Slide - Dimensionamento de Circuitos - 2023-2

Universidade Federal de Rio Grande do Norte Centro de Tecnologia Departamento de Engenharia Elétrica Instalações elétricas: Dimensionamento de circuitos Dimensionamento de condutores Dimensionamento de eletrodutos Condutores elétricos • Condutor elétrico é um termo utilizado para designar um produto destinado a transportar a corrente elétrica. Para as aplicações em instalações prediais, os condutores, normalmente feitos de cobre, são divididos em dois tipos: a. Fios: elemento sólido, maciço, provido de isolação elétrica, usado diretamente como condutor de energia elétrica; b. Cabo: conjunto de fios interligados reunidos para formar um condutor elétrico. 2 Condutores elétricos • Sejam fios ou cabos, outra forma de classificar os condutores pode ocorrer a partir da sua constituição: a. Condutor isolado: é constituído por condutor metálico e isolação; b. Cabo unipolar: possui condutor, isolação e uma camada de revestimento (cobertura) para proteção mecânica; c. Cabo multipolar: Possuem sob a mesma cobertura, dois ou mais condutores isolados. 3 Condutores elétricos • Dependendo do número de condutores que compõem um cabo e do diâmetro de cada um deles, um condutor apresenta diferentes graus de flexibilidade. De acordo com a norma NBR NM280, a flexibilidade dos condutores é definida por meio de classes, numa escala que varia de 1 (menor flexibilidade) a 6 (maior flexibilidade); • Através dos circuitos terminais, os condutores elétricos levam a energia desde o quadro de distribuição até os pontos de utilização. Nesse percurso, eles são introduzidos em condutos (o mais comum é o eletroduto), passando por curvas e caixas de passagem. 4 Condutores elétricos • Para facilitar a inserção e a retirada dos condutores nos condutos, o cabo flexível vem sendo cada vez mais utilizado em instalações elétricas, sobretudo nas residenciais. 5 Condutores elétricos • Condutores elétricos são projetados para durar, dentro de condições normais de funcionamento, mais de 25 anos. Entretanto, durante o regime de funcionamento desses condutores, estes podem estar sujeitos a sobrecargas de correntes; • Um condutor que funciona sobrecarregado está sujeito a uma temperatura superior a qual ele foi projetado. Desse modo, haverá um superaquecimento do condutor e, consequentemente, uma redução da sua vida útil. Em caso de sobrecargas severas, há riscos de incêndio. 6 Condutores elétricos • Estudos mostram que um aumento de 5o C acima da temperatura limite do condutor reduzem a vida útil dele pela metade; • Assim sendo, para evitar sobrecargas em condutores, deve-se realizar o seu dimensionamento de forma adequada. Dentre os critérios, citam-se: a. Critério da seção mínima; b. Critério da capacidade de corrente; c. Critério da máxima queda de tensão admissível (não será abordado); d. Critério do dimensionamento da proteção (será tratado no próximo capítulo). 