Proteção de circuitos elétricos.

Generalidades.

A proteção dos sistemas tem como objetivo de desligar a parcela do sistema elétrico de potência que se encontra defeituosa, ou operando fora das suas condições normais. Nesse contexto, os sistemas de proteção devem atuar rapidamente para minimizar riscos à vida humana e danos aos equipamentos que compõem os sistemas elétricos de potência. Normalmente, há duas situações que podem produzir danos:

Sobrecargas de longa duração
Curtos-circuitos.

Sistemas de proteção para instalações elétricas de baixa tensão normalmente são mais simples e apresentam um custo menor do que os sistemas de proteção para instalações elétricas mais sofisticadas. Nesse caso, os dispositivos que discernem as situações normais das situações de sobrecarga e/ou curto-circuito (relés de proteção) confundem-se com os dispositivos que efetuam o desligamento do circuito (disjuntores). Os dispositivos de proteção que encontram-se nessa categoria são:

Elos fusíveis
Disjuntores.

Corrente elétrica nominal é a corrente elétrica, normalmente expressa em ampéres (A) ou quilo amperes (kA), que será observada (ou medida) em um determinado circuito ou aparelho, quando este estiver operando adequadamente. Este parâmetro é definido pelo fabricante do equipamento.

Também é utilizada para expressar a capacidade máxima de um determinado dispositivo de proteção, como fusível ou disjuntor, sendo portanto um limite de corrente elétrica que pode ser exigido do equipamento sem que este atue, desligando o circuito.

Sendo a tensão nominal dos equipamentos elétricos normalmente constante, a corrente é usada como um parâmetro indicativo da potência que está sendo desenvolvida ou exigida do mesmo. É comum usar a medida da corrente para esse fim por ser mais facilmente medida do que a potência.

Corrente nominal no âmbito de máquinas elétricas corresponde ao valor de intensidade de corrente cuja existência é prevista no cálculo de uma dada máquina ou circuito e que, depois de construída, se verificou poder suportar sem que se ponha em perigo a sua conservação ou a estabilidade do circuito. Esta verificação é feita pelos ensaios de aquecimento previstos nas normas de fabricação da máquina.

Segundo a NBR-5410, corrente nominal é o máximo valor eficaz da intensidade de corrente que pode circular pelo dispositivo de proteção (elo fusível ou disjuntor) sem causar seu desligamento automático. É uma característica técnica do dispositivo de proteção em questão e, portanto, é parâmetro de projeto quando da seleção do dispositivo de proteção mais conveniente para os diversos circuitos da instalação elétrica.

O dispositivo de proteção (elo fusível e/ou disjuntor) se comporta segundo as seguintes condições:

Icarga < Inominal - não ocorre o desligamento;

Icarga > Inominal - ocorre o desligamento em ou seja, o tempo de atuação é inversamente proporcional à magnitude da corrente.

O tempo para seccionamento do circuito elétrico, que é protegido pelo dispositivo de proteção, é dado por:

Esse tempo é inversamente proporcional à magnitude da corrente de sobrecarga ou curto-circuito, isto é, quanto maior essa corrente, menor o tempo para o dispositivo de proteção desligar o circuito.

As curvas tempo x corrente fornecem uma representação gráfica do tempo médio de fusão dos elementos dos fusíveis na temperatura ambiente, também chamado de tempo de pré-arco para fusíveis, em relação à corrente “rms” presumida Ip. RMS a raiz do valor quadrático médio ou RMS (do inglês Root Mean Square) ou valor eficaz, sendo uma medida estatística da magnitude de uma quantidade variável. Pode calcular-se para uma série de valores discretos ou para uma função variável contínua.

As curvas de limitação de corrente informam a corrente de pico máxima que circulará através do fusível ou disjuntor durante a sua atuação em relação ao valor eficaz de corrente presumida de curto-circuito.

Fusíveis e outros dispositivos de proteção contra sobrecorrente são uma parte essencial de um sistema de distribuição de energia para prevenir incêndios ou danos a outros elementos do circuito.

