Slide - Aula 4 - Dimensionamento dos Dispositivos de Proteção 2022-2

1 Instalações Elétricas Prediais ELE1087 AULA 04 DIMENSIONAMENTO DOS DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO 2 3 QUADRO DE DISTRIBUIÇÃO DE CARGAS QUADRO DE DISTRIBUIÇÃO 6  DEFINIÇÕES  CORRENTE NOMINAL  É o valor eficaz da corrente de regime contínuo (ou permanente) que o dispositivo é capaz de conduzir indefinidamente, sem que a elevação da 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). 7  DEFINIÇÕES  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, 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. 8  DEFINIÇÕES  CORRENTES DE CURTO-CIRCUITO são provenientes de defeitos graves (falha de isolação para o terra, para o neutro, ou entre fases distintas) e produzem correntes elevadíssimas, normalmente distintas. 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 inversas. 9 DISJUNTOR TERMOMAGNÉTICO  1) Manopla - utilizada para fazer o fechamento ou abertura manual do disjuntor. Também indica o estado do disjuntor (Ligado/Desligado ou desarmado). A maioria dos disjuntores são projetados de forma que o disjuntor desarme mesmo que a manopla seja segurada ou travada na posição "ligado“;  2) Mecanismo atuador - Junta que separa o sistema da rede elétrica; 10 DISJUNTOR TERMOMAGNÉTICO  3) Contatos - Permitem que a corrente flua quando o disjuntor está ligado e seja interrompida quando desligado;  4) Terminais;  5) Trip bimetálico;  6) Parafuso calibrador - permite que o fabricante ajuste precisamente a corrente de trip do dispositivo após montagem;  7) Solenóide ou Bobina;  8) Câmara de Extinção de arco; 11  DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO CONTRA SOBRECORRENTES  CARACTERÍSTICAS DOS DISJUNTORES  Número de Pólos:  Monopolares – Circuitos Monofásicos F-N;  Bipolares – Circuitos Bifásicos F-F-N;  Tripolares – Circuitos Trifásicos F-F-F-N; 12  DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO CONTRA SOBRECORRENTES  CARACTERÍSTICAS DOS DISJUNTORES  Tensão de Operação:  Disjuntores de Baixa Tensão (Tensão Nominal até 1000V)  Disjuntores em Caixa Moldada;  Disjuntores abertos.  Em Caixa moldada são os mais utilizados em instalações elétricas prediais de baixa tensão. Disjuntores Termomagnéticos Categoria Minidisjuntores – Disjuntores para instalações domés- ticas e análogas Disjuntores para uso geral: Disjuntores em caixa moldada Disjuntores de potência Disjuntor-motor Disjuntores para equipamentos Características • Construção modular, montagem em trilho (quando padrão DIN) • Disparador não ajustável Construção consagrada, e tecnologia em constante aperfeiçoamento. Ampla variedade de disparadores e acessórios Ao lado da tradicional construção aberta, versões em invólucros isolantes. Unidades de disparo ver- sáteis e com amplos recursos, incluin- do comunicação Características apropriadas às dos motores. Podem ser usados como dis- positivo de partida. Dispositivos simples, geralmente pro- porcionando proteção contra sobre- cargas mas não contra curtos-cir- cuitos Normas IEC 60898 IEC 60947-2 IEC 60947-4.1 IEC 60934 Correntes nominais 0,5 a 125 A 40 a 3200 A 630 a 6300 A 0,1 a 63 A 0,1 a 125 A Aplicações Proteção de circuitos ter- minais em instalações com tensão de no máxi- mo 440 VCA Proteção de circuitos principais, de distribuição e terminais Proteção do quadro geral (QGBT) Circuitos de alimentação de motores, máquinas e processos industriais Destinados a ser incorpo- rados a equipamentos de utilização (eletrodo- mésticos, bombas, etc.) 15  DIMENSIONAMENTO DE DISJUNTORES  Proteção Contra as Sobrecargas  Deve haver uma coordenação entre os condutores e o dispositivo de proteção, de forma a satisfazer as duas condições seguintes: 𝑰𝑩 ≤ 𝑰𝒏 ≤ 𝑰𝒁 𝑰𝟐 ≤ 𝟏, 𝟒𝟓 × 𝑰𝒁 Sendo: 𝑰𝑩 - Corrente de projeto do circuito; 𝑰𝒁 - Capacidade de condução de corrente dos condutores do circuito nas condições previstas para a sua instalação, submetidos aos eventuais fatores de correção; 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. Nota: a segunda condição é