2-1

Capítulo2 CHAVES-FUSÍVEIS PARA PROTEÇÃO DE ALIMENTADORES E TRANSFORMADORES

2.1 Introdução

Classicamente, os sistemas de distribuição primários, aéreos, trifásicos e aterrados, constituídos por condutores nus, têm os seus sistemas de proteção de sobrecorrentes constituídos por chaves-fusíveis, religadores, relés em conjunto com disjuntores e seccionalizadores ou chaves seccionadoras automáticas.

Por razões didáticas, este Curso será iniciado pelo estudo das chaves-fusíveis e seus respectivos elos. Nos itens que seguem serão vistos o princípio de funcionamento de chave-fusível, as suas características para especificação, o dimensionamento de elos-fusíveis e a filosofia de coordenação entre os mesmos.

2.2 Chaves fusíveis Aqui serão abordados os principais tipos de chaves-fusíveis, suas características para especificação, princípio de funcionamento e critérios de dimensionamento. As chaves-fusíveis são dispositivos eletromecânicos que têm como função básica, interromper o circuito elétrico quando ocorrer a fusão do elo-fusível. Possuem as seguintes características para especificação :

• Tensão nominal; • Nível básico de isolamento para impulso (NBI); • Freqüência; • Corrente nominal; • Corrente de interrupção (capacidade de interrupção); • Corrente de curta-duração

Sob o ponto de vista de proteção, a característica mais importante é a corrente de interrupção, que deve ser especificada com base no valor assimétrico da corrente do maior curto-circuito no ponto de instalação da chave. De acordo com sua aplicação as chaves-fusíveis são classificadas em dois tipos: distribuição e força.

a) Chaves-fusíveis de distribuição São identificadas pelas características inerentes aos sistemas de distribuição: • NBI de sistemas de distribuição (para a classe de tensão 15kV: 95 ou 110kV); • Mecanicamente, são construídas para montagem em cruzetas; • Tensões nominais de sistemas de distribuição. No Brasil, as mais comuns são: 11,4kV, 13,2kV, 13,8kV ( estas são consideradas da classe 15kV) e 34,5kV.

b) Chaves-fusíveis de força De modo geral, são empregadas em subestações para proteção de barramentos, transformadores, bancos de capacitores, e "bypass" de disjuntores. Possuem NBI para classes de tensões mais elevadas (69kV, 138kV, por exemplo), cujos os Níveis Básicos de Isolação (NBI) são 350kV e 650kV, respectivamente. Geralmente, as capacidades de interrupção são superiores às das chaves-fusíveis de distribuição. Mecanicamente , são construídas para montagens em estruturas de subestações. De maneira geral, as chaves-fusíveis empregadas até 25kV, são ditas de distribuição. Acima deste valor, são consideradas de força. Entretanto, essa regra não é rígida.

2-2

Baseado na construção, as chaves-fusíveis podem ser do tipo aberta ou fechada:

a) Tipo fechada : O cartucho e as garras estão montados dentro de uma caixa protetora de material isolante.

b) Tipo aberta : O cartucho e as garras não possuem caixa protetora.

Quanto ao modo de operação, podem ser:

a) De expulsão; b) Imersas em óleo; c) Limitadora de corrente No Brasil, são fabricadas e largamente empregadas as chaves-fusíveis de expulsão, monofásicas, com

cartucho em fibra isolante, abertas, não repetitivas e indicadoras, conhecidas também como "chaves Matheus" . O princípio de funcionamento se baseia na extinção do arco elétrico formado dentro do cartucho ou canela, devido a abertura do circuito após a fusão do elo-fusível. O arco irá queimar o tubinho e/ou paredes do cartucho, produzindo gases desionizantes (CO2 , nitrogênio, etc), que irão extinguí-lo. Além disso, a expansão destes gases no interior do cartucho, dá origem a uma intensa diferença de pressão interna, que irá expulsar os mesmos pela parte inferior. Isto origina um empuxo para cima (princípio da ação e reação) , que desconecta o contato superior do cartucho do contato da chave, fazendo-o girar através de uma junta articulada. Após a operação da chave, o cartucho fica "pendurado", indicando a operação ("canela arriada"). Daí, dizer-se que a chave tem a propriedade indicadora ou sinalizadora visual .