Fusíveis

Fusível é um dispositivo de proteção contra sobrecorrente em circuitos. Consiste de um filamento ou lâmina de um metal ou liga metálica de baixo ponto de fusão que se intercala em um ponto de uma instalação elétrica, para que se funda, por efeito Joule, quando a intensidade de corrente elétrica que o percorre superar um determinado valor, devido a um curto-circuito ou sobrecarga, o que poderia danificar a integridade dos condutores, com o risco de incêndio ou destruição de outros elementos do circuito.

Funcionamento dos Fusíveis

Elos fusíveis são dispositivos de proteção constituídos por elemento condutor, de composição especial, dimensionado de modo a fundir com intensidade de corrente especificada. O processo de fusão ocorre em um intervalo de tempo bem determinado. O calor para a fusão provém da corrente que o atravessa, por efeito Joule. Os tipos de fusíveis mais comuns, utilizados em instalações elétricas de baixa tensão, são: tipo rosca; cartucho (faca ou virola); diazed; e NH, que possui alta capacidade disruptiva.

Em curto-circuito ou sobrecarga, o elemento fusível funde-se, abrindo o circuito elétrico, interrompendo a passagem de corrente. Durante o curto-circuito, haverá uma limitação da corrente de curto-circuito presumida conforme figura abaixo:

Tipos de Fusíveis

Os fusíveis são fabricados e testados conforme normas internacionais nas correntes de 2A a 2.000A, disponíveis nas seguintes características construtivas e de proteção:

Fusíveis Ultrarrápidos Classe aR, Tipo NH Contato Faca e Tipo NH Flush End, para proteção contra curto-circuito em semicondutores/equipamentos eletrônicos até 690V CA.
Fusíveis Retardados Classe gL/gG, Tipo NH Contato Faca e Tipo D, para proteção contra curto-circuito e sobrecargas para linhas/cabos elétricos e aplicações gerais até 500V CA.

Fusíveis Tipo NH

Fusíveis tipo NH atendem a norma IEC60269-2-1 (NBR11841), a faixa de interrupção e a categoria de utilização (Curva tempo vs Corrente), foram convencionadas com um conjunto de letras e não com as denominações ("retardados","rápidos" e Ultra-Rápidos"). A referida norma IEC utiliza a montagem com 2 letras, sendo que a primeira letra, denomina a "Faixa de Interrupção" , ou seja, que tipo de sobrecorrente o fusível irá atuar, que são elas:

"g" - Atuação para sobrecarga e curto
"a" - Atuação apenas para curto-circuito,

A segunda letra, denomina a "Categoria de Utilização", ou seja, que tipo de equipamento o fusível irá proteger, que são elas:

"L/G" - Proteção de cabos e uso geral
"M" - Proteção de Motores
"R"- Proteção de circuitos com semicondutores

Sendo assim, temos as montagens dos principais fusíveis utilizados no mercado:

"gL/gG"- Fusível para proteção de cabos e uso geral (Atuação para sobrecarga e curto). Esta curva é que em sua maioria denominam erroneamente - "Retardados"
"aM" - Fusível para proteção de motores (Pela característica mais lenta, nunca se sabe se pode denominar-se "rápida" ou "retardada")
"aR" -Fusível para proteção de semicondutores (Este podendo ser chamado de "Ultra-Rápido", por não criar conflito com outras curvas)

Exemplo de curva de atuação de fusível tipo NH 00

Os fusíveis do tipo NH (NH são as iniciais de Niederspannungs Hochleistungs, que em língua alemã significa "Baixa Tensão e Alta Capacidade de Interrupção") com contato faca aR não podem atuar acima do tempo de 30 segundos representado pela linha AA’. É necessária a utilização de dispositivos de proteção contra sobrecarga para evitar a condição acima da curva AA’ sobre o fusível.