7 Condutores elétricos – dimensionamento do fio terra • Antes de apresentar os métodos para dimensionamento de condutores, é importante destacar que tais métodos baseiam-se no dimensionamento dos condutores fase. O dimensionamento dos condutores neutro e de proteção (terra) é realizado a partir da escolha do condutor fase; • A tabela ao lado apresenta o dimensionamento do condutor de proteção em função do condutor fase. 8 Condutores elétricos – dimensionamento do fio neutro • Para um circuito monofásico, a seção do condutor neutro deve ser igual a do condutor fase; • Já para circuitos trifásicos, na configuração 3F + N, caso o sistema seja considerado equilibrado, é possível reduzir a seção do condutor neutro frente ao condutor fase de acordo com a tabela ao lado. 9 Dimensionamento do condutor fase – critério da seção mínima • A NBR 5410/2004 estabelece as seguintes seções mínimas para os condutores de fase de acordo com o tipo de circuito: 10 Seção mínima do condutor fase Tipo de circuito Seção mínima (mm2) Iluminação 1,5 Força 2,5 Dimensionamento do condutor fase – critério da capacidade de corrente • No critério da capacidade da corrente, o dimensionamento do condutor fase é baseado na máxima corrente em um circuito; • Para dimensionar o circuito de distribuição principal (compreendido entre o medidor e o quadro de distribuição), utilizam-se as seguintes equações: • Onde: |ICDP| é a corrente do circuito de distribuição; Pd é a potência de demanda, em Watt (W); |VF| é a tensão de fase; FP é o fator de potência. 11 Sistema Equação Monofásico 𝐼𝐶𝐷𝑃 = 𝑃𝑑 𝑉𝐹 ∙ 𝐹𝑃 Trifásico 𝐼𝐶𝐷𝑃 = 𝑃𝑑 3 ∙ 𝑉𝐹 ∙ 𝐹𝑃 Dimensionamento do condutor fase – critério da capacidade de corrente • Para dimensionar os circuitos terminais (partem do quadro de distribuição e vão até os pontos de utilização), utilizam-se as seguintes equações: • Onde: |IPCT| é a corrente de projeto do circuito terminal; CINSCT é a carga instalada do circuito terminal, em VA; |VF| é a tensão de fase. 12 Sistema Equação Monofásico 𝐼𝑃𝐶𝑇 = 𝐶𝐼𝑁𝑆𝐶𝑇 𝑉𝐹 Trifásico 𝐼𝑃𝐶𝑇 = 𝐶𝐼𝑁𝑆𝐶𝑇 3 ∙ 𝑉𝐹 Dimensionamento do condutor fase – critério da capacidade de corrente • No critério da capacidade de corrente, os seguintes pontos devem ser considerados: a. Tipo de isolação do condutor: PVC, EPR (etilo-propileno), XLPE (polietileno reticulado); b. Número de condutores carregados; c. Maneira de instalar os condutores; d. Agrupamento: proximidade com outros circuitos; e. Temperatura. 13 Dimensionamento do condutor fase – critério da capacidade de corrente • A principal função da isolação é confinar o campo elétrico gerado pela tensão aplicada ao condutor no seu interior. Os principais tipos de isolantes nos condutores são o PVC, EPR e XLPE, cujas características estão apresentadas na Tabela abaixo: 14 Material Temperatura de serviço contínuo (condutor) Temperatura limite de sobrecarga (condutor) Temperatura limite de curto-circuito (condutor) PVC 70o C 100o C 100o C XLPE 90o C 130o C 130o C EPR 90o C 130o C 130o C Dimensionamento do condutor fase – critério da capacidade de corrente • A quantidade de condutores carregados em uma instalação elétrica está relacionada com o número de condutores vivos, isto é, a quantidade de condutores que efetivamente conduzem a corrente elétrica; • Para o Rio Grande do Norte, tem-se as seguintes condições: a. Sistema monofásico (F + N): 2 condutores carregados; b. Sistema trifásico (3F): 3 condutores carregados (considera-se sistema equilibrado onde não há corrente circulando pelo neutro); c. Sistema trifásico (3F + N): 3 ou 4 condutores carregados (considera-se 3 condutores carregados em sistema equilibrado onde não há corrente circulando pelo neutro). 