ELETRICIDADE IINOTAS DE AULAProf. Antonio J. da S. Baptista

-2012.1-

NDICE

1- CORREO DO FATOR DE POTNCIA 2- NOES DE PROJETO DE INSTALAES ELTRICAS 3- INSTALAES DE MOTORES 4- PROTEO CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS

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1- CORREO DO FATOR DE POTNCIA 1.1-PRINCPIOS BSICOS O fator de potncia (FP) de um sistema eltrico qualquer, que est operando em corrente alternada (CA), definido pela razo da potncia real ou potncia ativa pela potncia total ou potncia aparente. Em circuitos de corrente alternada (CA) puramente resistivos, as ondas de tenso e de corrente esto em fase, ou seja, mudando a sua polaridade no mesmo instante em cada ciclo. Quando cargas reativas esto presentes, tais como capacitores e/ou indutores, o armazenamento de energia nessas cargas resulta em uma diferena de fase entre as ondas de tenso e corrente. Uma vez que essa energia armazenada retorna para a fonte e no produz trabalho til, um circuito com baixo fator de potncia ter correntes eltricas maiores para realizar o mesmo trabalho do que um circuito com alto fator de potncia. O fluxo de potncia em circuitos de corrente alternada tem trs componentes: potncia ativa (P), medida em watts (W); potncia aparente (S), medida em volt-ampres (VA); e potncia reativa (Q), medida em volt-ampre-reativo (VAR). A potncia ativa est associada produo de trabalho em um determinado perodo de tempo. Devido aos elementos reativos da carga, a potncia aparente, que o produto da tenso pela corrente do circuito, ser igual ou maior do que a potncia ativa. A potncia reativa a medida da energia armazenada que devolvida para a fonte durante cada ciclo de corrente alternada. a energia que utilizada para produzir os campos eltrico e magntico necessrios para o funcionamento de certos tipos de cargas como, por exemplo, retificadores industriais e motores eltricos. O fator de potncia (fp) pode ser expresso como: fp =P S

No caso de formas de onda perfeitamente senoidais, P, Q e S podem ser representados por vetores que formam um tringulo retngulo, tambm conhecido como tringulo de potncias, sendo que:

S2 = P2 + Q2

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Se o ngulo de fase entre as de ondas de corrente e tenso, ento o fator de potncia igual a |cos ()| , e:P = S . cos ()

Por definio, o fator de potncia um nmero adimensional entre 0 e 1. Quando o fator de potncia igual a zero (0), o fluxo de energia inteiramente reativo, e a energia armazenada devolvida totalmente fonte em cada ciclo. Quando o fator de potncia 1, toda a energia fornecida pela fonte consumida pela carga. Normalmente o fator de potncia assinalado como atrasado ou adiantado para identificar o sinal do ngulo de fase entre as ondas de corrente e tenso eltricas. Um alto fator de potncia indica uma eficincia alta e inversamente, um fator de potncia baixo indica baixa eficincia energtica. O fator de potncia determinado pelo tipo de carga ligada ao sistema eltrico, que pode ser: =>Resistiva =>Indutiva =>Capacitiva Se uma carga puramente resistiva conectada ao sistema, a corrente e a tenso mudaro de polaridade em fase, nesse caso o fator de potncia ser unitrio (1), e a energia eltrica flui numa mesma direo atravs do sistema em cada ciclo.

Onda de corrente (I) em fase com a onda de tenso (V). A carga possui caracterstica resistiva. FP=1

Cargas indutivas tais como motores e transformadores (equipamentos com bobinas) produzem potncia reativa com a onda de corrente atrasada em relao tenso.

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Onda de corrente (I) atrasada em relao onda de tenso (V). A carga possui caracterstica indutiva. FP potncia nominal do equipamento, informada pelo fabricante, ou calculada a partir da tenso e corrente nominais e pelo fator de potncia. A tabela abaixo apresenta, a ttulo de exemplo, as potncias de alguns equipamentos.

Os critrios estabelecidos a seguir se referem s instalaes em cmodos de unidades residenciais e nas acomodaes de hotis, motis e similares.

2.3.1-Cargas de IluminaoEm cmodos com rea 6m2 => carga mnima de 100VA. Em cmodos com rea > 6m2 => carga mnima de 100VA + 60 VA para cada 4m2 excedentes. 11

2.3.2-Pontos de Tomada de Uso GeralTomadas de uso geral so aquelas onde so ligados aparelhos mveis ou portteis como, por exemplo, enceradeira, aspirador de p, aparelhos de som, liquidificador, etc. As instalaes prediais devem observar os seguintes requisitos: a) em banheiros, deve ser previsto pelo menos um ponto de tomada, prximo ao lavatrio; b) em cozinhas, copas, copas-cozinhas, reas de servio, cozinha-rea de servio, lavanderias e locais anlogos, deve ser previsto no mnimo um ponto de tomada para cada 3,5 m, ou frao, de permetro, sendo que acima da bancada da pia devem ser previstas no mnimo duas tomadas de corrente, no mesmo ponto ou em pontos distintos; c) em varandas, deve ser previsto pelo menos um ponto de tomada; d) em salas e dormitrios devem ser previstos pelo menos um ponto de tomada para cada 5 m, ou frao, de permetro, devendo esses pontos ser espaados to uniformemente quanto possvel; e) em cada um dos demais cmodos e dependncias de habitao devem ser previstos pelo menos: i)-um ponto de tomada, se a rea do cmodo ou dependncia for igual ou inferior a 6 m ; ii)-um ponto de tomada para cada 5 m, ou frao, de permetro, se a rea do cmodo ou dependncia for superior a 6 m2, devendo esses pontos ser espaados to uniformemente quanto possvel. A potncia a ser atribuda a cada ponto de tomada funo dos equipamentos que ele poder vir a alimentar e no deve ser inferior aos seguintes valores mnimos: => em banheiros, cozinhas, copas, copas-cozinhas, reas de servio, lavanderias e locais anlogos, no mnimo 600 VA por ponto de tomada, at trs pontos, e 100 VA por ponto para os excedentes, considerando-se cada um desses ambientes separadamente. => nos demais cmodos ou dependncias, no mnimo, 100 VA por ponto de tomada.2

