DIMENSIONAMENTO DE CABOS, Esquemas de Eletrotécnica

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INSTALAÇÕES

ELÉTRICAS

INDUSTRIAIS

OBJETIVOS DE APRENDIZAGEM

> Reconhecer diferentes sistemas de distribuição.

> Definir os critérios para dimensionamento da seção mínima de condutores.

> Descrever as características e o dimensionamento de barramentos e con-

dutos.

Introdução

As instalações elétricas industriais devem ser planejadas e executadas por pro-

fissionais qualificados e competentes. Compreender a produção, a transmissão,

a distribuição e a utilização de energia elétrica é fundamental no projeto de

instalação elétrica de todo tipo de segmento industrial. Fazer um projeto de

instalação industrial eficiente permite o uso da energia na indústria com o intuito

de reduzir as falhas e os desperdícios.

Neste capítulo, você vai aprender sobre os diferentes sistemas de distribuição.

Você também vai estudar os critérios para o dimensionamento da seção mínima

de condutores e compreender as características e o dimensionamento de bar-

ramentos e condutos.

Dimensionamento

de condutores

elétricos

Andrea Acunha Martin

Sistemas de condutores vivos

Com relação aos sistemas de corrente alternada , existem os sistemas mono- fásico a dois ou três condutores e trifásico a três, quatro ou cinco condutores, descritos a seguir.

„ Sistema monofásico a dois condutores (F–N): é normalmente usado em instalações residenciais isoladas e também nos prédios comerciais e residenciais com menor número de unidades de consumo e de pequena carga (Figura 1).

Figura 1. Sistema monofásico a dois condutores. Fonte: Mamede Filho (2017, p. 135).

Secundário

do transformador

Aterramento

F

N

127 V ou 220 V

„ Sistema monofásico a três condutores: é utilizado em instalações residenciais e comerciais pequenas, em que existe carga de iluminação e motores (Figura 2). Sua utilização é limitada.

Figura 2. Sistema monofásico a três condutores. Fonte: Mamede Filho (2017, p. 135).

Secundário do transformador

Aterramento

110 V ou 220 V 110 V ou 220 V

220 V ou 440 V

F

N

„ Sistema trifásico a três condutores (3F): é o sistema secundário em que há duas possibilidades para conexão: triângulo (Δ) ou estrela (Y) com o ponto neutro isolado. Seu uso se faz normalmente em instalações in- dustriais em que os motores são a carga principal do sistema (Figura 3).

Figura 3. Sistema trifásico a três condutores: (a) em triângulo; (b) em estrela. Fonte: Mamede Filho (2017, p. 136).

a b

„ Sistema trifásico a quatro condutores (3F–N): é um tipo de sistema secundário que é mais utilizado nas instalações elétricas industriais e comerciais de menor escala. O mais comum é a utilização da con- figuração estrela com o ponto neutro aterrado (Figura 4). Na prática, temos os sistemas: ■ a quatro condutores: 220 Y/127 V; 380 Y/220 V; 440 Y/254 V; 208 Y/120 V. ■ a três condutores: 440 V; 380 V; 220 V. ■ a dois condutores: 127 V; 220 V.

Sistemas de aterramento

A Norma Brasileira (NBR) 5410:2004 utiliza uma simbologia que classifica os sistemas de aterramento das instalações por meio de letras, conforme apresentado a seguir.

„ A primeira letra está relacionada à situação da alimentação em relação à terra, sendo: ■ T — um ponto diretamente aterrado; ■ I — isolação de todas as partes vivas em relação à terra ou aterra- mento de um ponto por meio de uma impedância. „ A segunda letra está relacionada à situação das massas em relação à terra, sendo: ■ T — massas diretamente aterradas, independentemente do aterra- mento eventual de um ponto de alimentação; ■ N — massas ligadas diretamente ao ponto de alimentação aterrado, sendo o ponto de aterramento, em corrente alternada, normalmente o ponto neutro. „ Eventuais letras relacionadas à disposição do condutor neutro e do condutor de proteção: ■ S — funções de neutro e de proteção garantidas por condutores diferentes; ■ C — funções de neutro e de proteção combinadas em um só condutor.

De acordo com a norma NBR 5410:2004, as instalações devem ser executadas seguindo os sistemas descritos a seguir. „ TN: possui um ponto diretamente aterrado, e as massas são ligadas a esse ponto por meio de condutores de proteção. Existem três tipos de sistemas TN: TN–S, TN–C e TN–C–S, de acordo com a disposição do condutor neutro e do condutor de proteção. „ TT: possui o ponto de alimentação da instalação diretamente aterrado, sendo as massas ligadas a eletrodos de aterramento independentes do eletrodo da alimentação. „ IT: nesse sistema, o ponto de alimentação não está diretamente aterrado.

