Baixe 2.9.7. Dimensionamento dos Eletrodutos e outras Notas de estudo em PDF para Cálculo, somente na Docsity!
2.9.7. Dimensionamento dos Eletrodutos
2.9.7.1. Introdução
O componente de uma instalação que propicia um meio envoltório, ou invólucro, aos condutores elétricos é chamado conduto. Dentre os diversos tipos de condutos, destacam-se os eletrodutos, como aqueles que têm maior aplicação nas instalações elétricas, sobretudo, podemos encontrar outros tipos de condutos, tais como calhas, bandejas metálicas, prateleiras, blocos alveolados, canaletas, etc.
Os eletrodutos têm as seguintes funções numa instalação elétrica:
- Propiciar aos condutores proteção mecânica;
- Propiciar aos condutores proteção contra ataques do meio ambiente, sobretudo contra corrosão ou ataques químicos oriundos de ações da atmosfera ou agentes agressivos dispersos no meio ambiente (sais, ácidos, gases, óleos, etc.);
- Fornecer ao meio uma proteção contra os perigos de incêndio resultantes de eventuais superaquecimentos dos condutores ou arcos voltaicos;
- Proporcionar aos condutores um envoltório metálico aterrado (no caso de eletrodutos metálicos), a fim de evitar perigos de choque elétrico. Os eletrodutos podem ser classificados de diversas formas, segundo o seu tipo: a) Quanto ao material:
- Não metálicos: PVC, plástico com fibra de vidro, polipropileno, polietileno de alta densidade e fibrocimento;
- Metálicos: aço carbono galvanizado ou esmaltado, alumínio e flexíveis de cobre espiralado. b) Quanto à flexibilidade:
- Rígidos;
- Flexíveis. c) Quanto à forma de conexão:
- Roscáveis;
- Soldáveis. d) Quanto à espessura da parede:
- Leve;
- Semipesado;
- Pesado.
Fig. 2.28 Detalhe do eletroduto e luva de PVC rígido roscável. O eletroduto de PVC rígido roscável é o tipo mais utilizado em instalações prediais, embutidos em paredes, lajes de concreto ou enterrados no solo.
A fixação dos eletrodutos às caixas de passagem e de ligação dos aparelhos se dá por meio de buchas e arruelas.
Em instalações aparentes são utilizadas braçadeiras, espaçadas conforme as distâncias máximas estabelecidas na NBR 5410, de forma a garantir a perfeita ancoragem dos eletrodutos às superfícies de apoio.
2.9.7.2. Instalação de Condutores nos Eletrodutos
A NBR 5410 estabelece as seguintes prescrições: Os eletrodutos, calhas e blocos alveolados podem conter condutores de mais de um circuito, nos seguintes casos:
- Quando as três condições seguintes forem simultaneamente atendidas: − Os circuitos pertençam à mesma instalação, isto é, originem-se do mesmo dispositivo geral de manobra e proteção, sem a interposição de equipamentos que transformem a corrente elétrica; − As seções nominais dos condutores fase estejam contidas em um intervalo de três valores normalizados sucessivos; − Os condutores isolados e os cabos isolados tenham a mesma temperatura máxima para serviço contínuo.
- No caso dos circuitos de força e de comando e ou sinalização de um mesmo equipamento: − Nos eletrodutos, só devem ser instalados condutores isolados, cabos unipolares ou cabos multipolares, admitindo-se a utilização de condutor nu em eletroduto isolante exclusivo, quando tal condutor destinar-se a aterramento.
2.9.7.3. Taxa Máxima de Ocupação dos Eletrodutos
As dimensões internas dos eletrodutos e respectivos acessórios de ligação devem permitir instalar e retirar facilmente os condutores ou cabos após a instalação dos eletrodutos e acessórios. Desta forma, a taxa máxima de ocupação em relação à área de seção transversal dos eletrodutos não deverá ser superior a:
− 53 % no caso de um condutor ou cabo; − 31 % no caso de dois condutores ou cabos; − 40 % no caso de três ou mais condutores ou cabos.
