Seleção e Configuração de Disjuntores: Um Guia Completo de Parâmetros Básicos à Proteção Seletiva
Classificação dos Disjuntores
(1) Disjuntor Aéreo (ACB)
Um disjuntor aéreo, também conhecido como disjuntor moldado ou universal, abriga todos os componentes em um quadro metálico isolado. É tipicamente do tipo aberto, permitindo a instalação de vários acessórios e facilitando a substituição de contatos e peças. É comumente usado como o interruptor principal de fornecimento de energia. As unidades de desarme por sobrecorrente incluem tipos eletromagnéticos, eletrônicos e inteligentes. O disjuntor oferece proteção em quatro estágios: atraso longo, atraso curto, instantâneo e proteção contra falha à terra. Cada configuração de proteção pode ser ajustada dentro de uma faixa com base no tamanho do quadro.
Os disjuntores aéreos são adequados para corrente alternada de 50Hz, tensões nominais de 380V ou 660V e correntes nominais de 200A a 6300A em redes de distribuição. Eles são principalmente usados para distribuir energia elétrica e proteger circuitos e equipamentos de potência contra sobrecargas, subtensão, curtos-circuitos, aterramento monofásico e outras falhas. Esses disjuntores oferecem múltiplas funções de proteção inteligente e permitem proteção seletiva. Em condições normais, podem ser usados para comutação não frequente de circuitos. ACBs com classificações de até 1250A podem ser usados em redes de 50Hz, 380V para proteger motores contra sobrecarga e curto-circuito.
Os disjuntores aéreos também são comumente usados como interruptores principais no lado de 400V dos transformadores, interruptores de barramento, interruptores de alimentação de alta capacidade e interruptores de controle de motores grandes.
(2) Disjuntor Moldado (MCCB)
Também conhecido como disjuntor plug-in, o disjuntor moldado abriga terminais, contatos, câmaras de extinção de arco, unidades de desarme e mecanismos de operação em uma carcaça de plástico. Contatos auxiliares, unidades de desarme por subtensão e unidades de desarme paralelo geralmente são modulares. A estrutura é compacta e a manutenção geralmente não é considerada. É adequado para proteção de circuitos secundários. Os disjuntores moldados geralmente incluem unidades de desarme termomagnéticas, enquanto modelos maiores podem ser equipados com sensores de desarme sólidos-estados.
As unidades de desarme por sobrecorrente para MCCBs estão disponíveis em tipos eletromagnéticos e eletrônicos. Geralmente, os MCCBs eletromagnéticos são não seletivos e fornecem apenas proteção de atraso longo e instantânea. Os MCCBs eletrônicos oferecem quatro funções de proteção: atraso longo, atraso curto, instantâneo e proteção contra falha à terra. Alguns novos MCCBs eletrônicos também apresentam intertravamento seletivo por zona.
Os disjuntores moldados são geralmente usados para controle e proteção de circuitos de alimentação, interruptores principais no lado de baixa tensão de pequenos transformadores de distribuição, controle de distribuição de energia terminal e como interruptores de energia para várias máquinas de produção.
(3) Mini Disjuntor (MCB)
O mini disjuntor é o dispositivo de proteção terminal mais amplamente utilizado em sistemas de distribuição elétrica de edifícios. Ele é usado para proteção contra curtos-circuitos, sobrecargas e sobretensão em circuitos monofásicos e trifásicos de até 125A, e vem em configurações de um polo (1P), dois polos (2P), três polos (3P) e quatro polos (4P).
Um MCB consiste em um mecanismo de operação, contatos, dispositivos de proteção (várias unidades de desarme) e um sistema de extinção de arco. Os contatos principais são fechados manualmente ou eletricamente. Após o fechamento, um mecanismo de desarme livre trava os contatos na posição fechada. A bobina da unidade de desarme por sobrecorrente e o elemento aquecedor da unidade de desarme térmico são conectados em série com o circuito principal, enquanto a bobina da unidade de desarme por subtensão está conectada em paralelo com a fonte de alimentação.
No design elétrico de edifícios civis, os mini disjuntores são primariamente usados para proteção e operação, tais como sobrecarga, curto-circuito, sobrecorrente, perda de tensão, subtensão, aterramento, vazamento, transferência automática de fontes de energia duplas e partida de motores não frequente.