Os principais componentes de uma chave-fusível tipo expulsão são : • Elo-fusível (liga de material condutor); • Cartucho ou canela (tubo de fibra isolante); • Isolador (porcelana ou resina epoxi); • Base ou dispositivo de fixação (aço zincado).

É importante observar que este tipo de chave-fusível não deve ser empregado para manobra de circuito com carga, pois são do tipo "seca" , isto é, os seus contatos não possuem meios de interrupção de arco (óleo, SF6 , etc.). A abertura de circuito com carga leva a um desgaste prematura dos contatos da chave. Além disso, pode provocar danos físicos e risco de vida à pessoa que está realizando a operação de abertura, principalmente nos dias chuvosos. Isto acontece porque, no momento da abertura, o arco elétrico pode envolver a cruzeta e, estando esta aterrada, vai originar um curto-circuito fase-terra, que, por sua vez, poderá produzir tensões de passo elevadas. Foram desenvolvidos alguns acessórios para essas chaves que, quando instalados, possibilitam, com segurança, a abertura de circuitos com carga. Um desses acessórios, bastante utilizado, é o "gancho" próprio para o "load buster". Existem chaves que sãor equipadas com câmara de extinção de arco.

Geralmente, o cartucho e o elo-fusível são intercambiáveis, isto é, podem ser substituídos por outros do mesmo fabricante ou de outros.

A instalação da chave na cruzeta, forma um ângulo de aproximadamente 70o , em relação à horizontal para, através da ação da gravidade, facilitar o giro do cartucho após a operação.

2-3

A Tabela 2.1 fornece as chaves mais usadas no Brasil na classe 15kV : Tab. 2.1 Chaves-fusíveis mais usadas no Brasil

Tensão

Nominal

NBI

Corrente

Observação

(kV) (kV) Nominal

(A)

De interrupção Assímetrica

(kA)

15 95 50 1,2 * 15 95 100 2 * 15 95 100 4 ou 5 * 15 95 100 8 ou 10 * 15 110 200 4 ou 8 * 15 110 300 10 *

* Pode ser equipada com ganchos próprios para "Load Buster" (dispositivo que permite abrir a chave-fusível em carga).

2.3 Dimensionamento de chaves-fusíveis Para especificar uma chave-fusível, é necessário o dimensionamento da capacidade de interrupção e da corrente nominal. Para isso, deve-se conhecer as correntes de carga e de curto-circuito máximas no ponto de instalação da mesma.

Deverão ser observados os critérios a seguir : a) A corrente nominal da chave deverá ser igual ou maior do que a corrente de carga máxima, no

ponto de instalação da mesma, multiplicada por um fator k ; ou superior ao valor da corrente admissível do fusível empregado, também multiplicada por K.

IkI MAX,CCH,N ××××≥≥≥≥ (2.1)

Onde : IN,CH : Corrente nominal da chave; IC, MAX : Corrente de carga máxima no ponto de instalação; K : Fator de segurança, comumente tomado com valor 1,5 . Mas, pode ser qualquer valor entre 1 e 2

O fator de segurança K, é empregado para levar em conta situações de remanejamento de carga, de sobrecarga ou o próprio crescimento de carga do circuito. O seu valor é tomado de acordo com a condição de operação do circuito, geralmente, para o caso mais desfavorável ou mais freqüente. Para o caso de crescimento de carga, o fator K é determinado pela expressão :

n)a1(k ++++==== (2.2)

Onde : n : número de anos do planejamento (em sistemas de distribuição é comum se empregar dois anos: n=2); a : taxa de crescimento anual do sistema. É mais comum ser utilizado o critério de corrente admissível do fusível empregado, ou seja:

FUS,ADMCH,NOM IkI ××××≥≥≥≥ (2.3)

2-4

Onde: I NOM, CH : Corrente nominal da chave I ADM ,FUS : Corrente admissível do fusível. K : fator de segurança, geralmente é tomado com o valor 1,5 . b) A corrente de interrupção da chave deverá ser igual ou superior ao maior valor assimétrico da

corrente de curto-circuito no ponto de instalação da mesma.

