Quais são os dispositivos que asseguram a proteção dos equipamentos contra a sobrecarga?

Nesta lição, aborda-se o tema "aparelhos de protecção": tipos de defeitos ou anomalias, protecção contra sobreintensidade, utilizando corta-circuitos fusíveis. São também apresentadas as tabelas normalizadas com as correntes estipuladas dos corta-circuitos fusíveis.

15.5. Aparelhos de protecção

15.5.1. Tipos de defeitos ou anomalias

Os aparelhos de protecção têm como função proteger todos os elementos constituintes de um circuito elétrico ou de uma instalação elétrica contra os diferentes tipos de defeitos, avarias ou anomalias que podem ocorrer. Os principais tipos de defeitos e anomalias que podem ocorrer num circuito são:

1. Sobrecargas;
2. Curtos-circuitos;
3. Correntes de fuga;
4. Sobretensões;
5. Faltas de tensão;
6. Subtensões.

À luz das RTIEBT (Regras Técnicas de Instalações Elétricas de Baixa Tensão), todas as ocorrências indicadas acima são consideradas defeitos, à excepção da sobrecarga que é uma ocorrência anómala do circuito.

Ao conjunto das sobrecargas e curtos-circuitos é usual chamar-se de sobreintensidades, visto em ambos os casos ultrapassarem as correntes estipuladas (valores nominais) dos aparelhos. As RTIEBT definem sobreintensidade como uma corrente de valor superior ao da corrente estipulada dos aparelhos de proteção instalados. Qualquer uma das ocorrências referidas (sobrecargas e curtos-circuitos) correspondem a regimes anormais de funcionamento; como tal, há que evitá-los ou reduzir os seus efeitos.

As RTIEBT definem sobrecarga como uma sobreintensidade que ocorre num circuito, na ausência de um defeito elétrico. Ocorre uma sobrecarga num motor quando, por exemplo, se exerce sobre o veio do motor um esforço superior ao nominal, o que obriga o motor a ‘pedir’ à rede um excesso de corrente. Ocorre uma sobrecarga numa canalização eléctrica quando estão ligados a essa canalização simultaneamente diversos receptores cuja intensidade total pedida excede o valor da intensidade máxima admissível pela canalização.

Figura 22 · Curto-circuito entre os pontos A e B; a corrente atinge uma intensidade elevada (neste caso, 1 kA), durante este curto-circuito.

Um curto-circuito é uma sobreintensidade resultante de um defeito de impedância desprezável entre condutores activos que apresentam, em serviço normal, uma diferença de potencial. Um curto-circuito ocorre quando há, por defeito, uma ligação directa entre a fase e o neutro, entre duas fases ou entre o positivo e o negativo, o que implica uma subida exagerada da intensidade de corrente no circuito (Figura 22).

As correntes de fuga são correntes que saem dos condutores activos (fases e neutro), percorrendo os invólucros condutores dos equipamentos, sendo conduzidas para a terra pelos condutores de protecção. Estas correntes originam tensões de contacto Uc entre o invólucro dos equipamentos e a terra, bem como tensões de passo Up entre o eléctrodo de terra e os pontos à sua volta à distância de um passo humano. Qualquer uma destas duas tensões pode ser perigosa para quem ficar sujeito a elas, desde que os valores respectivos ultrapassem determinados valores.

As sobretensões (excesso de tensão) podem ser de origem externa (descargas atmosféricas nas linhas) ou de origem interna (falsas manobras, deficiências de isolamento com linhas de tensão mais elevada, entre outros). As sobretensões são geralmente bruscas e podem danificar a aparelhagem elétrica, particularmente a de informática e de eletrónica.

Quanto às subtensões (abaixamento da tensão), acontecem por diversos motivos: por excesso de carga ligada, provocando quedas e tensão nas linhas e cabos; por desequilíbrios acentuados na rede trifásica; por ruptura de uma das fases; por contactos à terra de uma fase. A subtensão, embora não seja frequentemente perigosa pode, em certos casos, sê-lo. Por exemplo, no caso de um motor, se a tensão baixa, a corrente tem tendência a subir de modo a manter o valor da potência que a carga está a exigir ao motor (recorde que P = U I cos ϕ; se U desce então I vai subir, para manter P constante), podendo o motor aquecer exageradamente.