2.9.7.4. Dimensionamento de Eletrodutos
Roteiro para Dimensionamento de Eletrodutos
a. Determina-se a seção total ocupada pelos condutores, aplicando-se tabelas de fabricantes de condutores e cabos (Tabela 2.29);
b. Determina-se o diâmetro externo nominal do eletroduto (mm), entrando-se nas tabelas de fabricantes de eletrodutos (Tabela 2.30 e Tabela 2.31) com o valor encontrado no item ‘a’ anterior;
c. Caso os condutores instalados em um mesmo eletroduto sejam do mesmo tipo e tenham seções nominais iguais, podem-se eliminar os itens ‘a’ e ‘b’, encontrando-se o diâmetro externo nominal do eletroduto em função da quantidade e seção dos condutores, diretamente por tabelas específicas (Tabela 2.32 e Tabela 2.33).
Tabela 2.32 – Ocupação máxima dos eletrodutos de PVC por condutores de mesma bitola – Fios ou cabos unipolares
Tabela 2.33 – Ocupação máxima dos eletrodutos de aço por condutores de mesma bitola – Fios ou cabos unipolares
Exemplo: (1) Dimensionar o trecho de eletroduto de PVC rígido roscável, mostrado na figura abaixo, no qual deverão ser instalados os seguintes circuitos:
− Circuito 1: 2 # 4 mm^2 T 4 mm^2 ; − Circuito 2: 3 # 6 mm^2 (6 mm^2 ) T 6 mm^2 ; − Circuito 3: # 2,5 mm^2 (2,5 mm^2 );
_Solução: a) Seção total ocupada pelos condutores: Pela tabela 8.1 temos:
2,5 mm_^2 : 9,1 mm^2
# 4 mm^2 : 11,9 mm^2 # 6 mm^2 : 15,2 mm^2 Logo a área dos condutores vale 2. 9,1 + 3. 11,9 + 5. 15,2 = 129, 9 mm^2_. b) Diâmetro nominal do eletroduto. Entrando com o valor de 129,9 mm_^2 na tabela , coluna de 40 % de ocupação, teremos o eletroduto de PVC de diâmetro nominal 25 mm^2_._
2.9.7.5. Caixas de Derivação
As caixas têm as funções de abrigar equipamentos, abrigar emendas de condutores, limitar o comprimento de trechos de tubulação, ou ainda, limitar o número de curvas entre os diverso trechos de uma tubulação.
A NBR 5410 estabelece as seguintes recomendações para a instalação das caixas de derivação ou de passagem que interligam os diversos trechos de uma tubulação:
− Não haja trechos contínuos (sem interposição de caixas ou equipamentos) retilíneos de tubulação maiores que 15 metros, sendo que, nos trechos com curvas, essa distância deve ser reduzida de 3 metros para cada curva de 90º. Nota: Quando o ramal de eletrodutos passar obrigatoriamente através de locais onde não seja possível o emprego de caixa de derivação, a distância prescrita no item anterior pode ser aumentada, desde que: a) seja calculada a distância máxima permissível (levando-se em conta o número de curvas de 90º necessárias); e, b) para cada 6 metros, ou fração, de aumento dessa distância, utilize-se eletroduto de tamanho nominal, imediatamente superior ao do eletroduto que normalmente seria empregado para a quantidade e tipo de condutores ou cabos. − Em cada trecho de tubulação, entre duas caixas, entre extremidades ou entre extremidade e caixa, podem ser previstas, no máximo, três curvas de 90º ou seu equivalente até, no máximo, 270º. Em nenhuma hipótese, podem ser previstas curvas com deflexão superior a 90º.