Parâmetros Característicos Básicos dos Disjuntores
(1) Tensão Nominal de Operação (Ue)
A tensão nominal de operação é a tensão nominal do disjuntor, sob a qual o disjuntor pode operar continuamente sob condições normais de serviço e desempenho especificadas.
Na China, para níveis de tensão de até 220kV, a tensão máxima de operação é 1,15 vezes a tensão nominal do sistema; para 330kV e acima, a tensão máxima de operação é 1,1 vezes a tensão nominal. O disjuntor deve manter a isolação e ser capaz de fechar e interromper sob a tensão máxima de operação do sistema.
(2) Corrente Nominal (In)
A corrente nominal é a corrente que a unidade de desarme pode suportar continuamente em uma temperatura ambiente inferior a 40°C. Para disjuntores com unidades de desarme ajustáveis, refere-se à corrente máxima que a unidade de desarme pode suportar continuamente.
Quando usado em temperaturas ambientais acima de 40°C, mas não excedendo 60°C, o disjuntor pode operar com carga reduzida para serviço de longo prazo.
(3) Configuração de Corrente de Desarme por Sobrecarga (Ir)
Quando a corrente excede a configuração Ir da unidade de desarme, o disjuntor dispara após um atraso. Também representa a corrente máxima que o disjuntor pode suportar sem disparar. Este valor deve ser maior que a corrente de carga máxima Ib, mas menor que a corrente máxima permitida Iz do circuito.
Para unidades de desarme termomagnéticas, Ir é geralmente ajustável entre 0,7–1,0In. Para unidades de desarme eletrônicas, a faixa de ajuste é geralmente mais ampla, tipicamente 0,4–1,0In. Para disjuntores com unidades de desarme por sobrecorrente não ajustáveis, Ir = In.
(4) Configuração de Corrente de Desarme por Curto-Circuito (Im)
A unidade de desarme por curto-circuito (instantâneo ou atraso curto) faz com que o disjuntor dispare rapidamente quando ocorrem correntes de falha elevadas. Seu limiar de disparo é Im.
(5) Corrente Nominal de Resistência ao Curto-Circuito (Icw)
Este é o valor de corrente permitido para passar pelo condutor por um período especificado sem causar danos devido ao superaquecimento.
(6) Capacidade de Interrupção
A capacidade de interrupção de um disjuntor refere-se à sua capacidade de interromper correntes de falha de forma segura, que não está necessariamente relacionada à sua corrente nominal. Classificações comuns incluem 36kA e 50kA. Geralmente é dividida em capacidade de interrupção de curto-circuito final (Icu) e capacidade de interrupção de curto-circuito de serviço (Ics).
Princípios Gerais para Seleção de Disjuntores
Primeiro, selecione o tipo e o número de polos com base na aplicação; em seguida, selecione a corrente nominal com base na corrente de operação máxima; finalmente, escolha o tipo de unidade de desarme e acessórios. Os requisitos específicos são os seguintes:
A tensão nominal de operação do disjuntor ≥ tensão nominal da linha.
A capacidade nominal de fechamento/interrupção de curto-circuito do disjuntor ≥ corrente de carga calculada da linha.
A capacidade nominal de fechamento/interrupção de curto-circuito do disjuntor ≥ corrente de curto-circuito máxima possível na linha (geralmente calculada como valor eficaz).
Corrente de curto-circuito monofásico para a terra no final da linha ≥ 1,25 vezes a configuração de desarme instantâneo (ou atraso curto) do disjuntor.
A tensão nominal da unidade de desarme por subtensão = tensão nominal da linha.
A tensão nominal da unidade de desarme paralelo = tensão de alimentação de controle.
A tensão nominal de operação do mecanismo de operação elétrico = tensão de alimentação de controle.
Quando usado em circuitos de iluminação, a configuração de desarme instantâneo da unidade de desarme eletromagnética é geralmente 6 vezes a corrente de carga.
Quando usando um disjuntor para proteção de curto-circuito de um único motor, a configuração de desarme instantâneo é 1,35 vezes a corrente de partida do motor (para a série DW) ou 1,7 vezes (para a série DZ).
Quando usando um disjuntor para proteção de curto-circuito de vários motores, a configuração de desarme instantâneo é 1,3 vezes a corrente de partida do maior motor mais as correntes de operação dos demais motores.
