Experiência 02 Ensaio do Disjuntor de Baixa Tensão

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1 Universidade Federal de Santa Catarina Departamento de Engenharia Elétrica Laboratório de Materiais Elétricos EEL 7051 Professor Clóvis Antônio Petry Experiência 02 Ensaio do Disjuntor de Baixa Tensão Fábio P. Bauer Tiago Natan A Veiga Florianópolis, julho de 2006.

2 2 Sumário 1. Objetivos Introdução Disjuntores Ensaios de Laboratório Materiais Utilizados Apresentação dos Resultados Conclusões Bibliografia... 16

3 3 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.

4 4 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.

5 5 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.

6 6 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. S 1 T 1 + v i Dj1 Djteste Varivolt 100 :1 i curto 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).

7 7 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

8 8 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 que mostra os dados relativos ao experimento realizado.

9 9 Disjuntor PIAL LEGRAND Constante de Multiplicação Corrente Desejada [A] Pico de Corrente Medida[A] Tempo (s) Ponto No Gráfico ,4 6,56 A ,0 2,44 B , C , D ,0 9, E Tabela 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 Pontos obtidos experimentalmente

10 10 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 Primeira aquisição Figura Segunda aquisição

11 11 Figura Terceira aquisição Figura Quarta aquisição

12 12 Figura Quinta aquisição Figura Sexta aquisição

13 13 c. Comentar os resultados obtidos com o ensaio dos disjuntores. Os gráficos das aquisições mostrados nas figuras a estão de acordo com o gráfico da Figura 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 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

14 14 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.

15 15 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.

16 16 6. Bibliografia [1] PETRY, C.A. : Ensaio do Disjuntor de Baixa Tensão. Disponível em< Acesso em 08 jul.2006 [2] WIKIPÉDIA: Disjuntor. Dispnível em.< Acesso em 09 jul [3] GE SISTEMAS INDUSTRIAIS: Como especificar um disjuntor. Disponível em.< Acesso em 09 jul