# 25 mm^2 : 56,7 mm^2 # 35 mm^2 : 71,0 mm^2 # 50 mm^2 : 104,0 mm^2 Logo a área dos condutores vale 2. 37,4 + 6. 56,7 + 3. 71 + 3 .104 = 940 mm^2_. Pela tabela 8.2, coluna 40 %, teríamos um eletroduto de PVC de 75 mm. Considerando o efeito do comprimento e curvas, teremos: Comprimento total: 11,8 m Número de curvas: 3 Distância máxima permitida, entre caixas, considerando as três curvas: Lmax = 15m – 3.(3m) = 6m Porém: Lreal – Lmax = 11,8 – 6 = 5,8 m Logo: A = 5,8 m / 6 m = 0,97 aumentos de 6 m => 1 aumento_ Conclusão: Consultando as tabelas comerciais de eletrodutos (Tabela 8.2), vemos que o primeiro diâmetro nominal acima de 75 mm é o diâmetro de 85 mm, sendo este o eletroduto que será utilizado para interligar as caixas CP-1 e CP-2.
2.9.8. Proteção em Instalações Elétricas
2.9.8.1. Prescrições fundamentais da NBR 5410
A NBR 5410 estabelece as prescrições fundamentais destinadas a garantir a segurança de pessoas, de animais domésticos e de bens, contra os perigos e danos que possam resultar da utilização das instalações elétricas em condições que possam ser previstas.
Proteção contra choques elétricos: − Proteção contra contatos diretos; − Proteção contra contatos indiretos; Proteção contra efeitos térmicos: − Proteção contra riscos de incêndio de materiais inflamáveis devido a temperaturas elevadas ou arcos elétricos. Além disso, em condições normais, devem oferecer proteção contra queimaduras às pessoas e aos animais domésticos. Proteção contra sobrecorrentes: − Proteção contra correntes de sobrecarga; − Proteção contra correntes de curto-circuito. Proteção contra sobretensões: − Sobretensões provenientes de descargas atmosféricas; − Sobretensões em conseqüência de manobras na instalação ou do sistema elétrico. Conforme as prescrições da norma NBR 5410, neste item serão estudadas as proteções contra sobrecorrentes, choques elétricos e efeitos térmicos.
2.9.8.2. Terminologia
Sobrecorrentes : são correntes elétricas cujos valores excedem o valor da corrente nominal. As sobrecorrentes são originadas por:
− Solicitação do circuito acima das características de projeto (sobrecargas); − Falta elétrica (curto-circuito). Correntes de sobrecarga : são caracterizadas pelos seguintes fatores: − Provocam, no circuito, correntes superiores à corrente nominal; − Solicitações dos equipamentos acima de suas capacidades nominais; − Cargas de potência nominal acima dos valores previstos no projeto. As sobrecargas são extremamente prejudiciais ao sistema elétrico, que provocam elevação da corrente do circuito a valores que podem chegar até, no máximo, dez vezes a corrente nominal, produzindo, com isso, efeitos térmicos altamente danosos aos circuitos. Correntes de curto-cicuito : são provenientes de falhas ou defeitos graves na instalação, tais como:
− Falha ou rompimento da isolação entre fase e terra; − Falha ou rompimento da isolação entre fase e neutro; − Falha ou rompimento da isolação entre fases distintas. As correntes de curto-circuito são extremamente elevadas, na ordem de 1000% a 10000% do valor da corrente nominal do circuito.
2.9.8.3. Proteção contra Sobrecorrentes
Disjuntores Termomagnéticos : são dispositivos que garantem simultaneamente, a manobra e a proteção contra correntes de sobrecarga e contra correntes de curto-circuito.
Numa instalação elétrica, residencial, comercial ou industrial, o importante é garantir as condições ideais de funcionamento do sistema sob quaisquer condições de operação, protegendo os equipamentos e a rede elétrica de acidentes provocados por alteração de corrente.
Em resumo, os disjuntores cumprem três funções básicas: − Abrir e fechar os circuitos (manobra); − Proteger a fiação, ou mesmo os aparelhos, contra sobrecarga, através do seu dispositivo térmico; − Proteger a fiação contra curto-circuito, através do seu dispositivo magnético. Os disjuntores termomagnéticos (DTM) devem ser ligados aos condutores fase do circuito e apresentam a vantagem de permitir o religamento sem necessidade de substituição de componentes.
Caso o defeito na rede persistir no momento do religamento, o disjuntor desligará novamente, não devendo ser manobrado até que se elimine o problema do circuito.