Nesta seção, foram apresentados os vários tipos de sistemas de distri- buição e a forma de identificá-los. Na próxima seção, você vai verificar como dimensionar os diversos tipos de condutores.

Dimensionamento de condutores

A corrente elétrica flui através dos condutores , que, por essa razão, são constituídos de materiais de boa condutibilidade elétrica, como cobre e alumínio. Um fio é um condutor maciço cuja seção é circular e pode ter ou não isolamento. O cabo é um conjunto de fios encordoados não isolado. Podemos classificar os cabos basicamente em dois tipos (SILVA, 2015):

„ unipolares — são formados por um condutor com fios trançados com cobertura isolante (Figura 6a); „ multipolares — são formados por dois ou mais condutores isolados e protegidos por uma camada protetora comum (Figura 6b).

Figura 6 Cabos (a) unipolares e (b) multipolares. Fonte: Adaptada de Silva (2015).

Para se dimensionar um condutor previamente, deve ser realizada uma análise detalhada das condições de instalação e da carga que deve ser suprida. Caso um condutor seja mal dimensionado, vai implicar uma operação inade- quada da carga e vai representar um alto risco de incêndio. Para dimensionar um condutor, devemos levar em consideração:

„ a tensão e a frequência nominal; „ a potência ou corrente da carga a ser suprida; „ o fator de potência da carga; „ se o sistema é monofásico, bifásico ou trifásico; „ o método de instalação dos condutores; „ o tipo de carga — iluminação, motor, capacitor etc.; „ a distância da carga ao ponto de suprimento; e „ a corrente de curto-circuito.

A norma NBR 5410 se aplica às instalações elétricas de edificações, como residencial, comercial, pública, industrial, agropecuária etc., incluindo as pré- -fabricadas, e estabelece as condições que devem satisfazer as instalações elétricas de baixa tensão, para que seja garantida a segurança de pessoas e animais e também o funcionamento adequado da instalação e a conservação dos bens. O correto dimensionamento das instalações elétricas é fundamental para garantir a segurança, evitando o subdimensionamento dos condutores, o que evita riscos de incêndios e curtos, bem como para garantir economia, pois os condutores de maior seção são mais caros (MAMEDE FILHO, 2017).

Dimensionamento da seção mínima dos condutores de fase

Para se obter a seção mínima dos condutores elétricos, três critérios devem ser obedecidos de forma simultânea:

„ capacidade de condução de corrente ou ampacidade; „ limites de queda de tensão; „ capacidade de condução de corrente de curto-circuito por tempo limitado.

Na elaboração do projeto de instalações elétricas, os dois primeiros cri- térios são utilizados para dimensionar os condutores. Para dimensionar as proteções, por exemplo, na intensidade, devemos comparar os valores destas e os tempos de duração com os valores máximos que são permitidos pelo isolamento dos condutores que serão usados. Para o dimensionamento da seção mínima do condutor neutro , a NBR 5410 estabelece as regras descritas a seguir.

„ O condutor não deve ser comum a mais de um circuito. „ Nos circuitos monofásicos, a seção do condutor neutro deve ser igual à do condutor fase. „ A seção do condutor neutro em circuito com duas fases e neutro não pode ser menor do que a dos condutores de fase, porém, pode ser igual à dos condutores fase caso a taxa de terceira harmônica e seus múltiplos seja acima de 33%. Esses níveis de correntes harmônicas são obtidos por meio dos circuitos que alimentam equipamentos de tecnologia da informação, como os computadores. „ A seção do condutor neutro de um circuito trifásico não deve ser menor do que a dos condutores fase quando a taxa de terceira harmônica e seus múltiplos for acima de 15 %, mas pode ser igual à seção dos condutores fase quando a taxa de harmônica não for acima de 33 %. Esses níveis de corrente harmônica podem ser conseguidos nos cir- cuitos de iluminação por meio de lâmpadas de descarga, como vapor de mercúrio, vapor de sódio, vapor metálico e fluorescente. „ Caso a seção dos condutores fase de um circuito trifásico com neutro seja acima de 25 mm², a seção do condutor neutro pode ficar abaixo da seção dos condutores fase, limitada à seção indicada no Quadro 1, desde que três condições sejam simultaneamente satisfeitas (MAMEDE FILHO, 2017): ■ o circuito deve ser equilibrado, em serviço normal; ■ a corrente das fases não pode conter uma taxa de terceira harmônica e seus múltiplos acima de 15 %; e ■ o condutor neutro deve ser protegido contra sobrecorrente.