15 Dimensionamento do condutor fase – critério da capacidade de corrente • A maneira de instalar os condutores refere-se à forma como estes estão dispostos em uma instalação elétrica; • De acordo com a NBR 5410/2004, as formas de instalar condutores estão listadas na Tabela ao lado: 16 Dimensionamento do condutor fase – critério da capacidade de corrente • Após identificar a forma de instalação dos condutores, deve- se determinar a seção destes. Para tanto, utiliza-se a Tabela ao lado, a qual refere-se a condutores de cobre com isolação de PVC; • A seção do condutor escolhido deve ser superior à corrente de projeto calculada. 17 Dimensionamento do condutor fase – critério da capacidade de corrente • A tabela exposta considera: a. A temperatura de 30oC para linhas não-subterrâneas e de 20oC para linhas subterrâneas; b. A presença de um único circuito no conduto; • Em situações diferentes dos itens “a” e “b”, é preciso usar fatores de correção para dimensionar os condutores. 18 Dimensionamento do condutor fase – critério da capacidade de corrente • As correções devem ser realizadas através do fator de correção de agrupamento (k1) e do fator de correção da temperatura (k2); • A partir do conhecimento dos fatores k1 e k2, calcula-se a corrente de projeto corrigida (I’p), seja do circuito de distribuição principal, seja dos circuitos terminais. A equação para calcular I’p é apresentada abaixo: • Uma vez efetuada a correção da corrente de projeto, pode-se utilizar a tabela apresentada no slide anterior. 19 𝐼𝑝′ = 𝐼𝑃 𝑘1 ∙ 𝑘2 Dimensionamento do condutor fase – critério da capacidade de corrente • A tabela referente ao fator de correção do agrupamento de circuitos (k1) é apresentada abaixo: 20 Dimensionamento do condutor fase – critério da capacidade de corrente • A tabela referente ao fator de correção da temperatura (k2) é apresentada abaixo: 21 Exercício 1 • Para a divisão de circuitos terminais adotada na Tabela abaixo, considerando uma temperatura de 35o C (ambiente e solo), dimensione os circuitos terminais além do circuito de distribuição principal. 22 Circuito Tensão (V) Local Potência (VA) 1 Ilum. Social 220 Sala, banheiro, quarto, área 520 2 Ilum. serviço 220 Cozinha 160 3 TUGs 220 Cozinha 1.800 4 TUGs e TUE 220 Cozinha 1.700 5 TUGs 220 Sala, banheiro, quarto, área 1.300 6 TUE 220 Ar-condicionado 1.750 7 TUE 220 Chuveiro elétrico 5.600 Exercício 1 – Planta baixa 23 a a a b b c c d d d d 1 1d 1 -1- -1- -1- -1- 160 VA 100 VA 100 VA 160 VA f e e f -2- -2- 100 VA 60 VA 2f -3- -3- 600 VA 600 VA 3 -3- -2- -4- -4- 1.200 W 4 4 -4- 5 -5- -5- -5- 600 VA 5 6 1 5 -5- -5- -5- 5 -5- -5- -6- 1.400 W 5 6 -7- 5.600 W Exercício 1 – Cálculo da corrente de projeto do circuito de distribuição principal • A potência de demanda obtida no exercício 1 da aula anterior (circuitos em uma instalação elétrica) foi Pd = 8.190,8 W. Considerando um fator de potência 0,8 indutivo, para um circuito de distribuição monofásico, tem-se a seguinte corrente de projeto: 24 𝐼𝑃𝐶𝐷𝑃 = 𝑃𝑑 𝑉𝐹 ∙ 𝐹𝑃 → 𝐼𝑃𝐶𝐷𝑃 = 8.190,8 220 ∙ 0,8 𝐼𝑃𝐶𝐷𝑃 = 46,54 𝐴 Exercício 1 – Cálculo das correntes de projeto dos circuitos terminais • Para o cálculo da