Fusíveis Classe aR – Ultrarrápidos

Os fusíveis aR ultrarrápidos têm como função a proteção contra curto-circuito de semicondutores que podem ser encontrados, por exemplo, em dispositivos eletrônicos de baixa tensão como inversores de frequência e soft-starters. Fabricados e testados de acordo com as normas IEC 60269-4 e UL 248-13, com corpos cerâmicos quadrados ou retangulares, os fusíveis ultrarrápidos estão disponíveis em duas formas construtivas:

Com Conexões Tipo Contato Faca (Blade Contact), disponíveis nos modelos:

NH00 - tamanho 00 – de 20A a 250A
NH01 - tamanho 1 – de 63A a 400A
NH02 - tamanho 2 – de 250A a 710A
NH03 - tamanho 3 – de 400A a 1000A

Com Conexões Tipo Rosca (Flush End), disponíveis nos modelos:

NH3FEM – de 450A a 1400A
NH23FEA (2 fusíveis em paralelo) – de 1000A a 2000A

Uma característica dos fusíveis ultrarrápidos, na proteção Contra Curto-Circuito em Circuitos CA, por serem da classe aR, os fusíveis ultrarrápidos não possuem proteção contra sobrecargas. Eles não podem operar acima da sua corrente nominal conforme indicado na curva tempo x corrente. Caso contrário, o fusível sofrerá uma sobrecarga térmica que reduzirá sua capacidade de interrupção e sua vida útil. Desta forma, é obrigatório o uso de algum dispositivo complementar de proteção contra sobrecarga para a completa proteção do equipamento. Entretanto, por serem limitadores de corrente, para valores elevados de múltiplos de corrente, o fusível atua rapidamente, abrindo o circuito e impedindo que o valor de corrente de curto-circuito presumida Ip seja alcançado.

Fusíveis Classe aR - Tipo NH Contato Faca

Os fusíveis aR ultrarrápidos tipo NH contato faca são montados em corpo cerâmico de alta qualidade, preenchimento com areia de quartzo impregnada, elemento fusível em prata pura e terminais/facas em cobre prateado.

Esta construção proporciona ótimo isolamento elétrico, robustez mecânica e capacidade de resistência a choques térmicos durante o desligamento do fusível e valores de I2t reduzidos.

Fusíveis Classe gL/gG - Tipo NH Contato Faca

Os fusíveis gL/gG retardados tipo NH contato faca são montados em corpo cerâmico de alta qualidade, preenchimento com areia de quartzo, elemento fusível em cobre eletrolítico e conexões tipo faca em latão prateado. Esta construção proporciona ótima isolação elétrica, rigidez mecânica e resistência a choques térmicos durante a atuação do fusível. "gL/gG"- Fusível para proteção de cabos e uso geral (Atuação para sobrecarga e curto). Esta curva é que em sua maioria denominam erroneamente - "Retardados".

Com Conexões Tipo Contato Faca (Blade Contact), disponíveis nos modelos:

NH000 - tamanho 000 – de 4A a 80A
NH00 - tamanho 00 – de 4A a 160A
NH01 - tamanho 1 – de 50A a 250A
NH02 - tamanho 2 – de 125A a 400A
NH03 - tamanho 3 – de 315A a 630A

Fusíveis Classe gL/gG - Tipo NH Contato Faca

Conhecidos como Diazed, os fusíveis gL/gG tipo D - diametral, são montados em corpo cerâmico de alta qualidade e preenchimento com areia de quartzo. Dispõe de acesso frontal que permitem verificação de status dos fusíveis através de uma ponta de prova de tensão.

Capacidade disruptiva

É o máximo valor eficaz da corrente que pode ser interrompida pelo dispositivo de proteção. Assim como a corrente nominal, também é uma característica técnica do dispositivo de proteção em questão e, portanto, é parâmetro de projeto quando da seleção do dispositivo de proteção mais conveniente para os diversos circuitos da instalação elétrica.

Normalmente é expressa em termos de corrente máxima ou de potência aparente máxima que o dispositivo de proteção é capaz de interromper:

Capacidade disruptiva para circuito trifásico
Capacidade disruptiva para circuito monofásico

Onde:

Vnominal - Tensão eficaz nominal de linha [V];

Idisruptiva - Corrente disruptiva [A];

Sdisruptiva - Capacidade disruptiva [VA].

Disjuntor

Disjuntores de baixa tensão são dispositivos que interrompem o circuito pela abertura de uma chave. Possuem dois elementos que “percebem” a ocorrência de sobrecorrente devido à sobrecarga ou curto-circuito:

Elemento térmico: responsável pela detecção de eventos de sobrecarga de longa duração;
Elemento magnético: responsável pela detecção de eventos de curto-circuito.