Funcionamento dos Disjuntores : O disjuntor mais utilizado para proteção e manobra de circuitos de iluminação e tomadas é do tipo quick-lag, o qual um disparador ou dispositivo de proteção térmica funciona de acordo com o princípio do bimetal, cujo princípio basea-se na dilatação de duas lâminas de metais diferentes (aço e latão, por exemplo), portanto com coeficientes de dilatação distintos, desligando o circuito na eventualidade de uma sobrecarga. No caso de ocorrer um curto- circuito, a proteção far-se-á através de um disparador magnético bobinado.
ENE065 - Instalações Elétricas I - Prof. Flávio Vanderson
Fig. 2.29 Condições de proteção contra sobrecargas. O valor da corrente convencional de atuação I 2 é obtido através da Tabela 2.34. Tabela 2.34 – Tempos e correntes convencionais de atuação (I 2 ) para disjuntores termomagnéticos (NBR 5361).
Roteiro de Dimensionamento dos Dispositivos de Proteção Contra Curtos-Circuitos : A NBR 5410 estabelece que os condutores vivos devam ser protegidos por um ou mais dispositivos de seccionamento automático contra sobrecargas e contra curtos-circuitos.
A NBR 5410 estabelece que devam ser previstos dispositivos de proteção para interromper toda corrente de curto-circuito nos condutores dos circuitos, antes que os efeitos térmicos e mecânicos dessa corrente possam tornar-se perigosos aos condutores e suas ligações.
As correntes presumidas de curto-circuito devem ser determinadas em todos os pontos da instalação julgados necessários, nos quais serão aplicados os dispositivos de proteção.
Recomendações: a. O dispositivo de proteção deve ter capacidade de ruptura compatível com a corrente de curto-circuito presumida no ponto de sua instalação: I (^) R ≥ ICS
b. O dispositivo de proteção deve ser rápido o suficiente para que os condutores do circuito não ultrapassem a temperatura limite: T DD ≤ t
Para curtos-circuitos simétricos, ou assimétricos com duração inferior a 5 segundos, o tempo limite de atuação do dispositivo de proteção pode ser calculado pela expressão:
2 2 2
CS
K S
t I
Onde: IR é a corrente de ruptura do dispositivo de proteção;
ICS é a corrente de curto-circuito no ponto da instalação do dispositivo; TDD é o tempo de disparo do dispositivo de proteção para o valor de ICS; T é o tempo limite de atuação do dispositivo de proteção, sem segundos; S é a seção do condutor em mm2; K é a constante relacionada ao material do condutor e da isolação do condutor, sendo: K = 115 para condutores de cobre com isolação de PVC; K = 135 para condutores de cobre com isolação EPR ou XLPE; K = 74 para condutores de alumínio com isolação de PVC; K = 87 para condutores de alumínio com isolação de EPR ou XLPE. Determinação da Corrente de Curto-Circuito Presumida: No momento de uma falta para a terra, o valor da corrente de curto-circuito depende basicamente da impedância existente entre a fonte e o ponto de falta.
É apresentado a seguir, um procedimento simplificado de cálculo que conduz a um resultado com boa aproximação para curtos-circuitos em instalações elétricas prediais.
Neste procedimento, foram consideradas as seguintes hipóteses: a. Desprezado o valor da impedância do sistema de energia da concessionária (a montante do transformador), isto é, considerada infinita a capacidade do sistema. Em cálculos de maior precisão (projetos industriais etc.), as concessionárias fornecem a capacidade de ruptura, em kA, ou a potência de curto-circuito simétrico do sistema, em MVA, no ponto de entrega; b. Desprezada a impedância do circuito de média tensão para a alimentação do transformador consumidor (quando houver); c. Desprezadas as impedâncias internas dos dispositivos de proteção e comando; d. Considerado curto-circuito direto, desprezando-se a resistência de contato; e. Considerado curto-circuito trifásico simétrico (condição mais desfavorável); f. Desprezada a contribuição de motores ou geradores em funcionamento na ocasião da falta (em instalações industriais, esta contribuição pode ser significativa em motores acima de 100 CV e tensão superior a 600 V, que passam a funcionar como gerador no instante da falta, o que obviamente, não é o caso de instalações prediais). Observação: Todas as considerações anteriores, exceto a do item f, levam-nos a um cálculo em favor da segurança, ou seja, poderemos encontrar um valor de ICS um pouco superior ao real, o que só nos levaria a especificar dispositivos com maior capacidade de ruptura.