2.3.3-Pontos de Tomada de Uso EspecficoTomadas de uso especfico so aquelas destinadas ligao de equipamentos fixos e estacionrios como, por exemplo, chuveiros, secadoras de roupa, mquina de lavar, torneira eltrica, etc. As instalaes prediais devem observar os seguintes requisitos: a)-quando um ponto de tomada for previsto para uso especfico, deve ser a ele atribuda uma potncia igual potncia nominal do equipamento a ser alimentado ou soma das potncias nominais dos equipamentos a serem alimentados. Quando valores precisos no forem conhecidos, a potncia atribuda ao ponto de tomada deve seguir um dos dois seguintes critrios:

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i)-potncia ou soma das potncias dos equipamentos mais potentes que o ponto pode vir a alimentar, ou ii)-potncia calculada com base na corrente de projeto e na tenso do circuito respectivo. b)-os pontos de tomada de uso especfico devem ser localizados no mximo a 1,5 m do ponto previsto para a localizao do equipamento a ser alimentado.

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2.4-DIVISO DAS INSTALAES EM CIRCUITOSCircuito => o conjunto de pontos de consumo, alimentados pelos mesmos condutores e ligados ao mesmo dispositivo de proteo (chave ou disjuntor). A diviso da instalao em circuitos deve ser de modo a atender, entre outras, s seguintes exigncias: segurana - por exemplo, evitando que a falha em um circuito prive de alimentao toda uma rea; conservao de energia - por exemplo, possibilitando que cargas de iluminao e/ou de climatizao sejam acionadas na justa medida das necessidades; funcionais - por exemplo, viabilizando a criao de diferentes ambientes, como os necessrios em auditrios, salas de reunies, espaos de demonstrao, recintos de lazer, etc.; de produo - por exemplo, minimizando as paralisaes resultantes de uma falha; de manuteno - por exemplo, facilitando ou possibilitando aes de inspeo e de reparo. Os seguintes critrios devem ser observados em unidades residenciais e nas acomodaes de hotis, motis e similares: a)-circuitos independentes devem ser previstos para os aparelhos de potncia igual ou superior a 1500 VA; b)-as protees dos circuitos de aquecimento ou condicionamento de ar podem ser agrupadas no quadro de distribuio eltrica geral ou num quadro separado; c)-quando um mesmo alimentador abastece vrios aparelhos individuais de ar condicionado, deve haver uma proteo para o alimentador geral e uma proteo junto a cada aparelho, caso este no possua proteo interna prpria; d)-como regra geral, os circuitos de iluminao devem ser separados dos circuitos de tomadas. Permite-se, entretanto, pontos de iluminao e tomadas em um mesmo circuito, exceto nas cozinhas, copas e reas de servio. e)-cada circuito dever ter seu prprio condutor neutro. Em lojas, residncias e escritrios, os circuitos de distribuio devem atender aos seguintes requisitos mnimos: residncias: 1 circuito para cada 60 m2 ou frao; lojas e escritrios: 1 circuito para cada 50 m2 ou frao.

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2.5-DISPOSITIVOS DE COMANDO DOS CIRCUITOSa)-Interruptores

b)-Three Way (paralelo) Esquema de instalao de um sistema Three Way para acionamento de uma lmpada incandescente

c)Four Way (intermedirio) usado quando se deseja atuar em uma lmpada, ou conjunto de lmpadas em mais de dois pontos. Funciona invertendo as ligaes entre dois interruptores no sistema Three Way que ficam nas extremidades.

d)-Minuteria e)-Contactores e Chaves Magnticas f)-Controles com intertravamento g)-Controle da intensidade luminosa de lmpadas

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2.6-LINHAS ELTRICAS2.6.1-TIPOS DE LINHAS ELTRICASOs tipos de linhas eltricas, de acordo com a norma NBR-5410, so apresentados na tabela 2.6.1.1 abaixo:Tabela 2.6.1.1 Tipos de Linhas Eltricas

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Os mtodos de referncia so os mtodos de instalao para os quais a capacidade de conduo de corrente foi determinada por ensaio ou por clculo. So eles: A1: condutores isolados em eletroduto de seo circular embutido em parede termicamente isolante; A2: cabo multipolar em eletroduto de seo circular embutido em parede termicamente isolante; B1: condutores isolados em eletroduto de seo circular sobre parede de madeira; B2: cabo multipolar em eletroduto de seo circular sobre parede de madeira; C: cabos unipolares ou cabo multipolar sobre parede de madeira; D: cabo multipolar em eletroduto enterrado no solo; E: cabo multipolar ao ar livre;21

F: cabos unipolares justapostos (na horizontal, na vertical ou em triflio) ao ar livre; G: cabos unipolares espaados ao ar livre.