Cada um dos defeitos ou anomalias referidos tem consequências diferentes consoante o tipo de instalação e a sua finalidade. De notar, por exemplo, que a falta de energia em casa não tem a mesma gravidade que terá num hospital.

A protecção de canalizações contra sobrecargas ou curtos-circuitos só deve ser feita nos condutores de fase. A protecção de motores contra sobrecargas ou curtos-circuitos pode, ou não, cortar o neutro.

15.5.2. Protecção contra sobreintensidades

15.5.2.1. Aparelhos de protecção contra sobreintensidades

São dois os aparelhos de protecção contra sobreintensidades: o fusível (ou corta-circuitos fusível) e o disjuntor magnetotérmico.

A – Fusíveis

Um corta-circuitos fusível é constituído por um fio condutor, dentro de um invólucro. O fio condutor (normalmente de prata, cobre, chumbo, estanho, cádmio, alumínio, zinco, níquel e ligas destes materiais) é calibrado de forma a poder suportar, sem fundir, a intensidade para a qual está calibrado e que tem o nome de intensidade estipulada In; logo que a intensidade ultrapasse razoavelmente esse valor, ele deve fundir tanto mais depressa quanto maior for o valor da intensidade. Os materiais utilizados devem ter temperaturas de fusão entre 60 a 200° C. A Figura 23 sugere um corta-circuitos fusível.

Figura 23 · Corta-circuitos fusível.

Cada fusível é caraterizado também pelo seu poder de corte. Poder de corte de um fusível é o valor da corrente que o dispositivo de proteção é capaz de cortar, a uma tensão especificada e em condições prescritas de emprego e de funcionamento.

Figura 24 · Curva característica do fusível.

A Figura 24 sugere, por seu lado, a relação intensidade-tempo de fusão I(t) traduzida numa curva (média) a que se chama ‘curva característica’ do fusível. O fusível não funde para a sua intensidade estipulada In, mas apenas para I > In. O fusível funde em B mais depressa do que em A, visto que I é mais elevado em B. Na verdade, o fusível não tem apenas uma curva, mas duas curvas que delimitam a sua zona de funcionamento. O ponto de funcionamento do fusível situar-se-á no interior, entre as duas curvas. Quanto à rapidez de actuação, existem fundamentalmente dois tipos de fusíveis: o fusível de acção lenta – tipo gG – e o fusível de acção rápida – tipo aM. O fusível gG é utilizado geralmente na protecção contra sobrecargas, embora também possa proteger o circuito contra curtos-circuitos. O fusível aM é utilizado apenas na protecção contra curtoscircuitos.

Como se sabe, os aparelhos de protecção devem proteger receptores e canalizações porque estes têm uma temperatura máxima admissível a partir da qual fica em risco a sua integridade. Isto é, receptores e canalizações suportam excessos de corrente durante tempos tanto mais curtos quanto mais elevados forem esses excessos.

Define-se corrente estipulada IN de um fusível como o valor da corrente para o qual o fusível não actua.

Para os fusíveis gG, definem-se ainda:

• Corrente convencional de funcionamento I2 como o valor de corrente para o qual o fusível deve actuar durante o tempo convencional.

• Corrente convencional de não-funcionamento Inf como o valor de corrente para o qual o fusível deve actuar antes de expirar o tempo convencional.

As correntes convencionais e os tempos convencionais são estabelecidos pela Norma EN 60269-2 e são aqui reproduzidos nos Quadros 22 e 23.

Quadro 22 · Características dos fusíveis gG.

Quadro 23 · Tempos convencionais dos fusíveis gG.

Qual o significado destes valores?

Por exemplo, um fusível com In = 10 A deverá suportar, sem fundir, uma corrente de 15 A (1,5 × In) durante o tempo convencional que é 1 h (para fusíveis até 63 A) e se for percorrido por uma corrente de 19 A (1,9 × In) deverá fundir antes de expirar o tempo convencional de 1 h.

