Universidade Federal de Santa Catarina
Departamento de Engenharia Elétrica
Laboratório de Materiais Elétricos – EEL 7051
Professor Clóvis Antônio Petry
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Experiência 02
Ensaio do Disjuntor de Baixa Tensão
Fábio P. Bauer
Tiago Natan A Veiga
Florianópolis, julho de 2006.
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Sumário
1. Objetivos ........................................................................................................ 3
2. Introdução ...................................................................................................... 4
3. Disjuntores ..................................................................................................... 5
4. Ensaios de Laboratório................................................................................... 6
4.1 Materiais Utilizados................................................................................... 8
4.2 Apresentação dos Resultados .................................................................. 8
5. Conclusões................................................................................................... 15
6. Bibliografia.................................................................................................... 16
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1. Objetivos
► Analisar o tempo de resposta de uma série de disjuntores quando
submetidos a sinais com diferentes amplitudes de corrente.
► Explorar os conceitos relativos à estrutura de um sistema de proteção dos
disjuntores.
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2. Introdução
Disjuntores são elementos de proteção conectados a um circuito e têm
como finalidade estabelecer, conduzir e interromper correntes em condições
normais de operação, bem como intervir em condições anormais. Possuem
níveis de proteção contra sobrecorrentes pequenas e moderadas e contra
sobrecorrentes elevadas.
A corrente que circula pelos disjuntores pode ser interrompida por meio
de dois sistemas de proteção: o térmico e o magnético. O tempo de atuação e
a magnitude da corrente a qual o circuito é submetido determina qual dos dois
sistemas será utilizado. Essa decisão será tomada com base na curva de
tempo versus corrente presente em cada disjuntor.
Neste ensaio serão testadas as curvas de tempo x corrente para os
disjuntores Pial Legrand®. Os testes deverão verificar se as curvas
correspondem às exigências nas quais os dispositivos de proteção são
envolvidos.
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3. Disjuntores
Disjuntor é um equipamento destinado a interromper a corrente em um
circuito elétrico. A interrupção pode ser voluntária ou involuntária. Dessa forma,
o disjuntor serve tanto como dispositivo de manobra como de proteção de
circuitos elétricos.
Atualmente é muito utilizado em instalações elétricas o disjuntor
termomagnético. 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 e corrente máxima de interrupção do disjuntor.
A temperatura ambiente tem um efeito, ainda mais importante sobre as
características do conjunto disjuntores/cabos.
As temperaturas ambientes elevadas não somente afetam a calibração
do disjuntor como, também,podem produzir temperaturas internas acima dos
limites especificados para os materiais isolantes.
Os cabos podem adaptar-se a essas temperaturas elevadas, mediante o
uso de materiais de maior capacidade térmica, como o vidro e certos minerais.
Isso não é possível em dispositivos de manobra, devido aos requisitos técnicos
e mecânicos de fabricação.
Por outro lado, baixas temperaturas aumentam consideravelmente a
capacidade de condução decorrente. Em geral, o efeito da temperatura
ambiente em disjuntores com calibração compensada procede como na curva
abaixo, da figura 3.1.
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Figura 3.1-Capacidade de Condução em Regime Contínuo (%)
Fonte: GE SISTEMAS INDUSTRIAIS:” Como especificar um disjuntor”
A Freqüência de funcionamento do sistema também exerce um papel
muito importante na especificação e comportamento dos disjuntores.
A maioria dos disjuntores podem ser aplicados diretamente em sistemas
de 50/60 Hz para as capacidades nominais indicadas.
4. Ensaios de Laboratório
Os experimentos realizados no Laboratório utilizaram o circuito da figura
4.1 para obter as curvas de tensão e corrente que explicam a atuação do
disjuntor.
S1
T1
+
Dj1
vi
Djteste
−
100 :1
Varivolt
icurto
Figura 4.1- Circuito a ser montado para traçar a curva tempo versus corrente de um disjuntor
termomagnético.
Fonte : PETRY, C.A. “Ensaio do Disjuntor de Baixa Tensão”
O varivolt do circuito da figura 4.1 permite ajustar a tensão no primário
do transformador, com uma relação de tensão de aproximadamente 100:1
entre primário e secundário. Na realidade a relação exata é mostrada na figura
4.2. A tensão no secundário será a tensão utilizada para obter as curvas no
circuito sob teste. (Dj teste).
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Figura 4.2- Relação entre tensão de entrada e de saída no transformador da figura 4.1.
Fonte : PETRY, C.A. “Ensaio do Disjuntor de Baixa Tensão”
Conforme observamos na figura 4.2, a relação tensão de saída: tensão
de entrada é de aproximadamente 73:1. É possível entender o porquê dessa
relação: como o ensaio explora disjuntores em baixa tensão, é preciso que se
tenha uma atenuação considerável na saída para que as exigências do
experimento sejam atendidas.
A relação entrada : saída em termos de corrente para o circuito é
mostrada na figura 4.3:
Figura 4.3- Relação de entrada:saída para corrente do circuito da figura 4.1
Fonte : PETRY, C.A. “Ensaio do Disjuntor de Baixa Tensão”
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Adicionalmente, a gráfico apresentado na figura 4.4 é muito útil para
relacionar tensão de entrada no primário com a corrente de saída no
secundário.
Figura 4.4- Relação de tensão na entrada do primário com a corrente na saída do secundário
no transformador da figura 4.1
Fonte : PETRY, C.A. “Ensaio do Disjuntor de Baixa Tensão”
A próxima seção do relatório mostra os resultados das medições obtidos
com os disjuntores. Serão apresentados, ainda alguns comentários sobre as
medidas.