2.6.2-NMERO DE CONDUTORES CARREGADOS

O nmero de condutores carregados a ser considerado num circuito o dos condutores efetivamente percorridos por corrente. Assim, temos: a)-circuitos de corrente alternada: Monofsico a dois condutores => 2 condutores carregados; Monofsico a trs condutores => 2 condutores carregados; Duas fases sem neutro => 2 condutores carregados; Duas fases com neutro => 3 condutores carregados; Trifsico sem neutro => 3 condutores carregados; Trifsico com neutro => 3 ou 4 condutores carregados, considerando que: i)-Quando num circuito trifsico com neutro as correntes so consideradas equilibradas, o condutor neutro no deve ser considerado. ii)-Quando for prevista a circulao de corrente harmnica no condutor neutro de um circuito trifsico, este condutor ser sempre computado, tendo-se portanto 4 condutores carregados. b)-circuitos de corrente contnua: 2 ou 3 condutores

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2.7-DIMENSIONAMENTO DE CONDUTORES

Uma vez escolhida a maneira de instalar os cabos eltricos e conhecida a potncia dos pontos de utilizao, devemos dimensionar os condutores que alimentaro as cargas, ou seja, devemos calcular a seo reta adequada dos condutores de energia eltrica de cada circuito. Para dimensionar os condutores, dois critrios precisam ser examinados: a)-capacidade de corrente; e b)-queda de tenso admissvel. Deve-se ainda observar que a norma NBR 5410 prev a seo mnima dos condutores conforme o tipo de instalao (ver tabela 2.7.1), a seo do condutor neutro (ver tabela 2.7.2) e a seo mnima do condutor de proteo (ver tabela 2.7.3). Aps verificados os critrios acima, o condutor a ser escolhido o de maior seo reta.

Tabela 2.7.1 Seo mnima dos condutores

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Tabela 2.7.2 Seo do Condutor Neutro

Tabela 2.7.3 Seo Mnima do Condutor de Proteo

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2.7.1-CRITRIO DA CAPACIDADE DE CORRENTE

A capacidade de conduo de corrente um critrio importantssimo, pois considera os efeitos trmicos provocados nos componentes do circuito pela passagem da corrente eltrica em condies normais (corrente de projeto). A tabela 2.7.1.1 apresenta as capacidades de conduo de corrente para diversas sees retas de condutores, para os mtodos de instalao A1, A2, B1, B2, C e D A corrente de projeto dever ser calculada em funo da tenso, potncia e fator de potncia, da seguinte forma:I=

P K .V . fp

Onde: I => corrente em ampres na linha. P => potncia em watts. V => tenso em volts entre fase e neutro ou, se no h neutro, entre fases. fp => fator de potncia Valores de K: K = 1 , para circuitos de corrente contnua ou monofsicos a 2 fios. K = 1,73 , para circuitos trifsicos a 3 fios. K = 2 , para 2 fases + neutro de um circuito trifsico. K = 4 , para circuitos trifsicos a 4 fios. Calculada a corrente de projeto verifica-se na tabela de capacidades de conduo de corrente a seo reta apropriada para os condutores do circuito em anlise.

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Tabela 2.7.1.1 - Capacidades de conduo de corrente, em ampres, para os mtodos de referncia A1, A2, B1, B2, C e D

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2.7.2-CRITRIO DAS QUEDAS DE TENSO ADMISSVEIS

Numa instalao eltrica, a tenso aplicada aos terminais das cargas, isto , dos equipamentos de utilizao, deve manter-se dentro de determinados limites. Cada equipamento, como sabemos, possui uma tenso nominal (Vn), sendo sempre fixada, seja pela norma respectiva, seja pelo fabricante, uma pequena variao admitida ( Vn). Tenses abaixo do limite, ou seja, inferiores a Vn Vn , prejudicam o desempenho do equipamento de utilizao, podendo reduzir sua vida til ou mesmo impedir seu funcionamento. A queda de tenso deve ser calculada durante o projeto, sendo o dimensionamento dos circuitos feito de modo a mant-la dentro dos valores mximos fixados pela NBR 5410 As quedas de tenso que ocorrem nos circuitos so funo: a)- da distncia entre a carga e o medidor; e b)- da potncia da carga As quedas de tenso admissveis so expressas em percentagem em relao tenso de entrada. A norma NBR-5410 admite as seguintes quedas de tenso: a)-5% no caso de instalaes alimentadas diretamente por um ramal de baixa tenso, a partir da rede de distribuio pblica de baixa tenso; b)-7% no caso de instalaes alimentadas diretamente por uma subestao de transformao, a partir de uma instalao de alta tenso ou que possuam fonte prpria.5% (a) ou 7% (b) 2%

QLa)-Rede de Baixa Tenso -Concessionria-

QM (a) QGD (b)b)- Subestao ou Gerao Prpria

Circuitos de Distribuio

Circuitos Terminais

QF

QM Quadro de Medio QGD Quadro Geral de Distribuio QL Quadro de Luz QF Quadro de Fora

5% (a) ou 7% (b)

Obs: A queda de tenso nos circuitos terminais deve ser igual ou inferior a 2% As tabelas 2.7.2.1 e 2.7.2.2 apresentam as quedas de tenso percentuais para os alimentadores e ramais em funo das distncias e potncias utilizadas, para circuitos monofsicos e bifsicos com fator de potncia unitrio. 27

Tabela 2.7.2.1 - Potncia x Distncia (W.m) para V = 127 volts

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Tabela 2.7.2.2 - Potncia x Distncia (W.m) para V = 220volts

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EXERCCIO Dimensionar o cabo alimentador e os circuitos terminais de um apartamento, de acordo com o esquema abaixo. A tenso de alimentao 127V, monofsica a 2 fios. Circuito 1 5mQuadro de Distribuio100 W

8m60 W

2m600 W

Circuito 227 m

6m40 W

5m100 W

10 m180 W

4m600 W

Medidor no PC

1)-Dimensionamento dos condutores pela capacidade de corrente. 2)-Dimensionamento dos condutores pela queda de tenso admissvel.