corrente de projeto dos circuitos terminais monofásicos, tem-se a equação: 25 𝐼𝑃𝐶𝑇 = 𝐶𝐼𝑁𝑆𝐶𝑇 𝑉𝐹 Circuito Tensão (V) Potência (VA) Corrente de projeto (IP) 1 Ilum. Social 220 520 2,36 2 Ilum. serviço 220 160 0,73 3 TUGs 220 1.800 8,18 4 TUGs e TUE 220 1.700 7,72 5 TUGs 220 1.300 5,90 6 TUE 220 1.750 7,95 7 TUE 220 5.600 25,45 Exercício 1 – Cálculo dos fatores de correção k1 e k2 • Ao analisar a planta baixa, deve-se verificar o agrupamento máximo do circuito (trecho de cada circuito onde há maior quantidade de agrupamento) e a existência de circuitos com trechos subterrâneos. Em caso de trechos mistos, adota-se como linha subterrânea. 26 Circuito Fator k1 Fator k2 Distribuição principal 1,0 0,84 Terminal 1 0,7 0,94 Terminal 2 0,7 0,94 Terminal 3 0,7 0,84 (há trecho subterrâneo) Terminal 4 0,7 0,84 (há trecho subterrâneo) Terminal 5 0,7 0,84 (há trecho subterrâneo) Terminal 6 0,7 0,94 Terminal 7 1,0 0,84 Exercício 1 – Cálculo das correntes de projeto corrigidas • Para o cálculo da corrente de projeto dos circuitos terminais monofásicos, tem-se a equação: 27 𝐼𝑃 ′ = 𝐼𝑃 𝑘1 ∙ 𝑘2 Circuito Corrente de projeto (IP) Fator k1 Fator k2 Corrente de projeto corrigida (I’P) Distribuição principal 46,54 1,0 0,84 55,40 Terminal 1 2,36 0,7 0,94 3,59 Terminal 2 0,73 0,7 0,94 1,11 Terminal 3 8,18 0,7 0,84 13,91 Terminal 4 7,72 0,7 0,84 13,13 Terminal 5 5,90 0,7 0,84 10,03 Terminal 6 7,95 0,7 0,94 12,08 Terminal 7 25,45 1,0 0,84 30,30 Exercício 1 – Maneira de instalar e número de condutores carregados • A maneira de instalar dos condutores nos eletrodutos está ilustrada na planta baixa e encontra-se resumida na tabela abaixo, assim como a quantidade de condutores carregados . 28 Circuito Condutores carregados (CC) Maneira de instalar do eletroduto Distribuição principal 2 (circuito monofásico) D1 (condutor em eletroduto enterrado no solo) Terminal 1 2 (circuito monofásico) B5 (condutor em eletroduto embutido em alvenaria) Terminal 2 2 (circuito monofásico) B5 (condutor em eletroduto embutido em alvenaria) Terminal 3 2 (circuito monofásico) B5 e D1 (condutor em eletroduto enterrado no solo) Terminal 4 2 (circuito monofásico) B5 e D1 (condutor em eletroduto enterrado no solo) Terminal 5 2 (circuito monofásico) B5 e D1 (condutor em eletroduto enterrado no solo) Terminal 6 2 (circuito monofásico) B5 (condutor em eletroduto embutido em alvenaria) Terminal 7 2 (circuito monofásico) D1 (condutor em eletroduto enterrado no solo) Exercício 1 – Escolha da seção do condutor pelo critério da capacidade de corrente • A maneira de instalar dos condutores nos eletrodutos está ilustrada na planta baixa e encontra-se resumida na tabela abaixo, assim como a quantidade de condutores carregados . 29 Circuito Corrente de projeto corrigida (I’P) Escolha da seção do condutor (mm2) Distribuição principal 55,40 10,0 (suporta até 63 A no método D1 e 2 CC) Terminal 1 3,59 1,0 (suporta até 13,5 A no método B5 e 2 CC) Terminal 2 1,11 1,0 (suporta até 13,5 A no método B5 e 2 CC) Terminal 3 13,91 1,0 (suporta até 17,5 A no método D1 e 2 CC) Terminal 4 13,13 1,0 (suporta até 17,5 A no método D1 e 2 CC) Terminal 5 10,03 1,0 (suporta até 17,5 A no método D1 e 2 CC) Terminal 6 12,08 1,0 (suporta até 13,5 A no método B5 e 2 CC) Terminal 7 30,30 