Do Quadro 22, substituindo In pelos valores normalizados dos fusíveis, obtemos o Quadro 24, já com os valores explicitados de In, Inf e I2.

Quadro 24 · Características dos fusíveis gG.

Para os fusíveis aM, não são definidas correntes convencionais nem tempos convencionais, visto que não protegem contra sobrecargas. O menor valor que um fusível aM deve cortar é de 4 × In. Os valores usuais das correntes estipuladas destes fusíveis são: 10 A, 16 A, 20 A, 25 A, 32 A, 40 A, 63 A, 80 A, 100 A, 125 A, entre outros.

Na Figura 25 representamos aquilo a que se chama - ‘curva de fadiga térmica’ de uma canalização, juntamente com a ‘curva caraterística’ de um fusível.

O que se pretende é que o órgão de proteção atue bastante antes da canalização atingir qualquer ponto da sua curva de fadiga térmica. Por exemplo, se A fosse o ‘ponto de funcionamento’ do circuito, obviamente que nem a canalização atingiria o seu ponto de fadiga térmica, nem o fusível iria actuar. Só como nota final, repare-se que a fadiga térmica vai depender do valor da temperatura atingida e esta vai depender não só do valor da intensidade como do tempo de exposição. Recorde-se que a quantidade de calor libertada, responsável pelo aumento de temperatura, é dada por Q = 0,24 RI2 t.

Figura 25 · 1 - Curva do fusível; 2 - Curva de fadiga térmica da canalização; A – Ponto de funcionamento estável do circuito; P - Ponto a partir do qual o fusível já não protege a canalização.

Quanto à constituição, existem diversos tipos de fusíveis: tipo rolo ou rolha, tipo cartucho e tipo cilíndrico. Antigamente, utilizava-se muito o fusível tipo Gardy que ainda pode ser encontrado nas instalações eléctricas mais antigas.

O fusível de rolo contém no seu interior o fio fusível que faz contacto na parte superior com a tampa e na parte inferior com um contacto metálico. A Figura 26 sugere os três elementos que irão formar um só bloco. A tampa vai enroscar na peça (suporte) inferior, ficando o fusível no interior do conjunto. Os condutores são ligados exteriormente, por intermédio de parafusos de aperto.

Os fusíveis do tipo cartucho são constituídos por fios fusíveis, ligados em paralelo, dentro de uma câmara constituída por um material isolante, na qual se encontra areia de quartzo com o objetivo de favorecer a extinção do arco eléctrico, no caso de curto-circuito. Estes fusíveis têm normalmente um elevado poder de corte.

Figura 26 · Fusível de cartucho A.P.C., em corte: 1 – Elemento fusível: permite definir o calibre e assegura o poder de corte; 2 - Invólucro: deve ser muito sólido que suporta choques térmicos e eletrodinâmicos muito grandes, no corte; 3 - Areia: o seu papel é o de arrefecer o arco; 4 - Ligação do elemento fusível com as facas; 5 - Facas: estas peças asseguram a ligação eléctrica com o suporte, o qual estabelece a continuidade do circuito eléctrico; 6 - Sistema de detecção de fusão (sinalizador ou percutor).

O fusível tipo cilíndrico é muito usado em tensões reduzidas, mas também em Baixa Tensão e Média Tensão.

Em circuitos trifásicos ou monofásicos coloca-se um fusível por fase, excluindo o condutor neutro.

AUTOR: José V. C. Matias, Licenciado em Engenharia Electrotécnica (IST), Professor do Ensino Secundário Técnico, Autor de livros técnico-didáticos de eletricidade e eletrónica
Fonte: Revista "O Electricista"

Qual é o dispositivo de proteção a ser utilizado para as proteções contra sobrecargas e Curto

Quais são os principais dispositivos de proteção?

Qual dispositivo pode ser considerado como de proteção contra sobre cargas no circuito elétrico?

Qual é a função dos dispositivos de proteção contra sobrecarga?