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3- INSTALAES DE MOTORES 3.1-INTRODUO

O motor eltrico uma mquina que converte energia eltrica em energia mecnica. Segue o princpio do campo magntico varivel produzir fora sobre um condutor com corrente. Num motor podemos distinguir duas partes principais: o estator (parte fixa) e o rotor (a parte girante). Os motores podem ser classificados em dois tipos:a)-Motores de Corrente Contnua => usados quando se necessita de um controle preciso de velocidade, sendo subdivididos em:

-Motor srie: as bobinas de campo ficam em srie com o enrolamento da armadura. -Motor Shunt: as bobinas de campo ficam em paralelo com o enrolamento da armadura. -Motor Compound: uma composio do motor srie com o motor shunt. A aplicao mais conhecida dos motores de corrente contnua na trao eltrica (bondes, trem, nibus, etc.).b)-Motores de Corrente Alternada => so os mais utilizados na indstria e, de acordo com a rotao, podem ser:

-Sncronos: aqueles que acompanham a velocidade ou freqncia. -Assncronos (de induo): no acompanham nenhuma freqncia e operam por induo. Dentre os motores de corrente alternada, o motor assncrono (de induo) o mais empregado por ser mais robusto, de fcil fabricao e menor custo. A construo tpica de um motor de induo do tipo gaiola de esquilo, no qual os condutores do rotor assemelham-se a uma gaiola. Este tipo de motor utilizado em ventiladores, compressores, elevadores, etc.

Figura 3.1 - Esquema de um motor assncrono com rotor em forma de gaiola de esquilo

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3.2-CARACTERSTICAS

DE UM MOTOR

Os motores eltricos possuem uma placa que serve para identificar o motor e dar suas caractersticas principais, tais como: a) Potncia Nominal: a potncia que o motor pode fornecer dentro de suas caractersticas nominais (Watts , CV ou HP); b) Tenso nominal: a tenso da rede para o qual o motor foi projetado; c) Freqncia nominal: a freqncia do sistema eltrico para o qual o motor foi projetado; d) Corrente nominal: a corrente absorvida quando o motor funciona em potncia nominal (em A); e) Fator de Servio: o fator aplicado potncia nominal que indica a mxima sobrecarga permissvel continuamente. comum um fator de servio de 1,25 isto admite uma sobrecarga de 25% acima da potncia nominal (em motores pequenos); f) Grau de Proteo: indica o grau de proteo que esse motor tem contra poeira, gua, limalha de ferro, gases, com ventilao prejudicada e outros resduos industriais; g) Letra-Cdigo; h) Velocidade nominal: indica a velocidade em rpm em condies nominais; i) Identificao do fabricante: nome, marca e endereo do fabricante; j) Formas de ligao: indica por meio de esquemas e nmeros a forma de se ligar o motor.

Figura 3.2 Placa de Identificao de um Motor

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3.3-CLCULO DA CORRENTE DE UM MOTOR

A potncia mecnica no eixo de um motor expressa em HP (HorsePower) ou cv (cavalovapor). A potncia eltrica de entrada em watts (P) dada por: P=HP

x 746

ou

P=

cv

x 736 , onde = rendimento do motor

A corrente nominal ( I ), em ampres, ento obtida:I= P , onde V = tenso entre fases e cos = fator de potncia V . cos

Ou ainda:I= HP x 746 V . cos .

ou

I=

cv x 736 V . cos .

Se o motor for trifsico, teremos:I=HP x 746 3.V . cos . ou I= cv x 736 3.V . cos .

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3.4-ESQUEMAS TPICOS PARA INSTALAO DE MOTORES 3.4.1- Alimentao LinearQDFAlimentador

PA PRRamais

PRQDF Quadro de Distribuio de Fora PA Proteo do Alimentador PR Proteo do Ramal S Seccionadora PM Proteo do Motor CM Controle do Motor M Motor CS Controle do Secundrio RP Reostato de Partida

S PM CMM M

S PM CM

CS RP

CS RP

Fig. 3.4.1 - Diagrama Trifilar

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3.4.2- Alimentao RadialEste esquema utilizado quando as posies dos motores na rea de instalao esto muito afastadas ou quando as potncias so muito diferentes.

Fig. 3.4.2 - Diagrama Trifilar

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3.4.3- Alimentao Linear com Ramais CurtosEste esquema usado quando os ramais so curtos (menores que 8 metros). Neste caso, sob certas condies, pode-se suprimir a proteo do ramal (PR).

Fig. 3.4.3 - Diagrama Trifilar

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3.4.4- Alimentao Linear sem Ramal de MotorEsta configurao usada quando os motores ficam junto ao alimentador. Neste caso, no h necessidade de proteo do ramal (PR).

Fig. 3.4.4 - Diagrama Trifilar

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3.4.5- Alimentao de Pequenos Motores nos Circuitos de LuzEsta configurao tpica de instalaes residenciais.

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3.5-DIMENSIONAMENTO DE CIRCUITOS DE FORAPara dimensionar os condutores de um circuito de fora, dois critrios precisam ser examinados: a)-capacidade de corrente; e b)-queda de tenso admissvel.