)I( maiorI ASSIM,CURTOCH,INT ≥≥≥≥ (2.4)

Onde: I INT, CH : Maior corrente que a chave é capaz de interromper ser sofrer danos (capacidade de interrupção) I CURTO, ASSIM : Maior corrente de curto-circuito, valor assimétrico, no ponto de instalação.

2.4 Elos-fusíveis

Os elos-fusíveis são a parte ativa da chave-fusível, ou seja, são os elementos sensores que detectam a sobrecorrente e juntamente com o cartucho, interrompem o circuito. Não devem fundir com a corrente de carga do equipamento ou do circuito protegido e devem obedecer as curvas características tempo x corrente fornecidas pelos fabricantes. Os elos-fusíveis são identificados por sua corrente nominal e tipo, devendo ainda aparecer (geralmente no botão) o nome ou marca do fabricante. São constituídos das seguintes partes:

• Botão com arruela; • Elemento fusível; • Tubinho; • Rabicho

São classificados em dois grandes grupos: distribuição e força. a) De distribuição :

• Tipo K - Elos-fusíveis rápidos; • Tipo T - Elos-fusíveis lentos Tipo H - Elos-fusíveis de alto surto (high surge), de ação lenta para surtos de corrente (a corrente transitória de magnetização de transformador, por exemplo) . São fabricados somente para pequenas correntes nominais. Geralmente, são usados para proteger transformadores de pequenas potências (até 75 kVA) e pequenos bancos de capacitores.

Correntes nominais normalmente padronizadas para esses elos-fusíveis: • Valores preferenciais para os tipos K e T : 1, 2, ,5 , 6 , 10 , 15 , 25 , 40 , 65 , 100 , 140 e 200 A • Valores não preferenciais para os tipos K e T: 8 , 12 , 20 , 30 , 50 e 80 A . • Valores para os tipo H : 1 , 2 , 3 , 5 A .

Os elos-fusíveis K e T , geralmente admitem correntes 50% acima da nominal (corrente admissível). Por exemplo, o elo de 10K admite uma corrente de 15A . Isto é, permite uma sobrecarga.

2-5

NOMADM I5,1I ××××==== (2.5) Onde : IADM : Corrente admissível INOM : Corrente nominal Na Tabela 2.2, estão dadas as correntes nominais e admissíveis dos elos K e H mais comuns, com as respectivas chaves. b) De força : • Tipo EF - Elos-fusíveis rápidos; • Tipo ES - Elos-fusíveis lentos

Tab. 2.2 Correntes nominais e admissíveis de elos H e K e as respectivas chaves-fusíveis

Elo-fusível

Chave-fusível : corrente nominal

(A)

Corrente nominal

(A)

Corrente admissível

(A)

Tipo H

1 1 2 2 3 3 5 5

Tipo K

50 6 9 8 12 10 15 12 18 15 22,5 20 30 25 37,5 30 45

40

60

50 75 100 65 97,5

80

120

100 150 200 140 190 200 200

O funcionamento do elo-fusível, se baseia na fusão do elemento fusível (geralmente de liga de estanho ou prata) por efeito Joule, quando a corrente passante está superior a corrente admissível. A maioria dos elos atingem o ponto de fusão em uma temperatura próxima de 230o C. Para a corrente admissível, o elo trabalha com temperatura em torno de 100o C .

2-6

Devido o arco elétrico, em tensões elevadas (classe 15kV, ou superiores, por exemplo), a fusão do elo geralmente não interrompe o circuito. Para interrompe-lo efetivamente, torna-se necessário a extinção do arco. Isso é feito por gases desionizantes produzidos no interior do cartucho, em conseqüência da queima do tubinho e/ou das paredes internas do próprio cartucho. A energia liberada pelo arco vai depender do tempo, da tensão e da corrente. Se o cartucho não for adequado, dependendo da energia, pode ocorrer "inchaço", explosões ou outros danos mecânicos.