Além desses elementos, os disjuntores possuem uma chave e uma câmara de extinção do arco elétrico que se forma durante a abertura da chave.

A figura ilustra o arranjo de um disjuntor de baixa tensão.

https://en.wikipedia.org/wiki/File:Circuitbreaker.jpg

A fotografia do detalhe interno de um mini-disjuntor termomagnético projetado para atender as Normas Internacionais (IEC), de corrente nominal de 10 ampères e montagem em trilho DIN.

Manopla - utilizada para fazer o fecho ou a 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".
Mecanismo atuador - Junta ou separa o sistema da rede elétrica.
Contatos - Permitem que a corrente flua quando o disjuntor está ligado e seja interrompida quando desligado.
Terminais;
Trip bimetálico;
Parafuso calibrador - permite que o fabricante ajuste precisamente a corrente de trip do dispositivo após montagem.
Solenoide ou bobina;
Câmara de extinção de arco.

Os disjuntores térmicos utilizam a deformação de placas bimetálicas causada pelo seu aquecimento. Quando uma sobrecarga de corrente atravessa a placa bimetálica existente num disjuntor térmico ou quando atravessa uma bobina situada próxima dessa placa, aquece-a, por efeito de Joule, diretamente no primeiro caso e indiretamente no segundo, causando a sua deformação. A deformação desencadeia mecanicamente a interrupção de um contato que abre o circuito elétrico protegido.

Um disjuntor térmico é, assim, um sistema eletromecânico simples e robusto. Em contrapartida, não é muito preciso e dispõe de um tempo de reação relativamente lento. A proteção térmica tem como função principal a de proteger os condutores contra os sobreaquecimentos provocados pelas sobrecargas prolongadas na instalação elétrica. Tradicionalmente, esta é uma das funções também desempenhadas pelos fusíveis gG.

Disjuntores magnéticos submetidos a forte variação de intensidade da corrente que atravessa as espiras de uma bobina produz, segundo as leis do eletromagnetismo, uma forte variação do campo magnético. O campo assim criado desencadeia o deslocamento de um núcleo de ferro que vai abrir mecanicamente o circuito e, assim, proteger a fonte e uma parte da instalação elétrica, nomeadamente os condutores elétricos entre a fonte e o curto-circuito. A interrupção é instantânea no caso de uma bobina rápida ou controlada por um fluido no caso de uma bobina que permite disparos controlados. Geralmente, está associado a um interruptor de alta qualidade projetado para efetuar milhares de manobras.

O tipo de funcionamento dos disjuntores magnéticos permite-lhes substituir os fusíveis em relação aos curto-circuitos. Segundo o modelo, o valor de intensidade da corrente com um ajuste de três a 15 vezes a intensidade nominal. Existem numerosas outras possibilidades, que incluem o disparo por tensão na bobine (com ajuste proveniente de sensores), interruptor/disjuntor para montagem em painel, compatibilidade com dupla tensão 100/200 volts, bobina sob tensão (disjuntor mantido a partir de um ajuste de tensão), disparo à distância e rearme à distância. Existem numerosas curvas de disparo para corrente contínua, corrente alternada, 50/60 Hz e 400 Hz. Normalmente, está disponível uma opção total ou parcialmente estanque.

A proteção magnética tem como fim principal o de proteger os equipamentos contra as anomalias como as sobrecargas, os curto-circuitos e outras avarias. Normalmente, é escolhida para os casos onde existe a preocupação de proteger o equipamento com muita precisão.

Disjuntor termomagnético é muito utilizado em instalações elétricas residenciais e comerciais, como é chamado no Brasil.

Esse tipo de disjuntor possui três funções:

Manobra (abertura ou fechamento voluntário do circuito).
Proteção contra curto-circuito - Essa função é desempenhada por um atuador magnético (solenóide), que efetua a abertura do disjuntor com o aumento instantâneo da corrente elétrica no circuito protegido.
Proteção contra sobrecarga - É realizada através de um atuador bimetálico, que é sensível ao calor e provoca a abertura quando a corrente elétrica permanece, por um determinado período, acima da corrente nominal do disjuntor.