Quando usando um disjuntor como o interruptor principal no lado de baixa tensão de um transformador de distribuição, sua capacidade de interrupção deve exceder a corrente de curto-circuito no lado de baixa tensão do transformador. A corrente nominal da unidade de desarme não deve ser inferior à corrente nominal do transformador. A configuração de proteção contra curto-circuito é geralmente 6–10 vezes a corrente nominal do transformador; a configuração de proteção contra sobrecarga é igual à corrente nominal do transformador.
Após a seleção preliminar do tipo e classificação do disjuntor, é necessário coordenar com dispositivos de proteção upstream e downstream para evitar desarmes em cascata e minimizar a escala do acidente.
Seletividade dos Disjuntores
Em sistemas de distribuição, os disjuntores são classificados como seletivos ou não seletivos com base no desempenho de proteção. Disjuntores de baixa tensão seletivos têm proteção em duas etapas ou três etapas. As características instantâneas e de atraso curto são usadas para proteção contra curto-circuito, enquanto as características de atraso longo são usadas para proteção contra sobrecarga. Disjuntores não seletivos são tipicamente instantâneos, usados apenas para proteção contra curto-circuito, ou de atraso longo, usados apenas para proteção contra sobrecarga.
Em sistemas de distribuição, se o disjuntor upstream for seletivo e o downstream for não seletivo ou seletivo, a seletividade é alcançada utilizando o atraso da unidade de desarme de atraso curto ou diferenças nas configurações de atraso. Quando o disjuntor upstream opera com atraso, considere o seguinte:
Independentemente de o disjuntor downstream ser seletivo ou não, a configuração de desarme por sobrecorrente instantânea do disjuntor upstream geralmente deve ser não inferior a 1,1 vezes a corrente de curto-circuito trifásico máxima na saída do disjuntor downstream.
Se o disjuntor downstream for não seletivo, para evitar que a unidade de desarme por sobrecorrente de atraso curto do disjuntor upstream opere primeiro devido à insuficiente sensibilidade da unidade de desarme instantâneo do downstream durante um curto-circuito, a configuração de desarme por sobrecorrente de atraso curto do disjuntor upstream geralmente deve ser não inferior a 1,2 vezes a configuração de desarme instantâneo do disjuntor downstream.
Se o disjuntor downstream também for seletivo, para garantir a seletividade, o tempo de operação de atraso curto do disjuntor upstream deve ser pelo menos 0,1 segundo mais longo que o do disjuntor downstream.
Geralmente, para garantir a operação seletiva entre disjuntores de baixa tensão upstream e downstream, o disjuntor upstream deve preferencialmente ter uma unidade de desarme por sobrecorrente de atraso curto, e sua corrente de operação deve ser pelo menos um nível superior à da unidade de desarme downstream. No mínimo, a corrente de operação Iop.1 do upstream deve ser não inferior a 1,2 vezes a corrente de operação Iop.2 do downstream, ou seja, Iop.1 ≥ 1,2Iop.2.
Proteção em Cascata de Disjuntores
No projeto de sistemas de distribuição, a coordenação entre disjuntores upstream e downstream deve atingir "seletividade, velocidade e sensibilidade". A seletividade está relacionada à coordenação entre disjuntores, enquanto a velocidade e a sensibilidade estão associadas às características do dispositivo de proteção e ao modo de operação do circuito.
A coordenação adequada entre disjuntores upstream e downstream permite o isolamento seletivo do circuito com falha, garantindo a continuidade da operação normal dos demais circuitos não afetados. Uma coordenação inadequada afeta a confiabilidade do sistema.
A proteção em cascata é uma aplicação prática das características limitadoras de corrente dos disjuntores. Seu princípio principal é utilizar o efeito limitador de corrente do disjuntor upstream (QF1), o que permite a seleção de um disjuntor downstream (QF2) com capacidade de interrupção inferior, reduzindo assim o custo. O disjuntor upstream QF1, limitador de corrente, pode interromper a corrente de curto-circuito máxima prospectiva em seu ponto de instalação. Como os disjuntores upstream e downstream estão conectados em série, quando ocorre um curto-circuito na saída do disjuntor downstream QF2, a corrente de curto-circuito real é significativamente reduzida pelo efeito limitador de corrente de QF1, ficando bem abaixo da corrente de curto-circuito prospectiva nesse ponto. Assim, a capacidade de interrupção de QF2 é efetivamente aumentada por QF1, excedendo sua capacidade de interrupção nominal.