onde Fcn é o fator de correção de corrente de neutro, encontrado no Quadro 2, e Ic é a corrente de projeto , em valor eficaz, calculado de acordo com a equa- ção 2.

onde If é a corrente de carga ou de projeto na frequência fundamental e Ih é a corrente harmônica. Por exemplo: I 2 h + I 3 h + I 4 h + ... + IN correntes harmônicas de segunda, terceira e quarta ordem e de ordem N (MAMEDE FILHO, 2017).

Quadro 2. Fator de correção para determinação da corrente de neutro, de acordo com a NBR 5410

Taxa de terceira harmônica

Fator de correção Fator de correção

Circuito trifásico com neutro

Circuito com duas fases e neutro 35% a 35% 1,15 1, 36% a 40% 1,19 1, 41% a 45% 1,24 1, 46% a 50% 1,35 1, 51% a 55% 1,45 1, 56% a 60% 1,55 1, 61% a 65% 1,64 1, Superior a 66% 1,63 1,

Fonte: Adaptado de Associação Brasileira de Normas Técnicas (2004).

A seção de um condutor neutro não precisa ser superior à dos condutores fase, se a taxa de terceira harmônica estiver superior a 15% e inferior a 33%, como acontece nos circuitos de iluminação com o uso de reatores eletrônicos. A corrente do condutor neutro de um circuito polifásico desequilibrado pode ser encontrada por meio da equação 3.

onde Ia , Ib e Ic são as correntes que circulam nas fases A, B e C, respectiva- mente, em A, e In é a corrente que circula no condutor neutro, em A. Caso um circuito seja totalmente equilibrado, ou seja, as correntes de fase sejam iguais, o valor de In é igual a zero.

Vamos calcular o valor da corrente que circula no condutor neutro de um sistema trifásico a quatro fios que alimenta somente cargas monofásicas e que possui os seguintes valores de correntes: Ia = 30 A, Ib = 50 A e Ic = 65 A. Para o cálculo de In , vamos substituir os valores das correntes na equação:

Para os circuitos polifásicos e circuitos monofásicos a três condutores, para dimensionar o neutro, deve-se considerar a carga da fase mais carregada, a partir da seção de fase de 25mm². O valor da corrente que determina o valor da seção do neutro é calculado por meio da equação 4.

= × cos (A) (4)

onde Dcn é a demanda de carga monofásica correspondente à fase mais car- regada, em W, e Vfn é a tensão entre fase e neutro , em V (MAMEDE FILHO, 2017).

„ Para condutores de proteção nus, em que não haja risco de que as temperaturas indicadas possam danificar qualquer material adjacente: ■ visíveis, em áreas restritas e com temperaturas com valor máximo de 500°C, o valor de k é de 228; ■ em condições normais e temperatura máxima de 200°C, o valor de k é de 159; ■ risco de incêndio e temperatura máxima de 150°C, o valor de k é de 138.

A seção mínima do condutor de proteção pode ser dada em função da seção dos condutores fase do circuito, de acordo com o Quadro 3 (MAMEDE FILHO, 2017).

Quadro 3. Seção mínima dos condutores de proteção, de acordo com a NBR 5410

Seção mínima dos condutores de fase (mm^2 )

Seção mínima dos condutores de proteção (mm^2 ) S ≤ 16 S 16 < S ≤ 35 16 S > 35 0,5 X S

Fonte: Adaptado de Associação Brasileira de Normas Técnicas (2004).

O valor da temperatura inicial considerada é de 30°C. Os condutores de proteção nunca devem ser seccionados, e somente fios ou cabos condutores devem ser utilizados para as funções combinadas de condutor de proteção e neutro. A Figura 8 apresenta a utilização do condutor de proteção, do condutor de aterramento e da malha de terra (MAMEDE FILHO, 2017).

Figura 8. Sistema de aterramento industrial. Fonte: Mamede Filho (2017, p. 187).

