com valor de até 32 A Pensando na proteção do chuveiro tomamos como base de cálculo o valor nominal do disjuntor a corrente no circuito 25 A Assim o valor nominal da corrente elétrica no disjuntor deve estar compreendido entre 115 e 135 vezes a corrente elétrica a que ele está submetido Teremos então i 2500 115 288 A i 2500 135 338 A Ou seja o disjuntor ideal para proteger este chuveiro será o de 32 A padrão IECDIN ou padrão NEMA de 30 A bifásico preferencialmente de curva do tipo B Uma vez que o disjuntor está protegendo o aparelho utilizado neste caso o chuveiro protegerá também a fiação Para proteção de toda a fiação do circuito Em geral os circuitos residenciais possuem vários pontos utilizados de energia sejam lâmpadas ou tomadas Uma fração da corrente total disponibilizada pela fiação será consumida em cada aparelho ligado na rede elétrica Nesse caso não se considera a proteção individual de cada aparelho mas a proteção da fiação do circuito Consideramos um circuito que consuma uma corrente de 165 A em uma tenção de 227 V pode ser dimensionado com uma fiação de 25 mm² que possui uma corrente de 24 A Não há como garantir que os aparelhos ligados às tomadas possuirão as potências atribuídas a elas Da mesma forma não há como garantir que não serão utilizados aparelhos com potências acima das atribuídas Podemos dimensionar o disjuntor para proteção da corrente elétrica na fiação desconsiderando a capacidade dos condutores portanto o valor utilizado para o cálculo será o de 165 A Da mesma forma que no caso anterior o valor da corrente elétrica nominal do disjuntor deve estar compreendido entre 115 a 135 da corrente elétrica que ele se propõe controlar i 1650 115 190 A i 1650 135 223 A Tanto no padrão IECDIN quanto no padrão NEMA podemos escolher um disjuntor de 20 A monofásico preferencialmente de curva C Ele protegerá apenas a fiação independentemente dos aparelhos ligados a ela Quando o circuito possui mais de uma fase o disjuntor de proteção deve ser multipolar De acordo com a norma dispositivos unipolares que são montados lado a lado com suas alavancas de manobra acopladas não são considerados dispositivos multipolares Os disjuntores devem ser dimensionados para uma instalação considerando sempre o limite da fiação Jamais deve ser trocado um disjuntor por outro de maior amperagem sem se trocar a fiação A correspondência entre a fiação e o disjuntor é necessária para garantia da proteção do circuito Dispositivos Diferenciais Residuais DR Os dispositivos diferenciais residuais são basicamente dois o Disjuntor Diferencial Residual DDR e o Interruptor Diferencial Residual IDR São constituídos por dispositivos eletrônicos providos de sensores de corrente e de processamento de sinais para auxílio na proteção elétrica O sensor presente nos DRs é responsável por medir as correntes que entram e saem no circuito Se ambas possuírem o mesmo valor porém sinais contrários em relação à carga a soma entre elas será nula No caso de a soma não ser nula entendese que deva estar ocorrendo fuga de corrente para a terra ou alguém está levando um choque Quando isso acontece o dispositivo desarma e desliga o circuito protegendo as pessoas contra choque elétrico Antes de rearmar o dispositivo o usuário deve verificar o que provocou o desligamento A principal função dos dispositivos diferenciais residuais é a de proteger as pessoas contra choques elétricos independentemente do que acontece à rede elétrica ou aos equipamentos a ela conectados Dispositivo DR httpsyoutube2vjWCRehME Na instalação de um DR é importante que não seja ligado um aterramento após ele no circuito pois nesse caso se houver uma corrente de fuga para a terra não será possível a detecção pelo DR atrapalhando seu funcionamento e impedindo o seu desarme em situações de acidente Outro detalhe importante é que o sistema de aterramento adotado não seja do tipo TNC mostrado na Figura 10 em que o fio neutro e terra são apenas um Como existem perdas de corrente elétrica para a terra que dependem da própria qualidade da instalação os dispositivos diferenciais residuais devem ser dimensionados com cuidado A sensibilidade dos DRs varia entre 30 e 500 mA onde consideramos 30 mA proteção contra contato direto e contato indireto 100 e 300 mA proteção contra contato indireto 500 mA proteção contra incêndios Em circuitos terminais que servem a tomadas em cozinhas copascozinhas lavanderias áreas de serviço piscinas garagens e qualquer local interno que possa molhar em uso normal ou sujeito a lavagens a ABNTNBR541004 exige a utilização de proteção diferencial residual de alta sensibilidade ou seja o menor valor de corrente 30 mA Dispositivos DR de mesma sensibilidade ainda são exigidos pela norma para tomadas em áreas externas tomadas em áreas internas mas que possuam alimentações em áreas externas e pontos situados em locais como banheiros