3.5.1- Dimensionamento dos circuitos alimentadores a)Dimensionamento pela capacidade de correnteOs condutores de circuito terminal que alimentam um ou mais motores devem possuir uma capacidade de conduo de corrente igual ou maior que a soma das correntes nominais de cada motor, multiplicadas pelos respectivos fatores de servio (fs).n

Ialimentador

fsi =1

i

x Ii

Procura-se, ento, na tabela de capacidade de corrente dos condutores, a seo reta do condutor que melhor atenda condio acima.

b) Dimensionamento pela queda de tensoConforme verificado anteriormente, a queda de tenso admissvel pela norma NBR-5410, para circuitos de fora, de 5%. Dessa forma, pode-se atribuir, p. ex., uma queda de tenso de 3% nos alimentadores e de 2% nos ramais. Calcula-se, ento, a seo reta do condutor a partir de uma das seguintes equaes: i)-Para circuitos monofsicos, bifsicos ou para corrente contnua: S=

2. .fs.I .L v

ii)-Para circuitos trifsicos: S=3. .fs.I .L v

Onde: S = seo reta do condutor em mm2. 1 ohm.mm 2 1 ohm.mm 2 = resistividade (cobre = ou alumnio = ) 56 m 32 m fs = fator de servio I = corrente nominal do motor L = distncia em metros v = queda de tenso admissvel = somatrio

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3.5.2- Dimensionamento dos circuitos dos ramais a)Dimensionamento pela capacidade de correntePara cada ramal, o condutor destinado ao motor eltrico dever possuir uma capacidade de conduo de corrente igual ou maior que a corrente nominal do motor, multiplicada pelo respectivo fator de servio (fs).

Iramal fs x Imotor

b) Dimensionamento pela queda de tensoUtiliza-se a mesma equao estabelecida para os circuitos alimentadores, atribuindo-se, por exemplo, uma queda de tenso de 2%.

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EXERCCIOUm circuito alimentador fornecer energia para os seguintes motores:

MOTOR -Elevador social -Elevador de servio -Bomba dgua -Bomba de recalque de esgotos -Exaustor

Potncia 10 cv 7,5 cv 5 cv 1 cv 1 cv

Fator de Servio 1,25 1 1 1 1

Distncia ao QGD 30 m 30 m 10 m 5m 5m

Considere que todos os motores so trifsicos, com tenso de alimentao 220V/60Hz, fator de potncia 0,9 e rendimento 0,8. Dimensionar o condutor deste circuito alimentador.

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4-PROTEO CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS

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4.1-DEFINIES Descarga Atmosfrica uma descarga eltrica de origem atmosfrica entre uma nuvem e a terra ou entre nuvens, consistindo em um ou mais impulsos de vrios quiloampres. Raio um dos impulsos eltricos de uma descarga atmosfrica para a terra. Relmpago - luz gerada pelo arco eltrico do raio. Trovo - rudo produzido pelo deslocamento do ar devido ao sbito aquecimento causado pela descarga do raio. 4.2-FORMAO DE NUVENS CARREGADAS E RAIOSBenjamin Franklin foi o primeiro a projetar um experimento para tentar provar a natureza eltrica do relmpago. Em julho de 1750, Franklin props que a eletricidade poderia ser drenada de uma nuvem por um mastro metlico. Se o mastro fosse isolado do solo, e um observador aproximasse do mesmo um fio aterrado, uma fasca saltaria do mastro para o fio quando uma nuvem eletrificada estivesse perto. Se isto ocorresse, estaria provado que as nuvens so eletricamente carregadas e, conseqentemente, que os relmpagos tambm so um fenmeno eltrico. Em maio de 1752, Thomas-Franois DAlibard demonstrou que a sugesto de Franklin estava certa e que os relmpagos, portanto, eram um fenmeno eltrico. Em junho de 1752, Franklin realizou outro experimento com o mesmo propsito, seu famoso experimento com uma pipa. Ao invs de utilizar um mastro metlico, ele usou uma pipa, pois ela poderia alcanar maiores altitudes e poderia ser usada em qualquer lugar. Novamente, fascas saltaram de uma chave colocada na extremidade do fio preso pipa em direo sua mo. A estrutura bsica de uma nuvem de tempestade, entretanto, s foi proposta no comeo do sculo 20. Ela pode ser descrita como um dipolo eltrico positivo (vide Fig. 4.2.1), composto por uma regio carregada positivamente acima de uma regio carregada negativamente.

Figura 4.2.1 Estrutura eltrica de uma nuvem de tempestadeA nuvem carregada, induz no solo cargas positivas, que ocupam uma rea correspondente ao tamanho da nuvem. A Fig. 4.2.2 ilustra este efeito. Como a nuvem arrastada pelo vento, a regio de cargas positivas no solo acompanha o deslocamento dela, formando uma forma de sombra de cargas positivas que seguem a nuvem.

