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CAPÍTULO 1
EQUIPAMENTOS ELÉTRICOS
1 DEFINIÇÕES
Um sistema elétrico é composto por equipamentos elétricos que, interligados convenientemente, respondem pelas funções de geração, transformação, transmissão, distribuição, utilização, proteção, controle e medição de energia elétrica.
O conceito de equipamento elétrico é muito abrangente. A antiga TB-19 da ABNT o definia como “cada uma das partes constituintes com que se realiza materialmente o esquema de uma instalação elétrica, distintas entre si e essenciais ao funcionamento da instalação”.
Quando são estudados outros assuntos correlatos aos equipamentos elétricos, aparecem outros termos, cuja definição é importante saber:
Componente : parte de um sistema ou equipamento elétrico ou de outro componente, que é essencial ao seu perfeito funcionamento.
Máquina : equipamento ou componente destinado a converter um tipo de energia em outro tipo, ou modificar as características de um tipo de energia, mediante energia cinética considerável em uma parte da máquina, animada de movimento de rotação ou translação.
Aparelho elétrico : equipamento ou componente que, para a realização de sua função principal, utiliza quase toda a energia elétrica que lhe é fornecida.
Dispositivo elétrico : equipamento ou componente que dá passagem à corrente elétrica, praticamente sem utilizar a energia que por ele transita.
Instrumento elétrico : dispositivo adequado para medir, comparar, registrar, aferir, etc. os valores de uma ou mais grandezas físicas.
Terminal : parte condutora de um equipamento ou componente, destinada à sua ligação elétrica a um circuito externo.
2 PADRÕES DE TENSÃO
A tensão nominal é aquela pela qual o sistema é designado e à qual são referidas certas características operacionais do sistema.
Segundo os padrões norte-americanos, as tensões do sistema são classificadas em:
- baixa tensão : até 1000V, inclusive;
- média tensão : maior que 1000V, até 72500V, inclusive;
- alta tensão : maior que 72 500, até 242 000V inclusive;
- extra-alta tensão : maior que 242 000, até 800 000V incluisive.
No Brasil, as tensões do sistema são definidas no Prodist – Procedimentos de Distribuição, da ANEEL(Agência Nacional de Energia Elétrica):
- baixa tensão : tensão entre fases, cujo valor eficaz é inferior a 1 kV
- média tensão : tensão entre fases cujo valor eficaz é superior a 1kV e inferior a 69kV
- alta tensão : tensão entre fases cujo valor eficaz é igual ou superior a 69 kV e inferior a 230 kV, ou instalações em tensão igual ou superior a 230 kV quando especificamente definidas pela ANEEL.
Figura 2.1 – Chave seccionadora com mola para abertura
A mola arrasta as lâminas, a partir de uma certa abertura. O mesmo seria feito no fechamento.
As chaves seccionadoras para rede trifásica podem ser:
- unipolares : quando manobra apenas uma das fases
- tripolares : quando manobra as três fases simultaneamente.
4 CHAVE SECCIONADORA PARA ABERTURA SEM CARGA, TRIPOLAR
A chave seccionadora é utilizada para manobrar um circuito elétrico com tensão, porém sem carga. Devido à sua concepção, não podem abrir circuito com carga.
A abertura de uma chave seccionadora com carga gera um arco elétrico. A interrupção da corrente só é efetiva quando o arco se apaga.
Os contatos dos equipamentos são feitos, geralmente, de cobre ou ligas para oferecer menor resistência à passagem da corrente elétrica. A operação deste tipo de chave com carga gera aquecimento, que tem como conseqüência:
- deformação dos contatos;
- oxidação;
- aumento de sua resistência elétrica, gerando uma queda de tensão.
Quando fechada novamente, a corrente elétrica não encontrará o contato perfeito que existia antes, mas sim um caminho menor, provocado pela diminuição da área útil ou pelo resíduo da oxidação. A continuidade desta situação degradará sempre mais os contatos, até sua total inutilização.
Com o advento de tecnologias modernas, estão sendo oferecidas chaves seccionadoras que possibilitam a abertura de um circuito com carga. Estas chaves incluem motores e dispositivos que permitem o comando à distância, porém têm limitações para aplicação contínua com esta finalidade.