As características de disparo do disjuntor são fornecidas pelos fabricantes através de duas informações principais: corrente nominal e curva de disparo. Outras características são importantes para o dimensionamento, tais como: tensão nominal, corrente máxima de interrupção do disjuntor e número de pólos (unipolar, bipolar ou tripolar).

A linha de minidisjuntores oferece proteção contra sobrecarga e curto-circuito em condutores elétricos, atendendo as curvas características de disparo B e C, conforme a norma NBR NM 60898 e NBR IEC 60947-2. Desenvolvida para aplicações em circuitos de baixa tensão, de corrente contínua ou alternada de 2 a 125 A e capacidade de interrupção de curto-circuito de até 20 kA (127/220 V CA) conforme norma NBR IEC 60947-2. A linha de minidisjuntores conta com bloco de contatos auxiliares, barramento de distribuição monopolar, bipolar e tripolar, e trava cadeado, conforme exigência da norma NR10, como acessórios. Possui também mecanismo de disparo livre, onde o disparo independe da posição da manopla, e indicação do estado do disjuntor.

Curvas de Disparo

Curva B

O minidisjuntor de curva B tem como característica principal o disparo instantâneo para correntes entre 3 a 5 vezes a corrente nominal. Sendo assim, são aplicados principalmente na proteção de circuitos com características resistivas ou com grandes distâncias de cabos envolvidas. Ex.: lâmpadas incandescentes, chuveiros, aquecedores elétricos, etc.

Curva C

O minidisjuntor de curva C tem como característica o disparo instantâneo para correntes entre 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, etc.

Curva D

A curva Tipo D terá por sua vez uma maior capacidade de suportar estas correntes instantâneas, que neste caso poderá ser entre 10 e 20 vezes a corrente nominal, utilizando novamente nosso exemplo teremos que um disjuntor de 10A suportará então até 200A de corrente instantânea.

Estes disjuntores serão utilizados por sua vez na proteção de grandes cargas indutivas onde como motores de grande porte e transformadores mais robusto, um exemplo são as máquinas de solda. Uma corrente igual a 10 IN é passada através de todos os pólos a partir do estado frio. Assim sendo, o tempo de abertura deve ser maior ou igual a 0,1s. Uma corrente igual a 50 IN é passada através de todos os pólos a partir do estado frio. Neste caso, o disjuntor deve atuar em um tempo menor que 0,1s. Cabe ressaltar que no âmbito MERCOSUL a curva “Tipo D” é de 10 a 20 IN .

Curva K

A curva Tipo K terá por sua vez uma capacidade de suportar estas correntes instantâneas, que neste caso poderá ser entre 8 e 14 vezes a corrente nominal, utilizando novamente nosso exemplo teremos que um disjuntor de 10A suportará então até 140A de corrente instantânea.

Estes disjuntores serão utilizados por sua vez na proteção de cargas indutivas onde como motores de médio porte e alguns transformadores como por exemplo máquinas correias transportadoras, lâmpadas de descarga ou ventiladores.

Curva Z

A curva Tipo Z terá por sua vez uma capacidade de suportar correntes instantâneas, que neste caso poderá ser entre 2 e 3 vezes a corrente nominal, utilizando novamente nosso exemplo teremos que um disjuntor de 10A suportará então até 30A de corrente instantânea.

Estes disjuntores serão utilizados por sua vez na proteção de cargas puramente resistivas.

Disjuntor caixa moldada

Disjuntores de baixa tensão em caixa moldada são dispositivos que interrompem o circuito pela abertura de uma chave, que podem ser termomagnéticos, somente magnéticos ou eletrônicos. Assim como os mini disjuntores, tem função de proteção contra sobrecargas e curto-circuitos, mas destinados a correntes maiores, geralmente de 16A até 2000A, onde são requeridos maiores níveis de sofisticação para os ajustes das correntes de disparo.

Os disjuntores de caixa moldada são então equipados com relés que podem ter quatro tipos de proteção embarcadas, são elas:

Função L = tempo longo (proteção contra sobrecarga, analógico para a atuação térmica de tempo inversa de um disjuntor térmomagnético

Função S = Tempo curto (proteção contra curto-circuito de falhas de baixa magnitude)

Função I = Instantâneo (proteção instantânea para falhas grande magnitude, análoga à atuação magnética instantânea de um disjuntor térmomagnético)

Função G = falha à terra (proteção contra falha à terra do equipamento)

Portanto, LSIG = Long-time + Short-time + Instantaneous + Equipment Ground-fault Protection

As letras LSIG significam o tipo de proteção e os ajustes disponíveis em determinadas unidades de trip.