aplicável quando for possível assumir que a temperatura limite de sobrecarga dos condutores não seja mantida por um tempo superior a 100 horas durante 12 meses consecutivos ou por 500 horas ao longo da vida do condutor. Quando isso não ocorrer, a condição é substituída por 𝐼2 ≤ 𝐼𝑍 16  DIMENSIONAMENTO DE DISJUNTORES  Proteção Contra as Sobrecargas  O valor da Corrente Convencional de atuação 𝐼2 é obtido através da tabela 7.1:  Tabela 7.1 – Tempos e Correntes Convencionais de Atuação (𝑰𝟐) para Disjuntores Termomagnéticos (NBR 5361 CANCELADA)  Obs.: A segunda condição está automaticamente atendida para disjuntores termomagnéticos fabricados conforme a NBR 5361. 17  DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO CONTRA SOBRECORRENTES 18  DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO CONTRA SOBRECORRENTES  CARACTERÍSTICAS DOS DISJUNTORES: Curvas: 1,13 𝑰𝑵 e 1,45 𝑰𝑵 Curva B 1,13 1,45 tempo minutos segundos corrente AC DC A IEC 60898 define, para o disparo instantâneo, em geral magnético, as faixas de atuação B, C e D:  B: de 3 In a 5 In;  C: de 5 In a 10 In;  D: de 10 In a 20 In. Disjuntores Termomagnéticos Tempo de disparo | Minutos Segundos B C D x In Fig. 3 - Caracteristicas tempo-corrente de minidisjuntores normalizadas pela IEC 60898 1,13 1,45 tempo minutos segundos corrente 1,13 1,45 tempo minutos segundos corrente 1,13 1,45 tempo minutos segundos corrente 23  DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO CONTRA SOBRECORRENTES  No mercado de materiais elétricos, será comum encontrar disjuntores de baixa tensão no padrão NEMA (o de invólucro preto) e disjuntores DIN (o de invólucro branco);  Disjuntores do tipo NEMA são fabricados de acordo com a norma norte americana da National Electrical Manufacturers Association. A cor característica preta vem do baquelite, material aplicado no invólucro, que possui excelentes características de resistência ao calor. 24  DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO CONTRA SOBRECORRENTES  Os disjuntores DIN, fabricados de acordo com a norma da IEC (International Electrotechnical Commission) possuem invólucro fabricado com poliéster ou ureia formaldeído, e são ligeiramente menores do que os disjuntores NEMA, economizando um pouco de espaço no interior dos quadros de distribuição; 25  DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO CONTRA SOBRECORRENTES  O disjuntor da norma IEC conta com dispositivo magnético bobinado em seu interior e possui maior sensibilidade e velocidade de atuação que o disjuntor NEMA;  A técnica empregada pelo disjuntor DIN (centelhador com aletas múltiplas), se mostra mais eficiente, e confere maior capacidade de interrupção do curto-circuito;  Os disjuntores do padrão NEMA, ainda predominam nas instalações elétricas, em particular aquelas construídas anteriormente a 2004, ano de publicação a NBR 60898, que normatiza a aplicação de disjuntores conforme a norma IEC. Gradualmente, estes dispositivos de proteção estão sendo substituídos pelo padrão DIN (IEC), o que é justificável pela tecnologia mais precisa e confiável, e reforçado pela norma da ABNT. 26  DIMENSIONAMENTO DE DISJUNTORES Um circuito está corretamente protegido contra sobrecorrentes quando os condutores e outros elementos suportem as capacidades térmicas e dinâmicas para as quais o dispositivo de proteção não atua. O efeito térmico é determinado a partir da integral de Joule.  A integral de Joule é uma ferramenta importante no trabalho com problemas térmicos resultante da circulação de correntes de valor elevado (corrente de falta) e de curta duração que acarreta aquecimento dos condutores e atuação das proteções. න 0 𝑡 𝑖(𝑡) 2𝑑𝑡 = 𝐼2𝑡 ≤ 𝐾2𝑆2 ∴ 𝑡 ≤ 𝐾2𝑆2 𝐼2 27  DIMENSIONAMENTO DE DISJUNTORES Tempo t (< 5s) para que uma corrente de curto-circuito eleve a temperatura do condutor até o limite para danificar sua isolação. 