Para determinar o valor da corrente de curto-circuito presumida em um ponto de qualquer circuito alimentador trifásico após o transformador, teremos, conforme a figura abaixo:
Fig. 2.30 Curto-circuito em um alimentador trifásico.
Tabela 2.35 – Impedância dos condutores.
Tabela 2.36 – Dados de transformadores trifásicos, 15kV, 60 Hz, primário Y ou Delta, secundário Y
Fig. 2.31 Diagrama simplificado para determinação da corrente de curto-circuito presumida.
X 1 = (0,0975. 50) / 2 = 2,4375 m Ω R 2 = 8,41 m Ω ; X 2 =1,01 m Ω R 3 =22,4 m Ω ; X 3 =1,19 m Ω b. Cálculo da Ics no ponto 1:
2 2 1 1
1
cc cc
cs
Z
Z m
I kA
c. Cálculo da Ics no ponto 2:
2 2 2 2
2
cc cc
cs
Z
Z m
I kA
O valor de ICS2 também pode ser encontrado utilizando-se o gráfico da Fig. 2.31. d. Cálculo da Ics no ponto 3: No gráfico da figura 9.12, determina-se o ponto P, na interseção da curva de 10 mm^2 com a ordenada 20 m (como o circuito é monofásico dobramos o valor do comprimento = 2. 10 m). Levanta-se a partir de P uma vertical até encontrar a curva de Icc = 4,5 kA (valor da corrente de curto-circuito no início do trecho S 3 ), determinando o ponto P 1. A partir de P 1 traça-se uma horizontal até encontrar a ordenada: Ics3 = 1,45 kA. Exemplo de dimensionamento de dispositivos de proteção: Dimensionar o dispositivo de proteção para o circuito da Fig. 2.33, a seguir, sabendo que o mesmo é constituído de condutores unipolares de cobre com isolação de PVC, está instalado em eletroduto de PVC embutido em alvenaria e que a corrente presumida de curto-circuito no ponto de instalação do referido dispositivo de proteção é de 2 kA.
Fig. 2.33 Exemplo de dimensionamento de dispositivo de proteção. Solução:
1. Sobrecarga: a I ) (^) B ≤ I (^) N ≤ IZ
IB = 24 A; IZ = 32 A (ver tabela) =>24 <= IN <= 32 => IN = 25 A (condição atendida). b I ) 2 ≤1, 45. IZ
I2 = 1,35.IN =>I2 = 1,35.25 =>I2 = 33,75 A.
I2 <= 1,45. Iz =>33,75 <= 1,45.32 => 33,45 <= 46,4 (condição atendida)
2. Curto-circuito: a) I (^) R ≥ ICS
Para resolver este problema necessitamos recorrer às tabelas de fabricantes, onde estarão indicadas as características nominais e curvas de atuação dos dispositivos de proteção. Utilizando, como exemplo, disjuntores termomagnéticos do fabricante Bticino, linha supertibra 5, vemos que o disjuntor monopolar de corrente nominal 25 A, 110 ou 220 V, apresenta uma capacidade de interrupção de 5 kA (ver Tabela 2.37) Portanto: IR = 5 kA e Ics = 2 kA => 5 kA >= 2 kA (condição atendida)
b) TDD ≤ t e
2 2 2
CS
K S
t I
Consultando a curva característica do disjuntor supertibra (ver Fig. 2.34), observamos que para uma corrente de curto-circuito presumida de valor igual a 2 kA, teremos: ICS/IN = 2000/25 = 80 =>TDD = 0,02 segundos t = 115^2_. 4_^2 /2000^2 => t = 0,23 segundos logo, 0,02 s <= 0,23 s (condição atendida) Conclusão: o disjuntor termomagnético monopolar de corrente nominal 25 A, tensão nominal 220 V, freqüência 60 Hz e capacidade de ruptura 5 kA, da BTCINO atende satisfatoriamente à proteção do circuito mostrado na Fig. 2.33.