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Figura 4.2.2 Formao de cargas positivas no soloTempestades so caracterizadas por relmpagos e troves. Elas so produzidas por uma ou mais nuvens cumulonimbus (Cb), tambm conhecidas como nuvens de tempestade. Uma tpica nuvem de tempestade tem um dimetro de 10-20 km, alcana altitudes de 10-20 km, dura em mdia 3090 minutos e move-se com uma velocidade de 40-50 km/h. Existem trs tipos de raios classificados pela sua origem: Da nuvem para o solo. Do solo para a nuvem. Entre nuvens. Os raios descendentes (da nuvem para o solo) de polaridade negativa so os mais freqentes. Nas descargas negativas nuvem/terra, o raio precedido por um canal ionizado descendente (lder), que se desloca no espao em saltos sucessivos de algumas dezenas de metros. medida que avana, o lder induz na superfcie da terra uma carga eltrica crescente de sinal contrrio. Com a aproximao do lder, o campo eltrico na terra torna-se suficientemente intenso para dar origem a um lder ascendente, que parte em direo ao primeiro. O encontro de ambos estabelece o caminho da corrente do raio (corrente de retorno), que ento se descarrega atravs do canal ionizado. A Fig. 4.2.3 ilustra o proceso de formao do raio. A quebra de rigidez do ar causada por um intenso campo eltrico de cerca de 100-400 kV/m. Os eltrons na regio de cargas negativas so to fortemente atrados pelas cargas positivas que comeam a se mover atravs do ar rumo a estas cargas criando um canal condutor. O processo de quebra de rigidez tem uma durao mdia de 100 milissegundos e , normalmente, localizado perto da regio de cargas negativas da nuvem. Este processo estabelece as condies para que as cargas negativas sejam levadas rumo ao solo.

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Figura 4.2.3 Formao do raioA figura 4.2.4 a forma de onda tpica de um raio.

Figura 4.2.4 Forma de onda tpica de um raioDurante as ltimas dcadas, relmpagos nuvem-solo tm sido detectados e mapeados em tempo real em diversas regies por vrios sistemas de deteco de relmpagos. Alguns pases, como os Estados Unidos, o Japo e o Canad, esto inteiramente cobertos por tais sistemas. Sobre os Estados Unidos, uma mdia de 20-30 milhes de relmpagos nuvem-solo tem sido detectados todo ano, desde 1989, ano em que tais sistemas comearam a cobrir integralmente todo o pas. Outros pases como o Brasil, esto parcialmente cobertos. Estimativas aproximadas indicam que cerca de 100 milhes de relmpagos nuvem-solo ocorrem no Brasil todo ano. O ndice mais tradicional para a identificao dos nveis de incidncia de raios em determinado local o ndice cerunico, que indica o nmero de dias do ano em que foi ouvida uma trovoada. A figura 4.2.5 apresenta o mapa das curvas isocerunicas do Brasil, que identificam as regies com o mesmo ndice cerunico. A figura 4.2.6 mostra o mapa das curvas isocerunicas da regio sudeste.

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Figura 4.2.5 Curvas isocerunicas-Brasil

possvel estabelecer um ndice mais preciso a densidade de descargas atmosfricas (Ng) que caracteriza o nmero de descargas anual para o solo em uma determinada regio (em raios/km2/ano). A probabilidade de uma estrutura ser atingida por um raio em um ano dada pelo produto da densidade de descargas atmosfricas para a terra pela rea de exposio equivalente da estrutura. No caso do Brasil, o ndice cerunico (Td) est correlacionado com a densidade de descargas (Ng) por meio da seguinte frmula emprica:

Ng = 0,04 Td1,25 [por km2/ano]

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Figura 4.2.6 Curvas isocerunicas-Regio Sudeste

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4.3-SISTEMAS DE PROTEO CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS

A ABNT, atravs da norma NBR 5419 Proteo de Estruturas contra Descargas Atmosfricas fixa as condies exigveis ao projeto, instalao e manuteno de sistemas de proteo contra descargas atmosfricas (SPDA) de estruturas, bem como de pessoas e instalaes. Nem sempre necessria a instalao de um SPDA e a norma apresenta um mtodo para determinar se um SPDA , ou no, exigido, e qual o nvel de proteo aplicvel. Deve-se ter em mente que um SPDA no impede a ocorrncia das descargas atmosfricas. Entretanto, um SPDA projetado e instalado conforme a NBR 5419 reduz de forma significativa os riscos de danos causados por descargas atmosfricas. Um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas subsistemas: constitudo pelos seguintes

a)-Subsistema de captores => parte destinada a interceptar as descargas atmosfricas. Em geral so hastes condutoras rgidas, montadas nos pontos mais altos da estrutura, em uma base com o objetivo de capturar o raio. b)-Subsistema de condutores de descida => parte destinada a conduzir a corrente de descarga atmosfrica desde o subsistema captor at o subsistema de aterramento. c)-Subsistema de aterramento => parte destinada a conduzir e a dispersar a corrente de descarga atmosfrica na terra.

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4.3.1-NVEIS DE PROTEO

Um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas no oferece garantia de 100% contra danos causados pelas descargas. Uma vez definida a necessidade de instalao de um SPDA, a NBR 5419 estabelece 4 nveis de proteo que podero ser adotados conforme a eficincia global desejada. So eles:

Este termo expressa a probabilidade de um SPDA proteger um volume contra os efeitos das descargas atmosfricas. O nvel de proteo do SPDA deve ser determinado conforme a tabela 4.3.1 abaixo.

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Tabela 4.3.1 Classificao de Estruturas e Nveis de Proteo

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4.3.2-SUBSISTEMA DE CAPTORES

Existem vrios mtodos para se captar as descargas atmosfricas. No Brasil, os mtodos admitidos pela ABNT na norma NBR 5419 so os seguintes: Mtodo de Franklin; Mtodo de Faraday; Mtodo Eletrogeomtrico. 4.3.2.1-MTODO DE FRANKLIN

Este mtodo considera a zona de proteo representada por um cone ao redor do terminal areo tendo um raio no solo funo do ngulo de proteo ().