𝑡 ≤ 𝐾2 × 𝑆2 𝐼2 • t (s): duração da corrente de curto-circuito. • S (mm2): seção transversal do condutor. • I (A): corrente de curto-circuito. • K: constante que varia em função do tipos de condutor e isolante. Valor do K Tipo de Condutor 115 Condutor de Cobre Isolado com PVC 135 Condutor de Cobre Isolado com EPR ou XLPE 74 Condutor de Alumínio Isolado com PVC 87 Condutor de Alumínio Isolado com EPR ou XLPE 28  DIMENSIONAMENTO DE DISJUNTORES Tipo de Isolação Temperatura Máxima Serviço Contínuo (ºC) Temperatura Limite de Sobrecarga (ºC) Temperatura Limite de Curto- Circuito (ºC) PVC (cloreto de Polivinila) 70º 100º 160º EPR (borracha etileno- propileno) 90º 130º 250º XLPE (Polietileno reticulado) 90º 130º 250º 29 EXEMPLO  Dimensionar o dispositivo de proteção para o circuito da figura abaixo, sabendo que o mesmo é constituído de condutores unipolares de cobre com isolação de PVC e está instalado em eletroduto de PVC embutido em alvenaria e que a corrente presumida de curto-circuito no ponto de instalação do referido dispositivo é de 2,0kA. 32  Exemplo Valor do K Tipo de Condutor 115 Condutor de Cobre Isolado com PVC 135 Condutor de Cobre Isolado com EPR ou XLPE 74 Condutor de Alumínio Isolado com PVC 87 Condutor de Alumínio Isolado com EPR ou XLPE 34 DISPOSITIVO A CORRENTE DIFERENCIAL RESIDUAL Dispositivo Diferencial-Residual (DR) F1 – Dispositivo DR de proteção contra a correntes de fuga à terra T – Transformador diferencial toroidal L – Disparador eletromagnético R – Carga A – Fuga à terra por falha da isolação φ_F – Fluxo magnético da corrente residual I_F – Corrente secundária residual induzida Disjuntor diferencial residual Botão ON/OFF Botão de teste Relé de detecção Resistência de teste NA AUSENCIA DE DEFEITO: I_F = I_N (já que não há corrente de fuga para a terra). φ_F = φ_N φ_F – φ_N = 0 logo não há corrente induzida na bobina de detecção que aciona o relé. Os contatos continuam fechados. A instalação funciona normalmente. NA PRESENÇA DE UM DEFEITO DE ISOLAMENTO: I_F > I_N (já que há corrente de fuga para a terra). φ_F > φ_N φ_F – φ_N ≠ 0 logo há corrente induzida na bobina de detecção que aciona o relé. Os contactos abrem. A instalação é desligada. 37 CHOQUE ELÉTICO Efeitos do Choque Elétrico:  Tetanização: Indivíduo não consegue largar o objeto energizado;  Parada respiratória: Asfixia causada pela contração dos músculos respiratórios;  Queimaduras: Destruição de músculos, nervos e vasos sanguíneos;  Fibrilação ventricular: Desregulação do batimento cardíaco em decorrência de choque no intervalo em que o coração permanece parado. Acarreta falta de sangue e oxigênio no cérebro e nos órgãos;  Todas estas situações podem resultar em morte. 38 CHOQUE ELÉTICO 1 A Parada Cardíaca 75mA Risco de fibrilação cardíaca irreversível 30mA Risco de paralisia respiratória 10mA Nenhum efeito se for interrompido em até 5 segundos 0,5mA Ligeira contração muscular 0,1mA Sensação de Formigação Influência da corrente elétrica sobre o corpo humano • Faixa 1: Nenhum efeito perceptível; • Faixa 2: Efeitos fisiológicos não danosos. Leve percepção superficial, ligeira paralisia nos músculos. • Faixa 3: Não há perigo de fibrilação. • Faixa 4: Possibilidade de ocorrer fibrilação (50%). • Faixa 5: Possibilidade de fibrilação (superior a 50%). 40 QUADRO DE DISTRIBUIÇÃO DE CARGAS 41 DISPOSITIVO A CORRENTE DIFERENCIAL RESIDUAL 42 • Podem ser instalados dispositivos DR na proteção geral da instalação e/ou nas proteções individuais de circuitos terminais; • Cuidados especiais na sensibilidade dos dispositivos DR, seccionamento intempestivos; • Coordenação para a utilização de mais de um dispositivo DR; • Utilização de DRs de alta sensibilidade (𝐼Δ𝑁 = 30𝑚𝐴) na proteção de circuitos terminais que sirvam áreas externas, cozinhas, lavanderias... • Uso de DRs com corrente diferencial residual nominal de atuação de, no máximo, 𝐼Δ𝑁 = 500𝑚𝐴, para proteção contra incêndios; 43 PROTEÇÃO DAS PESSOAS  Contatos Diretos: Contato com uma parte ativa de um elemento sob tensão, por negligência ou desrespeito das instruções de segurança;  Contatos Indiretos: Contato com um elemento que está acidentalmente sob tensão devido. O choque elétrico é consequência de um defeito imprevisível e não da negligência da pessoa. 