Os fabricantes de elos-fusíveis fornecem, por bitola, curvas características tempo x corrente de fusão e interrupção, conhecidas como:

• Curvas de tempos mínimos de fusão; • Curvas de tempos máximos de fusão; • Curvas de tempos totais de interrupção

As curvas de tempos mínimo e máximo de fusão são determinadas em ensaios de fusão de várias amostras, feitos com baixa tensão para não haver formação de arco. As curvas de tempos totais de interrupção, ou tempos máximos de aberturas, são determinadas por ensaios efetuados sob 15kV, havendo, portanto a ocorrência de arco elétrico. A ABNT postula também que as curvas de tempos totais podem ser obtidas das curvas de tempos máximos de fusão mediante a adição de tempos de arco (em torno de 10ms). Para a coordenação ou seletividade de elos-fusíveis são usadas as curvas de mínimos tempos de fusão e de máximos tempos totais de interrupção.

2.5 Dimensionamento de elos-fusíveis Na distribuição aérea primária, a maior aplicação de elo-fusível é na proteção de transformadores e ramais. Para cada caso existem critérios a serem observados, que serão apresentados nos parágrafos seguintes. 2.5.1 Elos-fusíveis para proteção de transformador Os elos-fusíveis de proteção de transformador, devem satisfazer aos seguintes requisitos:

a) Operar para curtos-circuitos no transformador ou na rede secundária; b) Suportar continuamente, sem fundir, a sobrecarga permissível ao transformador. Para

transformador de distribuição, admite-se uma sobrecarga de duas vezes a sua carga nominal. c) De acordo com a curva de tempos máximos admissíveis para sobrecorrentes em

transformador, deverá fundir num tempo inferior a 17s , com correntes de 2,5 a 3 vezes a corrente nominal do transformador;

d) Não deverá fundir para a corrente transitória de energização do transformador, estimada em 8 a

12 vezes a sua corrente nominal (para transformador com potência até 2MVA). Considera-se este transitório com duração em torno de 0,1s.

e) Deve coordenar com as proteções à montante e a jusante do transformador; f) Deve coordenar com a curva térmica do transformador. Para facilidade de aplicação, os catálogos de fabricantes fornecem tabelas com os elos-fusíveis

apropriados para proteção de transformadores de distribuição (Tabela 2.3).

2-7

Tab. 2.3 Elos-fusíveis para proteção de transformadores trifásicos de distribuição

Potência do

Transformador trifásico Transformador 6,6 kV 13,8 kV 22 kV

(kVA) Corrente (A)

Fusível Corrente (A)

Fusível Corrente (A)

Fusível

15 1,31 1H 0,63 1H 0,39 - 30 2,62 3H 1,26 2H 0,79 - 45 3,94 5H 1,88 3H 1,18 1H 75 6,56 8K 3,14 5H 1,97 2H

112,5 9,84 10K 4,71 6K 2,95 5H 150 13,12 15K 6,28 8K 3,94 5H 225 19,68 20K 9,41 10K 5,90 6K 300 26,24 30K 12,55 15K 7,87 10K

2.5.2 Elos-fusíveis para proteção de circuitos primários O dimensionamento de elos-fusíveis para proteção de circuitos primárias, leva em conta os critérios de corrente e seletividade.

a - A corrente nominal do 1o elo-fusível de um ramal, no sentido da carga para a fonte, deverá ser igual ou maior do que 1,5 vezes o valor máximo da corrente de carga medida ou convenientemente avaliada no ponto considerado .