Para abertura de circuitos carregados, o equipamento específico é o disjuntor ou o religador.
Seccionadoras unipolares concebidas para operar com carga devem ser utilizadas com cuidado em circuitos trifásicos. Sua manobra, ligando ou desligando uma fase do circuito por vez, gera desequilíbrio de correntes.
base
mola
manopla
lâmina de contato
5 FUNÇÕES DAS CHAVES SECCIONADORAS
a) Abrir e fechar circuitos com tensão e sem carga.
b) Como chave de transferência ou seccionadora de bypass: equipamentos defeituosos podem ser desligados sem interromper o fluxo de carga. No caso, a seqüência de operações deve ser obedecida ao retirar e recolocar o equipamento:
Para retirar o equipamento D (condição inicial: S 1 e S 2 estão fechadas):
- fecha-se a seccionadora S 3
- Desliga-se D; a corrente passa, então, por S 3
- Abrem-se S 1 e S 2 , isolando D
- D, desenergizado, é removido.
Para recolocar D (condição inicial: S 3 está fechada, enquanto S 1 e S 2 , abertas):
- Recoloca-se D
- Fecham-seS 1 e S 2
- Liga-se D
- abre-se S 3
c) Como chave de aterramento: depois que o equipamento estiver desenergizado, uma chave é usada para liberá-lo para manutenção.
Devido às grandes responsabilidades envolvidas, podem ser previstos intertravamentos que impedem, por exemplo, a abertura da chave enquanto houver carga no circuito.
6 MODERNAS TECNOLOGIAS
Com o desenvolvimento da tecnologia, já existem chaves seccionadoras que têm a capacidade de interromper circuitos sob carga. Estas chaves agregam dispositivos capazes de interromper o arco elétrico durante a abertura, o que as torna bem mais caras que as seccionadoras convencionais, utilizadas para interromper circuitos sem carga. Suas aplicações são mais restritas.
Quando se deseja manejar um circuito sob carga, a responsabilidade envolvida requer o uso do equipamento projetado adequadamente para este fim, que é o disjuntor.
D
S 1 S 2
S 3
CAPÍTULO 3
FUSÍVEIS
1 DEFINIÇÃO
São dispositivos intercalados ao circuito com o objetivo de interrompê-lo sob condições anormais de corrente, como curto-circuito ou sobrecarga de longa duração.
Sua operação é baseada na fusão do elemento fusível contido no seu interior. O elemento fusível é um condutor de pequena seção transversal, que sofre, devido a sua alta resistência, um aquecimento maior que o dos outros condutores, à passagem da corrente.
O elemento fusível é um fio ou uma lâmina, geralmente de cobre, prata, estanho, chumbo ou liga, colocado no interior de um corpo, em geral de porcelana ou esteatita, hermeticamente fechado.
O elemento fusível pode ter diversas formas. Em função da corrente nominal do fusível, ele se compõe de um ou mais fios ou lâminas em paralelo, com trecho(s) de seção reduzida. Nele existe ainda um ponto de solda, cuja temperatura de fusão é bem menor que a do elemento e que atua por sobrecargas de longa duração.
2. CLASSIFICAÇÃO DOS FUSÍVEIS
Há diversas maneiras de classificar os fusíveis. Os critérios mais utilizados são:
- conforme a tensão: alta ou baixa tensão;
- conforme as características de desligamento: efeito ultra-rápido ou retardado.
2.1 FUSÍVEIS DE EFEITO ULTRA-RÁPIDO (ALTA CAPACIDADE DE INTERRUPÇÃO)
Sua característica principal é cortar a corrente de curto-circuito muito antes que esta alcance seu valor máximo. A elevada velocidade de abertura necessária, para estes fusíveis, é obtida dividindo-se a corrente total que percorre o fusível em vários filamentos de seções reduzidas, conectados em paralelo. Tem aplicação em circuitos onde não ocorre variação considerável da corrente, como nas cargas resistivas, resistências de aquecimento e lâmpadas incandescentes.
Fusíveis indicados para proteção de equipamentos equipados com semicondutores (como SCR e diodos) devem ser ultra-rápidos.