Disjuntor Power ou Caixa Aberta

Assim como os disjuntores de baixa tensão em caixa moldada, disjuntores de caixa aberta são dispositivos que interrompem o circuito pela abertura de uma chave, atualmente com relés de disparo somente eletrônicos. Assim como os mini disjuntores, tem função de proteção contra sobrecargas e curto-circuitos, mas destinados a correntes maiores, geralmente de 320A até 6300A, onde são requeridos maiores níveis de sofisticação para os ajustes das correntes de disparo e muito mais capacidade mecânica de abertura, pois as correntes são as maiores possíveis.

Dispositivo diferencial residual (DR)

Um dispositivo diferencial residual (DR), é um dispositivo de proteção utilizado em instalações elétricas que tem como objetivo desligar um circuito sempre que seja detectada uma corrente de fuga à terra superior ao valor nominal. A corrente de fuga é avaliada pela soma algébrica dos valores instantâneos das correntes nos condutores monitorados (corrente diferencial).

Os Dispositivos DR, Módulos DR ou Disjuntores DR de corrente nominal residual até 30mA, são destinados fundamentalmente à proteção de pessoas, enquanto os de correntes nominais residuais de 100mA, 300mA, 500mA, 1000mA ou ainda superiores a estas, são destinados apenas a proteção patrimonial contra os efeitos causados pelas correntes de fuga à terra, tais como consumo excessivo de energia elétrica ou incêndios.

Dispositivo DR ou Interruptor DR são dispositivos diferentes, sendo que o Disjuntor Diferencial Residual (DDR ou Disjuntor DR) atua na proteção dos circuitos elétricos somente em caso de falhas de isolação e também por sobrecargas, enquanto o Interruptor Diferencial Residual atua somente na proteção de circuitos com falha de isolação. Ambos são dispositivos seccionamento mecânico destinados a provocar a abertura dos próprios contatos quando ocorrer uma falha de isolação ou sobrecarga de corrente (Somente no caso do DDR). O circuito protegido por IDR necessita ainda de uma proteção contra sobrecarga e curto circuito que pode ser realizada por disjuntor ou fusível, devidamente coordenado com o Interruptor DR.

O Dispositivo DR é facilmente instalado diretamente no quadro de distribuição de energia elétrica e seus benefícios são tão importantes que a Norma Brasileira da ABNT - NBR 5410 "Instalações elétricas de baixa tensão", torna a sua instalação obrigatória nos alimentadores de áreas perigosas tais como: cozinhas, banheiros e áreas externas de residências, prédios públicos, supermercados, shoppings, hotéis e outras instalações públicas e privadas.

Os principais problemas evitados com a aplicação dos DR’s nas instalações elétricas são:

Ocorrência de curto circuitos de alta impedância e perdas de energia aumentando o consumo;
Ocorrência de sobreaquecimentos com consequentes avarias de equipamentos elétricos e mesmo focos de incêndio;
Choque elétrico com paralisia total ou parcial dos movimentos durante a ocorrência, podendo essa paralisia desencadear uma cadeia de acontecimentos de maior gravidade: quedas, erros na condução de máquinas, etc.;
Choque elétrico originando queimaduras que podem ser graves ou mesmo fatais;
Choque elétrico originando fibrilação cardíaca (graves alterações do ritmo dos batimentos cardíacos podendo levar à morte);
Choque elétrico originando paragem respiratória com paralisia dos músculos torácicos responsáveis pela respiração, potencialmente fatal na ausência de socorro imediato e urgente;
Choque elétrico originando parada cardíaca (quando a corrente elétrica externa paralisa o funcionamento do coração), potencialmente fatal na ausência de socorro imediato e urgente.

Bibliografia

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ABNT NBR ISO/CIE 8995-1:2013 - Iluminação de ambientes de trabalho - Parte 1: Interior; ABNT/CB-003 Eletricidade de 21/03/2013.

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Proteção de circuitos elétricos.

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