Fig. 2.34 Curva característica tempo x corrente dos disjuntores termomagnéticos, linha supertibra do fabricante Bticino.
2.9.8.4. Proteção contra Choques Elétricos e Efeitos Térmicos
Definições: Ao circular pelo corpo humano, ou de animais, a corrente elétrica produz um efeito patofisiológico (conjunto de alterações funcionais) chamado choque elétrico que pode, muitas vezes, provocar lesões graves, ou mesmo vítimas fatais.
No estudo dos choques elétricos, devemos considerar que na sua ocorrência estão envolvidos três elementos: a parte viva, a massa e o elemento condutor estranho à instalação elétrica.
Parte viva é a parte condutora, pertencente à instalação elétrica, que em condições normais, apresenta ou pode apresentar diferencial de potencial elétrico em relação à terra. O potencial da terra é, por convenção, considerado zero. Nas linhas elétricas utilizamos a terminologia condutor vivo.
Massa é o conjunto de partes metálicas não destinadas a conduzir corrente, eletricamente interligadas e isoladas das partes vivas. É a parte da instalação que pode ser tocada facilmente, e que em condições normais não apresenta diferença de potencial em relação à terra, porém, em casos de faltas ou defeitos, a massa pode vir a transformar-se em parte viva. São considerados massa, as carcaças e invólucros metálicos de equipamentos elétricos, os eletrodutos metálicos etc.
Elemento condutor estranho à instalação é o elemento que não faz parte da instalação, mas que nela pode introduzir um potencial elétrico, normalmente o potencial de terra. São exemplos: estruturas metálicas de construções, as tubulações metálicas de utilidades (água, ar- condicionado, gás etc.) e as paredes e pisos não isolantes. No caso dos choques elétricos, o corpo humano constitui um elemento condutor estranho à instalação.
Os efeitos da circulação da corrente elétrica pelo corpo humano dependem principalmente de sua intensidade e do tempo de circulação da mesma.
Ela provoca reações patofisiológicas nas pessoas, cujos principais efeitos são os seguintes: Tetanização: contração muscular provocada pela circulação da corrente elétrica através dos tecidos nervosos. Este efeito sobrepõe-se ao comando cerebral. A partir de certo valor, a corrente provoca a contração total do músculo, impedindo, por exemplo, que um indivíduo que esteja segurando um objeto energizado possa largá-lo. Este limite é conhecido como o ‘limiar de não largar’ e, experimentalmente, chegou-se a valores de 6 a 14 miliampères para mulheres e 9 a 23 miliampères para homens (em corrente alternada 50/60 Hz).
Parada respiratória: se a tetanização atingir os músculos peitorais, a função respiratória poderá ser afetada. Isto pode ocorrer quando a corrente de choque atingir valores superiores ao ‘limiar de não largar’. Por esta razão, é de grande importância a respiração artificial (boca a boca) no imediato socorro às vítimas de choque elétrico.
Queimadura: a circulação de corrente elétrica pelo corpo humano, que possui certa resistência elétrica, provoca uma liberação de calor (efeito joule), produzindo queimaduras que são mais intensas nos pontos de entrada e saída da corrente, devido à elevação da densidade de corrente elétrica nestes locais. A esta razão soma-se o fato de que a epiderme apresenta resistência elétrica superior aos tecidos internos e também à existência da resistência de contato entre a pele e as partes sob potenciais elétricos distintos.
Fibrilação ventricular: os impulsos elétricos originados no nódulo seno-atrial do coração humano produzem os movimentos de contração (sístole) e expansão (diástole) que fazem o músculo cardíaco vibrar periodicamente no ritmo de 60 a 100 vezes por minuto. Se àqueles impulsos somam-se e sobrepõem-se os efeitos produzidos por uma corrente elétrica externa