2.2 FUSÍVEIS RETARDADOS
Os fusíveis usados na proteção de motores devem considerar a partida, na qual é solicitada uma corrente diversas vezes superior à nominal.
A característica de interrupção dos fusíveis para proteção de motores é de efeito retardado , capaz de “tolerar” a partida, que não é uma condição anormal de funcionamento destes equipamentos.
Tais fusíveis também têm aplicação para proteção de cargas indutivas.
O “elemento fusível” é um fio ou lâmina, de material adequado, colocado no interior de um corpo envoltório que será hermeticamente fechado. Sua característica de retardar a interrupção é obtida na escolha do material e da seção do elo fusível que deverá interromper a corrente.
Possuem um indicador, que permite verificar se ele operou ou não. Um fio ligado em paralelo com o elemento fusível libera uma mola, que atua sobre uma plaqueta ou botão, que é mostrado na tampa do corpo.
Estes fusíveis contêm material granulado extintor em seu interior, que envolvem por completo o elemento fusível. Utiliza-se, em geral, areia de quartzo de granulometria conveniente, cuja função é absorver a potência liberada quando do rompimento do elo, evitando a explosão do componente.
FUSÍVEIS NH
Possuem uma característica especial, constituída de um elemento que tem ação retardada. Contêm um dispositivo de extinção de arco elétrico. São fabricados para grandes intensidades de corrente e se destinam especialmente à proteção contra curto-circuito. São indicados para instalações onde ocorrem sobrecargas de curta duração, como a partida de motores.
Os fusíveis NH suportam as intensidades de corrente provocadas pelo arranque dos motores sem que seu elo se funda, embora atuem bem rapidamente no caso de curtos-circuitos. Podem, em alguns casos, substituir chaves seccionadoras. Para este fim, fabricam-se punhos isolados que são montados ao corpo isolante do fusível.
São construídos para correntes padronizadas que variam de 4 a 630 A. Sua capacidade de ruptura é de 120kA e tensão máxima de 500V.
Figura 3.1 Fusível tipo NH
FUSÍVEIS D
Estes fusíveis podem ser de ação rápida, para operação em circuitos sem picos de corrente e de ação retardada para circuitos sujeitos a picos de corrente (circuitos com motores, capacitores, etc.). Seu valor máximo é 200 A, capacidade de ruptura 70kA com tensão máxima de 500V.
O fusível de 25 A deve ser descartado, pois fundiria num tempo pouco maior que 2 segundos.
Considerando o critério b) ,
IF ≥ 1,2 x In
IF ≥ 1,2 x 13,
IF ≥ 16,56 A
O fusível de 35 A satisfaz as condições acima, desde que proteja o contator e o relé.
4 EXERCÍCIOS PROPOSTOS
- Em que se baseia o princípio de funcionamento do fusível?
- Qual a diferença de aplicação entre os fusíveis D e NH?
- Fusíveis ultra-rápidos podem ser aplicados na proteção de um motor? Explicar.
CAPÍTULO 4
DISJUNTORES
1 DEFINIÇÕES
O disjuntor é um equipamento seccionador que possui dispositivos de proteção incorporados. Os dispositivos mais comuns para proteção em baixa tensão, são termomagnéticos, que contêm:
- disparador térmico: proteção contra sobrecarga, com característica de atual em um tempo mais longo;
- disparador eletromagnético: atuação instantânea, para proteção contra curto-circuito.
O dispositivo de proteção requer a concepção de um relé, capaz de monitorar o parâmetro sob avaliação e comandar a atuação, normalmente no sentido de desligar o circuito.
Os disjuntores se destinam a proteger redes ou máquinas girantes, os quais se diferenciam conforme for sua utilização.
A corrente nominal (In) é uma das especificações do disjuntor. É a maior corrente que poderá fluir pelo mesmo, em regime contínuo, sem que seja acionado algum de seus dispositivos de proteção.
2. FUNCIONAMENTO
Na forma mais comum, um mecanismo externo “arma” o disjuntor, acionando um bloco de contatos principais e outro de contatos auxiliares. Um conjunto de molas é comprimido, ao mesmo tempo em que uma trava mantém os contatos na posição “fechado”.