Barra de proteção de terra Cabo da malha de terra (^) Malha de terra

Condutor de aterramento

QGF Condutor de proteção principal

CCM

Haste de terra

QDL

M2 (motor)

M1 (motor)

Condutor de proteção

Condutor de proteção

Quando um condutor de proteção estiver junto em um mesmo conduto dos condutores fase, e sua seção for dimensionada para a mais crítica corrente de curto-circuito estimada e o mais longo tempo de atuação do dispositivo de seccionamento automático, ou ainda determinada de acordo com o Quadro 3, ele pode ser mais comum a vários circuitos de distribuição ou terminais. Se o condutor de proteção não fizer parte do mesmo cabo ou do mesmo invólucro dos condutores fase, a sua seção não deverá ser inferior a 2,5 mm^2 , se for protegido mecanicamente, e 4 mm², se não for protegido mecanicamente. Alguns elementos podem ser usados como condutor de proteção, como: veias de cabos multipolares, condutores isolados ou cabos unipolares em um invólucro comum ao dos condutores vivos, armações, coberturas metálicas ou blindagens de cabos, bem como eletrodutos metálicos e outros condutos metálicos, desde que a sua continuidade elétrica seja assegurada dentro das condições normativas e que a sua condutância seja pelo menos igual àquela prevista na referida norma. As armações de ferro do concreto armado podem ser utilizadas como condutor de proteção, desde que obedeçam a algumas condições, mas nunca devem ser aplicadas na função combinada de neutro e de condutor de proteção. Não podem ser usadas como condutor de proteção: as canalizações me- tálicas de água e gás, as tubulações de água, gases ou líquidos combustíveis ou inflamáveis, os elementos de construção sujeitos a esforços mecânicos em serviço normal, os eletrodutos flexíveis — exceto quando concebidos para esse fim —, as armaduras de concreto e as estruturas e os elementos metálicos da edificação. Os condutores de equipotencialidade da ligação equipotencial

Método de instalação Descrição

Método de referência a se utilizar para a capacidade de condução de corrente 5 Três cabos unipolares justapostos (na horizontal ou em trifólio) e um cabo tripolar em eletroduto ao ar livre

E

6 Três cabos unipolares justapostos (na horizontal ou em trifólio) e um cabo tripolar em banco de dutos ou eletroduto enterrado no solo

F

7 Três cabos unipolares em banco de dutos ou eletrodutos enterrados e espaçados — um cabo por duto ou eletroduto não condutor

G

8 Três cabos unipolares justapostos (na horizontal ou em trifólio) e um cabo tripolar diretamente enterrados

H

9 Três cabos unipolares espaçados diretamente enterrados

I

Fonte: Adaptado de Associação Brasileira de Normas Técnicas (2003).

Quadro 5. Métodos de referência, de acordo com a NBR 14039

Descrição

Método de referência a utilizar para a capacidade de condução de corrente Cabos unipolares justapostos (na horizontal ou em trifólio) e cabos tripolares ao ar livre

A

Cabos unipolares espaçados ao ar livre B Cabos unipolares justapostos (na horizontal ou em trifólio) e cabos tripolares em canaleta fechada no solo

C

(Continuação)

(Continua)

Descrição

Método de referência a utilizar para a capacidade de condução de corrente Cabos unipolares espaçados em canaleta fechada no solo

D

Cabos unipolares justapostos (na horizontal ou em trifólio) e cabos tripolares em eletroduto ao ar livre

E

Cabos unipolares justapostos (na horizontal ou em trifólio) e cabos tripolares em banco de dutos ou eletrodutos enterrado no solo

F

Cabos unipolares em banco de dutos ou eletrodutos enterrados e espaçados — um cabo por duto ou eletroduto não condutor

G

Cabos unipolares justapostos (na horizontal ou em trifólio) e cabos tripolares diretamente enterrados

H

Cabos unipolares espaçados diretamente enterrados

I

Fonte: Adaptado de Associação Brasileira de Normas Técnicas (2003).

A seguir, são apresentadas algumas condições previstas na NBR 14039: (MAMEDE FILHO, 2017).

„ Nos métodos A e B, o cabo é instalado com convecção livre, sendo a distância a qualquer superfície adjacente no mínimo 0,5 vez o diâmetro externo do cabo, para cabo unipolar, ou no mínimo 0,3 vez o diâmetro externo do cabo, para cabo tripolar. „ Nos métodos C e D, o cabo é instalado em canaleta fechada com 50 cm de largura e 50 cm de profundidade, sendo a distância a qualquer superfície adjacente no mínimo 0,5 vez o diâmetro externo do cabo, para cabo unipolar, ou no mínimo 0,3 vez o diâmetro externo do cabo, para cabo tripolar. „ No método E, o cabo é instalado em um eletroduto não condutor, e a distância a qualquer superfície adjacente deve ser de no mínimo 0,3 vez o diâmetro externo do eletroduto, sem levar em consideração o efeito da radiação solar direta.

(Continuação)