Este ngulo depende do nvel de proteo desejado e da altura da estrutura, conforme pode ser observado na tabela 4.3.2 a seguir:

Tabela 4.3.2 ngulos de Proteo no Mtodo Franklin

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Estruturas cujo nvel de proteo desejado e a correspondente altura, estejam assinalados por um asterisco (*), no devem ser protegidas pelo mtodo de Franklin. Isto se deve ao fato de que muitas estruturas altas, protegidas por este mtodo, recebiam descargas laterais. Os ngulos de proteo e as correspondentes alturas mximas, para o nvel de proteo IV, so mostrados, de forma esquemtica, na figura 4.3.1 a seguir:

Figura 4.3.1 ngulos de Proteo para o Nvel de Proteo IV Mtodo Franklin

No Mtodo de Franklin podem ser usados, como captores, hastes metlicas de diversas alturas ou cabos estendidos horizontalmente. Quando se utiliza hastes, estas normalmente apresentam uma terminao vulgarmente denominada de pra-raios Franklin (Fig. 4.3.2). Recomenda-se que locais de antenas de TV, de rdio, antenas parablicas, ou letreiros luminosos, sejam protegidos pelo mtodo de Franklin.

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Figura 4.3.2 Pra-raios Franklin

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4.3.2.2-MTODO DE FARADAY

Este mtodo tem como princpio bsico a utilizao de condutores horizontais em forma de grade metlica para realizar a captura dos raios. Estes condutores formam uma malha ou gaiola, da o nome Gaiola de Faraday. O princpio bsico que a gaiola formada por vrias quadrculas de condutores que evitaro a penetrao do raio no interior da estrutura. Faraday demonstrou que quando as correntes uniformemente distribudas passam pela gaiola, o campo magntico no interior da mesma nulo. Quando as correntes no so uniformes o campo no seu interior no nulo, mas muito pequeno. O raio ao cair na estrutura, no produz uma dissipao uniforme. Por este motivo ocorrem indues internas devido variao do campo magntico existente no interior da gaiola. A proteo devida Gaiola de Faraday se d porque as correntes induzidas nas quadrculas criam campos magnticos de oposio, levando o raio para as bordas da malha, obrigando-o a fluir para o cabo de descida. Quanto mais malhada for a gaiola, melhor a blindagem e portanto, melhor a proteo.

Figura 4.3.3 Mtodo de Faraday

As dimenses das quadrculas da Gaiola de Faraday foram determinadas empiricamente, e so funo do nvel de proteo desejado.

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Apresenta-se a seguir, um exemplo de estrutura protegida com este mtodo.

Figura 4.3.4 Exemplo de proteo de estrutura com 20m de altura e nvel de proteo III

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4.3.2.3-MTODO ELETROGEOMTRICO

O modelo eletrogeomtrico, tambm designado mtodo da esfera rolante ou fictcia, serve para delimitar o volume de proteo dos captores de um SPDA, sejam eles constitudos de hastes, cabos, ou de uma combinao de ambos. um critrio especialmente til para estruturas de grande altura ou de formas arquitetnicas complexas, baseado no mecanismo de formao das descargas atmosfricas. O raio atinge o solo ou uma estrutura no local de onde partiu o lder ascendente e, como este se origina no ponto onde o campo eltrico mais intenso, o trajeto do raio no necessariamente vertical. Isto fica evidente quando estruturas altas so atingidas lateralmente pelos raios, no obstante estarem protegidas por captores no topo. Os pontos de maior intensidade de campo eltrico no solo e nas estruturas so geralmente aqueles mais prximos da extremidade do lder descendente. Portanto, a superfcie de uma esfera com centro na extremidade do lder e raio igual ao comprimento dos saltos antes do seu ltimo salto o lugar geomtrico dos pontos a serem atingidos pela descarga. Estes pontos podem ento ser simulados por uma esfera fictcia, cujo raio seja igual ao comprimento do ltimo trecho a ser vencido pelo lder descendente (comprimento R).

Figura 4.3.5 Conceito da distncia R

A distncia R entre o ponto de partida do lder ascendente e a extremidade do lder descendente o parmetro utilizado para posicionar os captores segundo o modelo eletrogeomtrico. Esta distncia, que define o raio da esfera rolante, depende da corrente do raio, sendo dada por: R = 10 x I 0,65 , onde R = raio da esfera rolante e I = corrente de crista do raio

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Figura 4.3.6 Mtodo da Esfera Rolante

Os locais onde a esfera tocar a edificao so os locais mais expostos a descargas. Resumindo, podemos dizer que os locais onde a esfera toca, o raio tambm pode tocar, devendo estes ser protegidos. Esta esfera ter um raio definido em funo do Nvel de Proteo.

O cone de proteo uma aproximao do volume protegido definido pelas esferas eletrogeomtricas. Para estruturas muito pequenas o volume protegido pelo pra-raios aproximadamente um cone. A zona de proteo calculada pelo mtodo eletrogeomtrico em geral menor que aquela obtida pela "teoria do cone de proteo" (Mtodo de Franklin).