Qualquer comando de abertura, manual ou através de disparadores, libera a trava, que aciona as molas e provoca a separação brusca dos contatos fechados. A interrupção de corrente que ocorre na abertura tem um valor máximo, que é denominado capacidade de interrupção.
A capacidade de interrupção é especificada em kA (quiloampère). Representa o maior valor eficaz simétrico que o dispositivo pode interromper com plena segurança para o operador e equipamentos próximos.
A capacidade de interrupção é um item importante na escolha de um disjuntor, pois está ligada à capacidade de geração de curto-circuito da rede, ou seja, da potência máxima que a rede pode conduzir quando a resistência é mínima. O aumento da capacidade de interrupção eleva o preço dos disjuntores de mesma capacidade nominal.
Enquanto o disjuntor interromper correntes abaixo de sua capacidade de interrupção, ele terá vida longa e grande número de operações. Quando, entretanto, ocorrerem curtos-circuitos equivalentes à capacidade plena de interrupção, é necessário fazer inspeção no equipamento, para verificar o estado dos contatos e da câmara de extinção de arcos
3 CLASSIFICAÇÃO DOS DISJUNTORES CONFORME SUAS APLICAÇÕES
3.1 MINIDISJUNTORES
São pequenos interruptores automáticos que apresentam as seguintes características:
- mecanismo de travamento com disparo livre e acionamento manual;
- câmara de extinção de arco;
- disparador bimetálico com retardo térmico;
- disparador magnético de curto-circuito instantâneo.
O disparador de retardo térmico chamado “bimetal” se ocupa da proteção contra sobrecargas. Consiste de uma tira contendo dois metais de diferentes coeficientes de dilatação térmica que se curva ao ser atravessado pela corrente. Quanto maior for a corrente, maior será a curvatura do elemento bimetálico, até chegar ao ponto de liberar o mecanismo de travamento, separar os contatos e desligar o circuito.
O dispositivo eletromagnético se encarrega da proteção contra curto-circuito. Uma bobina, pela qual circula a corrente de serviço, também desarma o disjuntor, no caso de curto-circuito.
Os dois mecanismos de desconexão trabalham independentemente um do outro e se protegem mutuamente. Quando qualquer um deles determinar a abertura do disjuntor, a desconexão ocorrerá de forma praticamente instantânea.
3.2 MINIDISJUNTORES EUROPEUS E AMERICANOS
Estas são duas filosofias distintas de construir disjuntores, difundidas em todo o mundo.
Elas se distinguem desde o aspecto visual até importantes características elétricas.
Visualmente, os minidisjuntores europeus têm dimensões físicas mais reduzidas para um mesmo valor nominal, de cor cinza clara enquanto o outro é preto.
Tecnicamente, a principal distinção está na atuação dos disparadores magnéticos.
Nesta particularidade, os minidisjuntores americanos necessitam de uma corrente bem mais elevada para dispararem, visto que não possuem uma bobina específica para tal finalidade; o campo magnético é produzido por uma única espira. Os valores de atuação dos disparadores magnéticos destes disjuntores se encontram entre 10 a 30 vezes a corrente nominal (In), podendo, em alguns casos, chegar a 50 vezes.
Devido a este fato, os disjuntores americanos não são adequados para a proteção de instalações prediais, uma vez que a resistência do aterramento é tipicamente alta, limitando a corrente de curto-circuito a um valor muito baixo e às vezes insuficiente para que ocorra o disparo magnético. Desta forma, no caso de um curto-circuito, o disparo magnético instantâneo pode ocorrer ou não, ficando a proteção por conta do elemento bimetálico. Se as lâminas não aquecerem ao ponto de desarmar o disjuntor, pode ocorrer dano à instalação.
3.3 MINIDISJUNTORES EUROPEUS CLASSES L E G
A classe L foi desenvolvida para proteger instalações prediais e afins, com disparadores magnéticos ajustados para dispararem com valores de corrente de curto circuito bastante baixo, entre 3,5 e 5 x In. Isto contorna o inconveniente de um possível foco de incêndio que poderia ser gerado quando da utilização de minidisjuntores americanos.
A classe G é indicada para a proteção de aparelhos e motores em geral, possuindo disparadores magnéticos ajustados para operarem entre 7 e 10 x In, suportando a corrente de partida dos motores.