e chuveiros Interrruptor Diferencial Residual IDR O IDR é um dispositivo de proteção contra choques elétricos composto por um interruptor conjugado a um dispositivo diferencial residual Figura 11 A Tabela 3 indica os valores nominais dos IDRs de alta sensibilidade encontrados comercialmente Tabela 3 Escolha de Interruptor Diferencial Residual de alta sensibilidade 30 mA alta sensibilidade 25 40 63 80 Bipolar FN ou FF 25 40 63 80 Tetrapolar FFN ou FFFN 25 40 53 80 100 Figura 11 Interruptor Diferencial Residual IDR Fonte DivulgaçãoWEG Disjuntor Diferencial Residual DDR O DDR é um dispositivo de proteção mais completo que o IDR pois proporciona na proteção das pessoas contra choques elétricos e também protege a fiação do circuito e os equipamentos contra sobrecorrentes sobretensões e curtoscircuitos Um DDR é constituído de um disjuntor termomagnético DTM conjugado a um dispositivo diferencial residual DR Os DDRs podem ser encontrados no mercado como DDR bipolar com sensibilidade de 30 mA para correntes nominais de 6 10 16 20 25 e 32 A Podese aplicar os mesmos cálculos utilizados para dimensionamento dos DTMs aos DDRs Dispositivos de Proteção Como os dispositivos DR são voltados à proteção das pessoas contra choques elétricos suas especificações são mais limitadas que as dos disjuntores termomagnéticos e não se adequam a todas as situações Para contornar essa situação os DRs deverão ser instalados obrigatoriamente em associação com os DTM a fim de proporcionar uma proteção completa contra choques sobrecargas curtoscircuitos e fugas de corrente para a terra Em uma associação de DTM com IDR devese utilizar dispositivos do mesmo padrão e esta pode ser feita conforme a tabela 3 no caso de dispositivos do padrão DIN Esta associação de IDRs com DTMs no quadro de distribuição deve ser realizada sempre em série Tabela 4 Associação de IDR com DTM padrão DIN DTM A 10162025 3240 5063 7080 IDR A 25 40 63 80 Dispositivos de Proteção Contra Sobretensões Transitórias DPS Também conhecidos como Dispositivos Protetores de Surto DPS os dispositivos de proteção contra sobretensões transitórias DPS possuem a função de detectar sobretensões transitórias e desviar as correntes de surto do circuito elétrico para o aterramento do sistema antes que atinjam os equipamentos Um surto elétrico se trata de uma elevação significativa na tensão da rede em um período curto de tempo conforme mostrado na Figura 12 e geralmente é proveniente de uma descarga atmosférica manobras da rede elétrica ou de máquinas de potência elevada Os DPSs devem ser instalados no painel geral de baixa tensão Figura 12 Identificação de um surto no sinal da tensão em uma rede elétrica Para proteger efetivamente os equipamentos de uma instalação elétrica os DPS devem possuir corrente nominal igual ou superior a 10 kA ou 20 kA no caso de áreas críticas onde a exposição a raios é elevada As tensões nominais dos dispositivos deverão ser maiores que 175 V para tensões de 127 V da rede considerando a diferença de potencial entre os condutores fase e terra ou maior que 280 V para tensões de 220 V da rede considerando a diferença de potencial entre os condutores fase e terra Os DPS são divididos em três classes Classe I Realiza a chamada proteção primária é utilizada em ambientes expostos a descargas atmosféricas diretas como áreas urbanas periféricas ou áreas rurais Classe II São instalados nos quadros secundários de distribuição e utilizados em áreas urbanas Classe III São utilizados para proteger equipamentos ligados à rede elétrica à rede de dados e linhas telefônicas O terminal de terra dos DPS pode ser ligado de duas maneiras A primeira é a ligação a um conjunto interligado que compreenda todas as massas de instalação A segunda é a ligação a um eletrodo de aterramento independente Material Complementar Indicações para saber mais sobre os assuntos abordados nesta Unidade Livros Instalações elétricas COTRIM Ademaro AMB Instalações elétricas Revisão e adaptação técnica de José Aquiles Baesso Gromoni e Hilton Moreno 5ª ed São Paulo Pearson Prentice Hall 2009 Instalações elétricas CREDER Hélio Instalações elétricas Atualização e revisão de Luiz Sebastião Costa Rio de Janeiro LTC 2016 NBR 54102004 Instalações elétricas de baixa tensão ABNT NBR 54102004 Instalações elétricas de baixa tensão 2004 IEC 60417 IEC 60417 Graphical Symbols for use on equipment IEC 60617 IEC 60617 Graphical Symbols for Diagrams Referências ABNT NBR 54102004 Instalações elétricas de baixa tensão 2004 COTRIM A A M B Instalações elétricas Revisão e adaptação técnica de José Aquiles Baesso Gromoni e Hilton Moreno 5ª ed São Paulo Pearson Prentice Hall 2009 CREDER H Instalações elétricas Atualização e revisão de Luiz Sebastião Costa Rio de Janeiro LTC 2016 HALLIDAY D RESNICK R WALKER J Fundamentos de física Vol 3 8ª ed Rio de Janeiro LTC 2009 Cruzeiro do Sul Educacional