Em síntese, o ensaio consiste em submeter o circuito a diferentes
amplitudes de corrente e verificar o tempo de atuação do seu sistema de
proteção.
4.1 Materiais Utilizados
► Uma bancada com um transformador de relação de tensão 73:1 entre
primário e secundário;
► 1 Osciloscópio Digital TEKTRONIX, modelo TDS 3012B, 10MHz, 1.25GS/s;
► Disjuntores Pial Legrande®.
4.2 Apresentação dos Resultados
Abaixo segue a tabela 4.2.1 que mostra os dados relativos ao
experimento realizado.
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Disjuntor PIAL LEGRAND
Constante de
Corrente
Pico de Corrente
Tempo
Ponto
Multiplicação
Desejada [A]
Medida[A]
(s)
No Gráfico 4.2.1
15
150
44,4
6,56
A
10
100
62,0
2,44
B
7
70
95,0
44.10-3
C
5
50
98,0
49.10-3
D
4
40
115,0
9,2.10-3
E
Tabela 4.2.1 – Resultados das Medições do Experimento
a. Marcar os pontos tempo versus corrente no gráfico do disjuntor Pial
Legrand
Abaixo são mostrados o gráfico com os pontos obtidos:
Gráfico 4.2.1 – Pontos obtidos experimentalmente
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b. Apresentar algumas formas de onda adquiridas com o osciloscópio e
comentar a respeito das mesmas.
As formas de onda adquiridas com o osciloscópio são apresentadas
abaixo:
Figura 4.2.1- Primeira aquisição
Figura 4.2.2- Segunda aquisição
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Figura 4.2.3- Terceira aquisição
Figura 4.2.4- Quarta aquisição
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Figura 4.2.5- Quinta aquisição
Figura 4.2.6- Sexta aquisição
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c. Comentar os resultados obtidos com o ensaio dos disjuntores.
Os gráficos das aquisições mostrados nas figuras 4.2.1 a 4.2.6 estão de
acordo com o gráfico da Figura 4.2.1. Ou seja, à medida que a magnitude da
corrente aumenta, o tempo de atuação decai.
d. Explique, sob o ponto de vista de materiais elétricos, o funcionamento
do dispositivo térmico do disjuntor.
O princípio de funcionamento do mecanismo térmico do disjuntor baseiase no aquecimento de pares bimetálicos termoelétricos. Em outras palavras,
uma lâmina composta por materiais de diferentes coeficientes de dilatação
linear tem a sua forma alterada pela atuação de uma sobrecorrente, conforme
visto na figura 4.2.7:
Figura 4.2.7- Dispositivo de Atuação Térmica de um Disjuntor
Fonte : PETRY, C.A. “Ensaio do Disjuntor de Baixa Tensão”
A alteração (curvatura) na forma da lâmina desliga o circuito evitando
que sobrecorrentes elevadas se propagem pela rede elétrica.
e. Qual a finalidade da câmera de extinção do arco elétrica e como
funciona a mesma?
A câmara de extinção de arco elétrico funciona como um atenuador do
arco resultante do afastamento entre o contato móvel e o fixo de um disjuntor.
Ao chegar na câmara, o arco é consumido gradativamente. Esse procedimento
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evita danos à lâmina bimetálica do disjuntor, no caso de elevados valores de
correntes (curto-circuitos).
f. Explique por que um disjuntor normalmente emprega dois dispositivos
de proteção, o térmico e o magnético.
O sistema de proteção térmico de um disjuntor deve atuar contra
sobrecorrentes pequenas e moderadas, enquanto que os disparadores
eletromagnéticos
atuam
tanto
naquelas
sobrecorrentes
quanto
contra
sobrecorrentes elevadas, como correntes de curto-circuito. O uso desse dois
sistemas simplesmente melhora a proteção da rede elétrica, reduzindo os
riscos de falta.
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5. Conclusões
Os testes desenvolvidos em laboratório esclareceram muitos aspectos
da natureza da proteção de um disjuntor. O dispositivos térmico e magnético
devem atuar em conformidade com as especificações de projeto de
engenharia.
Uma característica relevante de disjuntores modernos diz respeito ao
papel da câmara de extinção de arco. Sem ela, o tempo de vida da estrutura do
disjuntor poderá ser drasticamente reduzido, pois a lâmina bimetálica se
desgasta com o arco elétrico.
A dificuldade da realização do ensaio consiste na obtenção de correntes
de valores nominais elevados, o que nem sempre é simples. Entretanto, as
respostas obtidas ainda são satisfatórias considerando-se as tolerâncias devido
aos erros de medição.
Ressalta-se com isso como um instrumento aparentemente simples
como um disjuntor pode ser ao mesmo tempo sofisticado quando analisada sua
estrutura interna. Um bom projeto de engenharia deve levar em conta todas as
possíveis fontes de falha na rede protegida pelo disjuntor, pois em diversas
aplicações essas falhas podem comprometer vidas.
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6. Bibliografia
[1] PETRY, C.A. : “Ensaio do Disjuntor de Baixa Tensão”. Disponível em<
www.inep.ufsc.br/~petry>. Acesso em 08 jul.2006
[2]
WIKIPÉDIA:
“Disjuntor”.
Dispnível
em
.<
http://pt.wikipedia.org/wiki/Disjuntor>. Acesso em 09 jul. 2006.
[3] GE SISTEMAS INDUSTRIAIS:” Como especificar um disjuntor”. Disponível
em .< http://www.geindustrial.com.br/produtos/disjuntores/especificacao.asp>.
Acesso em 09 jul. 2006.