Figura 4.3.7 Mtodo Franklin x Mtodo Eletrogeomtrico

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4.3.2.4-POSICIONAMENTO DOS CAPTORES SEGUNDO A NORMA ABNT 5419/2005

Para o correto posicionamento dos captores, devem ser observados os requisitos da tabela e da figura abaixo.Tabela 4.3.3 Posicionamento de captores conforme o nvel de proteo

Figura 4.3.8 Parmetros e volumes de proteo do SPDA

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4.3.3-SUBSISTEMA DE CONDUTORES DE DESCIDA

Os condutores de descida recebem as correntes distribudas pela captao encaminhando-as o mais rapidamente para o solo. Para edificaes com altura superior a 20 metros tm tambm a funo de receber descargas laterais, assumindo neste caso tambm a funo de captao devendo os condutores ser corretamente dimensionados para tal. A conduo das correntes at o solo dever ser realizada de modo a no causar danos na estrutura protegida, manter os potenciais em um nvel baixo e no produzir faiscamentos laterais com as estruturas metlicas prximas. O cabo de descida deve ser preferencialmente contnuo. Caso isto no seja possvel, devem ser utilizadas soldas exotrmicas para realizar as conexes. Como o raio produz aquecimento nos cabos de descida, os limites trmicos do cabo devem ser garantidos pelo dimensionamento adequado da sua bitola. A NBR 5419 prescreve o seguinte dimensionamento para estes cabos, em funo do material utilizado: MaterialDESCIDAS (para estruturas de DESCIDAS (para estruturas de altura at 20 m) altura superior a 20 m)

(mm)Cobre Alumnio Ao galvanizado

(mm) 35 70 50

16 25 50

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4.3.4-SUBSISTEMA DE ATERRAMENTO

Do ponto de vista da proteo contra descargas atmosfricas, um sistema de aterramento nico e integrado estrutura constitui a melhor soluo e assegura uma proteo completa (isto , proteo contra descargas atmosfricas, proteo das instalaes eltricas de baixa tenso, dos sistemas eletrnicos e de telecomunicao). Para assegurar a disperso da corrente de descarga atmosfrica na terra sem causar sobretenses perigosas, o arranjo e as dimenses do subsistema de aterramento so mais importantes que o prprio valor da resistncia de aterramento. Entretanto, recomenda-se, para o caso de eletrodos no naturais, uma resistncia de aproximadamente 10 , como forma de reduzir os gradientes de potencial no solo e a probabilidade de centelhamento perigoso. Os seguintes tipos de eletrodo de aterramento podem ser utilizados: a) aterramento natural pelas fundaes, em geral as armaduras de ao das fundaes; b) condutores em anel; c) hastes verticais ou inclinadas; d) condutores horizontais radiais; As figuras a seguir apresentam exemplos de eletrodos

Eletrodo Natural

Eletrodo Embutido em Concreto

Haste Vertical 60

O comprimento total dos eletrodos de aterramento, conforme o nvel de proteo e para diferentes resistividades do solo, dado na figura abaixo

Figura 4.3.9 Comprimento mnimo de eletrodos de aterramento

4.3.4.1-Arranjos de Eletrodos

A norma NBR 5419 estabelece dois possveis arranjos de eletrodos de aterramento:a)-Arranjo A

indicado para solos de baixa resistividade (at de 100 .m) e para pequenas estruturas (com permetro at 25 m) Este arranjo composto de eletrodos radiais (verticais, horizontais ou inclinados). Cada condutor de descida deve ser conectado, no mnimo, a um eletrodo distinto. Devem ser instalados, no mnimo, dois eletrodos que no devem ter comprimento inferior ao estabelecido na figura 4.3.9 acima, assim determinado: a) l - para eletrodos horizontais radiais; b) 0,5 l - para eletrodos verticais (ou inclinados)b)-Arranjo B

Este arranjo composto de eletrodos em anel ou embutidos nas fundaes da estrutura e obrigatrio nas estruturas de permetro superior a 25 m.

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4.3.4.2-Instalao de eletrodos de aterramento no naturais

a)-Com exceo dos eletrodos de aterramento naturais prescritos anteriormente, os eletrodos de aterramento preferencialmente devem ser instalados externos ao volume a proteger, a uma distncia da ordem de 1 m das fundaes da estrutura. b)-Eletrodos de aterramento formados de condutores em anel, ou condutores horizontais radiais, devem ser instalados a uma profundidade mnima de 0,5 m. Nos eletrodos radiais, o ngulo entre dois condutores adjacentes no deve ser inferior a 60. c)-Hastes de aterramento verticais (ou inclinadas), instaladas em paralelo, devem ser, quando possvel uniformemente, distribudas no permetro da estrutura, espaadas entre si por uma distncia no inferior ao seu comprimento. d)A profundidade e o tipo dos eletrodos de aterramento devem ser escolhidos de forma a minimizar os efeitos da corroso e do ressecamento do solo, e assim estabilizar a resistncia de aterramento. Em solos de rocha viva, aplica-se o arranjo de aterramento B se no for possvel fazer aterramento pelas fundaes; os condutores devem ser cobertos por uma camada de concreto para proteo mecnica.

4.3.4.3-Mtodo preferencial de aterramento das instalaes

Apesar da popularidade dos eletrodos, importante destacar que a norma NBR 5410 declara como eletrodo de aterramento preferencial das instalaes aquele que utiliza a ferragem da fundao do concreto armado. Essa soluo resulta em uma baixssima resistncia de aterramento (geralmente menor que 1 ohm) e, principalmente proporciona uma equalizao completa dos potenciais das diversas massas e da estrutura da edificao, graas interligao com a ferragem das lajes. Nesse sistema de eletrodo, recomenda-se que seja executado um anel envolvendo as fundaes da periferia da edificao conforme figura 4.3.10. Esse anel pode ser realizado com a prpria ferragem envolvida em concreto ou, o que mais prtico, com a utilizao de um cabo de cobre nu, de seo mnima 25 mm2, enterrado e interligado por conector apropriado ou solda exotrmica ferragem da fundao. Em um ponto desse cabo de cobre, deriva-se outro cabo que ser ligado ao Terminal de Aterramento Principal (TAP) da instalao.

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Figura 4.3.10 Aterramento preferencial de um SPDA

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