4,0 (suporta até 38 A no método D1 e 2 CC) Exercício 1 – Escolha da seção do condutor pelo critério da capacidade de corrente 30 Exercício 1 – Escolha da seção condutor comparando o critério da seção mínima com o da capacidade de corrente • Dentre os dois métodos, será escolhido o condutor de maior seção: 31 Circuito Tipo Seção mínima (mm2) Capacidade de correntes (mm2) Condutor escolhido (mm2) Distribuição principal Força 2,5 10,0 10,0 Terminal 1 Iluminação 1,5 1,0 1,5 Terminal 2 Iluminação 1,5 1,0 1,5 Terminal 3 Força 2,5 1,0 2,5 Terminal 4 Força 2,5 1,0 2,5 Terminal 5 Força 2,5 1,0 2,5 Terminal 6 Força 2,5 1,0 2,5 Terminal 7 Força 2,5 4,0 4,0 Conduto elétrico • Conduto elétrico é o meio físico utilizado para levar os condutores do quadro de distribuição aos pontos de utilização; • As imagens abaixo ilustram alguns tipos de condutos elétricos: 32 Conduto elétrico • O tipo de conduto mais utilizado em instalações prediais é o eletroduto; • Os tipos de eletroduto são: eletroduto rígido (pisos, lajes e superfícies concretadas) e eletroduto corrugado (paredes). 33 Eletroduto rígido Eletroduto metálico Eletroduto não-metálico Eletroduto corrugado Dimensionamento de eletrodutos • Dimensionar eletrodutos consiste em determinar o tamanho nominal do eletroduto para cada trecho da instalação; • O tamanho nominal de um eletroduto corresponde ao seu diâmetro externo expresso em milimetros; • O dimensionamento de um eletroduto deve permitir que a introdução e a retirada de condutores seja realizada sem dificuldades. Para isso, a área ocupada pelos condutores no interior do eletroduto deve ser no máximo 40% da área do eletroduto. 34 Dimensionamento de eletrodutos • Para dimensionar eletrodutos, basta utilizar a Tabela ao lado, devendo-se conhecer previamente: a. A quantidade de condutores em cada trecho do eletroduto; b. A maior seção de condutor dentro do eletroduto; • Exemplo: considere que num trecho de eletroduto hajam 6 condutores, cuja maior seção é de 4,0 mm2. Analisando a Tabela ao lado, observa-se que o eletroduto deve ter diâmetro de 20 mm. 35 Exercício 2 • A partir do dimensionamento da seção dos condutores de cada circuito da planta baixa do exercício 1, dimensione os eletrodutos: a. Do Circuito de Distribuição Principal (CDP); b. Dos trechos correspondentes à saída dos Circuitos Terminais (CTs) do quadro de distribuição. 36 Exercício 2 – Planta baixa 37 a a a b b c c d d d d 1 1d 1 -1- -1- -1- -1- 160 VA 100 VA 100 VA 160 VA f e e f -2- -2- 100 VA 60 VA 2f -3- -3- 600 VA 600 VA 3 -3- -2- -4- -4- 1.200 W 4 4 -4- 5 -5- -5- -5- 600 VA 5 6 1 5 -5- -5- -5- 5 -5- -5- -6- 1.400 W 5 6 -7- 5.600 W Exercício 2 – Dimensionamento dos eletrodutos • A partir da análise da planta baixa, verifica-se a quantidade de condutores em cada trecho do eletroduto. Posteriormente, analisa-se a seção do maior condutor no interior do eletroduto. Os resultado do dimensionamento dos eletrodutos está apresentado na Tabela abaixo: 38 Característica agrupamento Quantidade de condutores no eletroduto Maior seção do condutor (mm2) Diâmetro do eletroduto (mm) Chegada ao QD Apenas CDP 3 10,0 20 Saída do QD CTs 1 e 5 5 2,5 20 Saída do QD CTs 1, 5 e 6 7 2,5 20 Saída do QD CTs 2, 3 e 4 7 2,5 20 Saída do QD Apenas CT 7 3 4,0 16