A proteção em cascata tem certas condições: por exemplo, circuitos adjacentes não devem ter cargas críticas (pois o disparo de QF1 também desenergizaria o circuito de QF3), e as configurações instantâneas de QF1 e QF2 devem ser adequadamente combinadas. Os dados de cascata só podem ser determinados experimentalmente, e a coordenação entre disjuntores upstream e downstream deve ser fornecida pelo fabricante.
Sensibilidade dos Disjuntores
Para garantir o funcionamento confiável da unidade de desarme por sobrecorrente instantânea ou de atraso curto em condições mínimas de operação do sistema e durante a falha de curto-circuito mais branda em sua faixa de proteção, a sensibilidade do disjuntor deve atender aos requisitos do "Código de Design de Distribuição Elétrica de Baixa Tensão" (GB50054-95), que especifica uma sensibilidade de pelo menos 1,3, ou seja, Sp = Ik.min / Iop ≥ 1,3. Aqui, Iop é a corrente de operação da unidade de desarme por sobrecorrente instantânea ou de atraso curto, Ik.min é a corrente de curto-circuito monofásico ou bifásico no final da linha protegida em condições mínimas de operação do sistema, e Sp é a sensibilidade do disjuntor.
Ao selecionar um disjuntor, sua sensibilidade também deve ser verificada. Para disjuntores seletivos com unidades de desarme por sobrecorrente de atraso curto e instantâneo, apenas a sensibilidade da unidade de desarme de atraso curto precisa ser verificada; a sensibilidade da unidade de desarme instantâneo não requer verificação.
Seleção e Configuração das Unidades de Desarme dos Disjuntores
(1) Configuração da Corrente de Operação da Unidade de Desarme por Sobrecorrente Instantânea
Alguns equipamentos elétricos protegidos pelo disjuntor têm correntes de pico elevadas durante a partida, várias vezes a corrente nominal, fazendo com que o disjuntor experimente correntes de pico brevemente. A corrente de operação Iop(o) da unidade de desarme por sobrecorrente instantânea deve exceder a corrente de pico do circuito Ipk, ou seja, Iop(o) ≥ Krel·Ipk, onde Krel é o fator de confiabilidade. Ao selecionar um disjuntor, garanta que a configuração de desarme por sobrecorrente instantânea exceda a corrente de pico para evitar disparos indesejados.
(2) Configuração da Corrente de Operação e Tempo da Unidade de Desarme por Sobrecorrente de Atraso Curto
A corrente de operação Iop(s) da unidade de desarme por sobrecorrente de atraso curto também deve exceder a corrente de pico do circuito Ipk, ou seja, Iop(s) ≥ Krel·Ipk, onde Krel é o fator de confiabilidade. Os tempos de desarme de atraso curto geralmente são 0,2s, 0,4s ou 0,6s, determinados com base na seletividade com dispositivos de proteção upstream e downstream, garantindo que o dispositivo upstream opere posteriormente ao downstream por um passo de tempo.
(3) Configuração da Corrente de Operação e Tempo da Unidade de Desarme por Sobrecorrente de Atraso Longo
A unidade de desarme por sobrecorrente de atraso longo é primariamente usada para proteção contra sobrecarga. Sua corrente de operação Iop(l) precisa apenas exceder a corrente de carga máxima do circuito (corrente calculada I30), ou seja, Iop(l) ≥ Krel·I30, onde Krel é o fator de confiabilidade. O tempo de operação deve exceder a duração das sobrecargas de curta duração permitidas para evitar disparos indesejados.
(4) Requisitos de Coordenação Entre a Corrente de Operação da Unidade de Desarme por Sobrecorrente e o Circuito Protegido
Para prevenir danos à isolação ou incêndio devido a sobrecargas ou curtos-circuitos sem o disjuntor disparar, a corrente de operação Iop da unidade de desarme por sobrecorrente deve satisfazer a condição: Iop ≤ Kol·Ial. Aqui, Ial é a capacidade de condução de corrente permitida do cabo isolado; Kol é o fator de sobrecarga de curta duração permitido—geralmente 4,5 para unidades de desarme instantâneo e de atraso curto, 1,1 para unidades de desarme de atraso longo usadas para proteção contra curto-circuito, e 1,0 quando usadas apenas para proteção contra sobrecarga. Se este requisito de coordenação não for atendido, a configuração da unidade de desarme deve ser ajustada, ou a seção transversal do condutor ou cabo deve ser aumentada apropriadamente.