MAX , CARGAELO ,NOM I5,1I ××××≥≥≥≥ (2.6)

b- Os demais elos-fusíveis instalados à montante do anterior, deverão obedecer aos critérios a seguir:

b.1- A capacidade nominal do elo-fusível deverá ser igual ou maior do que 1,5 vezes o valor máximo da corrente de carga medida ou convenientemente avaliada no ponto de instalação; b.2 - A capacidade nominal do elo-fusível protetor deverá ser, no máximo, um quarto (1/4) da corrente de curto-circuito fase terra mínimo no fim do trecho protegido por ele; b.3 - O elo protegido, deverá coordenar com o elo protetor, pelo menos, para o valor da corrente de curto-circuito fase-terra mínimo no ponto de instalação do elo protetor.

c - Quando existir três ou mais elos-fusíveis em cascata, poderá se tornar impraticável a obediência aos critérios anteriores. Portanto, deverá ser sacrificada a perfeição da coordenação, mantendo-se, porém, a seletividade. d - Para maior facilidade de coordenação de elos-fusíveis, deverá ser evitado o uso de elos tipo H como proteção de circuitos, ficando restrito à proteção de transformadores de distribuição. Para proteção de circuitos deverão ser empregados apenas elos tipo K ou T. e - Para ampliar a faixa de coordenação e reduzir o número de elos utilizados, recomenda-se optar, sempre que possível, pela utilização de elos-fusíveis preferenciais. f - Para a coordenação de elos, deve-se utilizar as Tabelas de Coordenação (2.4 , 2.5 , 2.6 e 2.7) fornecidas pelos fabricantes. Na falta destas, podem-se determinar os valores limites de coordenação pelas curvas tempo x corrente. Para isso, a coordenação é considerada satisfatória quando:

2-8

“O tempo total de interrupção do fusível protetor não exceder 75% do mínimo tempo de fusão do fusível protegido” .

PROTEGIDO ELO , FUS MINPROTETOR ELO ,INT t75,0t ××××≤≤≤≤ (2.7)

Em um sistema elétrico radial , o elo-fusível mais próximo do local da falta (F) é chamado de

protetor (proteção principal), e o elo na retaguarda deste, é conhecido como protegido (proteção de retaguarda) (Fig 2.1) . Explicando melhor, para todas as faltas no trecho AB, protegido por 1, este deverá queimar antes do 2 .

Tab. 2.4 Coordenação de elos K e H

Elo protegido Elo protetor 8K 10K 12K 15K 20K 25K 30K 40K 50K 65K 80K 100K 140K 200K 1H 125 280 380 510 650 840 1060 1350 1700 2200 2800 3900 5800 9200 2H 45 220 450 650 840 1060 1350 1700 2200 2800 3900 5800 9200 3H 45 220 450 650 840 1060 1350 1700 2200 2800 3900 5800 9200 5H 45 220 450 650 840 1060 1350 1700 2200 2800 3900 5800 9200 8H 45 220 450 650 840 1060 1350 1700 2200 2800 3900 5800 9200 Tab. 2.5 Coordenação de elos T e H

Elo protegido Elo protetor 8T 10T 12T 15T 20T 25T 30T 40T 50T 65T 80T 100T 140T 200T 1H 400 520 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 2H 240 500 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 3H 240 500 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 5H 240 500 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 8H 240 500 710 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200

S

S

Fonte

F

Elo protegido

Elo Protetor

Fig. 2.1 – Elos protetor e protegido

A

B

1

2 IF

Corrente de falta

2-9

Tab. 2.6 Coordenação de elos K

Elo protegido Elo protetor 8K 10K 12K 15K 20K 25K 30K 40K 50K 65K 80K 100K 140K 200K 6K 190 350 510 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 8K 210 440 650 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 10K 300 540 840 1060 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 12K 320 710 1050 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 15K 430 870 1340 1700 2200 2800 3900 5800 9200 20K 500 1100 1700 2200 2800 3900 5800 9200 25K 660 1350 2200 2800 3900 5800 9200 30K 850 1700 2800 3900 5800 9200 40K 1100 2200 3900 5800 9200 50K 1450 3500 5800 9200 65K 2400 5800 9200 80K 4500 9200 100K 2000 9100 140K 4000 Tab. 2.7 Coordenação de elos T