Minidisjuntor Corrente de disparo Europeu – classe L 3,5 a 5 X In Europeu – classe G 7 a 10 x In Americano 10 a 30 x In
Tabela 1 – corrente de disparo de acordo com o elemento eletromagnético
3.4 CURVAS DE DISPARO DOS MINIDISJUNTORES
Os minidisjuntores têm curvas características de disparo B e C, conforme a Norma IEC 60898, podendo ser utilizado nas seguintes aplicações:
O minidisjuntor de curva B tem como característica principal o disparo instantâneo para correntes de 3 a 5 vezes a corrente nominal. Sendo assim, são aplicados principalmente na proteção de circuitos com características resistivas. Ex: lâmpadas incandecentes, chuveiros, aquecedores elétricos, etc.
O minidisjuntor de curva C tem como característica o disparo instantâneo para correntes de 5 a 10 vezes a corrente nominal. Sendo assim, são aplicados para a proteção de circuitos com instalação de cargas indutivas. Ex: lâmpadas fluorescentes, geladeiras, máquinas de lavar, motores, etc.
Figura 4.2 Curvas B e C de minidisjuntores (fabricante WEG)
3.5 DISJUNTORES COMPONÍVEIS
São compostos de elementos modulares, cujo sistema pode desempenhar funções de proteção, comando, comutação, sinalização e inclusive se integrar a sistemas de automação e telecomando.
Um módulo base contém uma chave interruptora com dispositivo de comando e mecanismo de acionamento. Neste módulo, podem ser acoplados vários outros elementos, conforme forem as funções que se deseje que o conjunto desempenhe. Os blocos de disparo, proteção térmica e magnética conferem ao disjuntor uma capacidade de interrupção de pelo menos 30kA a 380V.
Os módulos disponíveis distinguem-se em dois grupos:
- para proteção de motores, com proteção térmica e faixa de ajuste de disparo magnético entre 8,5 a 14 Iu ;
Figura 4.3- Ilustração de atuação do dispositivo DR, onde: F1- dispositivo DR; T: transformador diferencial toroidal; L- disparador eletromagnético; R: carga; A: fuga à terra; IF- corrente secundária residual induzida. (fabricante Siemens)
3.8 DISJUNTOR DE POTÊNCIA
Utilizado em redes de alimentação e distribuição, são designados para manejar altos valores de carga. Devem ter alta capacidade de interrupção, tendo em vista os valores de curto-circuito que costumam ocorrer em subestações, quadros gerais e de distribuição.
A capacidade de interrupção é, genericamente, correspondente a corrente nominal. Pode-se definir sua capacidade de interrupção pela corrente presumida de um curto-circuito no local da instalação do disjuntor
4 VIDA ÚTIL E FREQÜÊNCIA DE MANOBRA
Os disjuntores são equipamentos que operam com uma grande pressão nas peças de contato. Estas operações resultam em um inevitável desgaste mecânico das partes envolvidas, principalmente no dispositivo de travamento dos contatos. Isto faz limitar o número de operações do disjuntor.
Não se deve, então, exigir um grande número de operações do disjuntor, ainda que ele seja previsto com um acionamento automático. Em aplicações onde seja exigido um grande número de manobras, juntamente com uma longa vida útil, um contator deve ser utilizado para realizar as comutações.
Juntamente com a vida útil mecânica, é muito importante ressaltar a vida útil das peças de contato. O desgaste dos contatos depende de vários fatores, como o arco voltaico, intensidade da corrente, da tensão e da constante de tempo do circuito.
Porte do disjuntor Vida útil mecânica (nº manobras) Freqüência ligações por hora Pequeno e médio 105 para cargas motoras 20 a 60 para cargas motoras 3.10^5 para potência 20 para potência Grande 15.000 para cargas motoras e potência 20 para cargas motoras e potência
Tabela 2 – Vida útil e freqüência de manobra de disjuntores
(a) (b)
(c)
(d)
Figura 4.4- Disjuntores de baixa tensao: a) caixa moldada; b) disjuntor motor; c) minidisjuntores; d) com DR (fabricante WEG)