44 CONTATO INDIRETO Situações de fuga:  Emenda Mal Feita;  Rompimento da isolação; 45 DISJUNTOR DIFERENCIAL RESIDUAL  É um dispositivo constituído de um disjuntor termomagnético acoplado a um outro dispositivo: o diferencial residual. Sendo assim, ele conjuga as duas funções: 46  Disjuntor diferencial residual Em nenhum caso, o condutor neutro deve ser interligado à Terra a jusante de um dispositivo diferencial – residual. A diferença fundamental entre o disjuntor diferencial e o interruptor diferencial reside no fato de o disjuntor, além de ter proteção diferencial (contra as correntes de fuga), tal como o interruptor diferencial, tem também proteção termomagnética. • Seletividade dos dispositivos de proteção. • Coordenação dos dispositivos de proteção. • Tipos de seletividade: ▫ Seletividade Amperimétrica ▫ Seletividade Cronológica 47 Fig. 3 – Características tempo-corrente de minidisjuntores normalizadas pela IEC 60898 49 QUADRO DE DISTRIBUIÇÃO DE CARGAS  Desenho esquemático, normalmente multifilar, da configuração do QD. 50 QUADRO DE DISTRIBUIÇÃO DE CARGAS  Desenho esquemático, normalmente multifilar, da configuração do QD. 51 QUADRO DE DISTRIBUIÇÃO DE CARGAS 52  Determinação da corrente de curto circuito presumida  No momento de uma falta para a terra, o valor da corrente de curto-circuito depende basicamente da impedância existente entre a fonte e o ponto de falta.  O procedimento a seguir é simplificado que conduz a uma boa aproximação para curtos circuitos em instalações elétricas prediais. 53  Determinação da corrente de curto circuito presumida Considere as seguintes hipóteses:  Desprezado o valor da impedância do sistema de energia da concessionária (a montante do transformador), isto é, considerando infinita a capacidade do sistema. Em cálculos de maior precisão (projetos industriais, etc), as concessionarias fornecem a capacidade de ruptura em kA, ou a potência de curto circuito simétrico do sistema, em MVA, no ponto de entrega;  Desprezada as impedâncias do circuito de média tensão para a alimentação do transformador consumidor (quando houver);  Desprezadas as impedâncias internas dos dispositivos de proteção e comando;  Considerando curto circuito direto, desprezando-se a resistência de contato; 54  Determinação da corrente de curto circuito presumida Considere as seguintes hipóteses:  Considerando curto circuito trifásico simétrico (condição mais desfavorável);  Desprezando a contribuição de motores ou geradores em funcionamento na ocasião da falta (em instalações industriais, esta contribuição pode ser significativa em motores acima de 100 CV e tensão a 600 V, que passam a funcionar como gerador no instante da falta, o que obviamente, não é o caso de instalações prediais). Todas as considerações anteriores, exceto a última, levam-nos a um cálculo em favor da segurança, ou seja, poderemos encontrar um valor de 𝐼𝐶𝑆 um pouco superior ao real. 55  Determinação da corrente de curto circuito presumida Cálculo da impedância até o ponto de falta:  Linha: Resistência: 𝑅𝐿 = 𝑟 × 𝐿 𝑁 , Reatância: 𝑋𝐿 = 𝑥 × 𝐿 𝑁  Transformador: Resistência: 𝑅𝐸 = 1000 ×𝑃𝑐𝑢 3×𝐼𝑁 2 , Impedância: 𝑍𝐸 = 𝑍%×𝑈𝑐2 100×𝑃 , Reatância: 𝑋𝐸 = 𝑍𝐸 2 − 𝑅𝐸 2  Cálculo da corrente de curto-circuito presumida: 𝐼𝐶𝑆 = 𝑈𝐶 3×𝑍𝑐𝑐 , 56  Determinação da corrente de curto circuito presumida 57  Exemplo de cálculo da corrente de curto circuito presumida Determinar a corrente presumida de curto-circuito nos pontos 1, 2 e 3 da Figura a seguir. Transformador trifásico 13,8 kV/220-127 V, potência nominal 112,5 kVA, corrente nominal 𝐼𝑛= 296 A. S1 = 3#2 x 95 (2 x 95) T 95 mm², L1 = 50 m, S2 = 3#35 (35) T 16 mm², L2 = 10 m, S3 = 1#10 (10) T 10 mm², L3 = 10 m. Para linhas trifásicas - 200V* 25 20 Icc (kA) 15 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1,5 1 0,5 1 2 3 4 5 10 20 30 50 100 150 200 300 L (m) 3 4 5 6 7 LS 1º 1,5º 2,5º 4º 6º 10º 16º 25º 35º secção S dos condutores * Utilizável também para linhas monofásicas de 110V, dobrando o valor do comprimento L.