Elo protegido Elo protetor 8T 10T 12T 15T 20T 25T 30T 40T 50T 65T 80T 100T 140T 200T 6T 350 680 920 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 8T 375 800 1200 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 10T 530 1100 1500 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 12T 680 1280 2000 2540 3200 4100 5000 6100 9700 15200 15T 730 1700 2500 3200 4100 5000 6100 9700 15200 20T 990 2100 3200 4100 5000 6100 9700 15200 25T 1400 2600 4100 5000 6100 9700 15200 30T 1500 3100 5000 6100 9700 15200 40T 1750 3800 6100 9700 15200 50T 1750 4400 9700 15200 65T 2200 9700 15200 80T 7200 15200 100T 4000 13800 140T 7500

2-10

2.6 Exercício de aplicação Para o sistema de distribuição dado na Fig. 2.2, pede-se fazer o dimensionamento dos elos-fusíveis e

das respectivas chaves. Para o caso dos elos, observar a coordenação entre eles. Resolução: a) Dimensionamento dos elos-fusíveis dos transformadores

No dimensionamento dos elos foi utilizada a Tabela 2.3 . b) Dimensionamento dos elos-fusíveis dos ramais Para isso, é necessário se conhecer as correntes de carga e de curtos-circuitos, conforme estão dadas na Fig. 2. 3. ♦ Critério de corrente • INOM, ELO 4 ≥ 1,5 x 6,3 � INOM, ELO 4 ≥ 9,45 A � 10K , 12K , 15K … • INOM, ELO 4 ≤ 1/4 x 125 � INOM, ELO 4 ≤ 31,25 � 10K, 12K, 15K, 20K, 15K, 30K ♦ Critério de coordenação • Pela tabela de coordenação de elos K e H (Tabela 2.4), verifica-se que no ponto 4 deve ser instalado o

elo 12K , pois coordena com o 5H (ponto 1) para a corrente limite de 220A , satisfazendo aos critérios de corrente e coordenação. Como o 12K coordena com o 5H, então, automaticamente, coordenará com os elos 2H e 3H.

• No ponto 5, será colocado o elo 20K, pois satisfaz ao critério de corrente e coordena com o 12K até o limite de corrente de 320A (vê Tabela 2.6).

S/E

Fig. 2.2 – Exercício de aplicação de elo e chave-fusível

S S S

S

S

500kVA

150kVA

75kVA

30kVA

45kVA

33,5 A

6,3 A

12,6 A

6,3 A 2 1

3

5

4

Transformador de distribuição

13,8 kV

2-11

c) Dimensionamento das chaves-fusíveis De acordo com os critérios dados nas Equações 2.3 e 2.4 e as Tabelas 2.1 e 2.2, a chave com a especificação a seguir satisfaz a todos os pontos. • Corrente nominal = 50 A; • Capacidade de interrupção = 1,2 kA; • Tensão nominal = 13,8 kV; • Classe de tensão 15 kV; • NBI = 95 kV;

Na Fig. 2.3, tem-se o resumo do exercício resolvido. É importante que após o dimensionamento dos

elos-fusíveis, eles sejam alocados no diagrama unifilar do sistema, conforme foi feito.

ICC,φφφφ

ICC,2φφφφ

ICC,3φφφφ

S/E

Fig. 2.3 – Exercício de aplicação de elo e chave-fusível

S S

S

S

S 75kVA

30kVA

45kVA

2H

3H

5H 12K

20K

33,5 A

6,3 A

12,6 A

6,3 A

810

778

565

275 245 170

210 185 125

230

206

130

335

310

225

2 1

3

5

4

Legenda

Curto trifásico

Curto bifásico

Curto fase-terra

2-12

2.7 Exercício proposto Dimensionar e especificar os elos-fusíveis e as respectivas chaves do sistema de distribuição dado abaixo.

ICC,φφφφ

ICC,2φφφφ

ICC,3φφφφ

Legenda

Curto trifásico

Curto bifásico

Curto fase-terra

S/E

S

S

S

S

75kVA

125kVA

155 A

25 A

450

390

300

300

260

200

380

329

230

600 520

500

carga

carga