UC02936 · Comando e protecção eléctrica

Introdução

Esta unidade (25h) aborda os componentes de comando e protecção de circuitos eléctricos industriais — disjuntores, diferenciais, contactores, relés térmicos. Complementa UC02862 (circuitos electromecânicos) e UC02934 (máquinas rotativas) com foco na selecção, dimensionamento e coordenação destes componentes.

1. Princípios de protecção

Riscos a evitar em qualquer instalação eléctrica:

• Sobrecarga: corrente acima do nominal. Causa aquecimento progressivo dos cabos. Sem protecção, isolamento queima → curto-circuito → incêndio.
• Curto-circuito: corrente muito elevada (centenas-milhares de A) instantânea. Cabos podem fundir, arco eléctrico, projecção de material em fusão.
• Fuga à terra: corrente passa pelo corpo humano (electrocussão) ou estrutura metálica. Pode ser letal.
• Sobretensão: surtos atmosféricos ou de comutação. Danifica electrónica sensível.
• Subtensão: motores trifásicos podem queimar; equipamentos electrónicos funcionam mal.
• Falta de fase: em trifásico, motor com 2 fases puxa corrente excessiva e queima rapidamente.

Hierarquia

Numa instalação típica há múltiplos níveis de protecção: 1. Geral: disjuntor + DR no quadro principal. 2. Por circuito: disjuntor (e DR se aplicável) por cada ramal. 3. Por equipamento: protecções específicas (relé térmico em motores, fusíveis em electrónica).

Selectividade

Princípio: falha numa parte não afecta o resto. Protecção mais próxima da falha dispara, protecções a montante mantêm-se fechadas.

2. Disjuntores

2.1 Magnetotérmico (standard)

Combina 2 protecções: - Térmica (lâmina bimetálica): protege contra sobrecarga. Disparo lento (segundos-minutos), tempo depende da magnitude. - Magnética (bobina + núcleo): protege contra curto. Disparo instantâneo (< 0,01 s) acima de um certo valor.

Conhecido também como MCB (Miniature Circuit Breaker) em formato modular DIN.

2.2 Curvas de disparo (IEC 60898)

Disjuntor com curva errada = falsos disparos (curva B com motor) ou falha em curto (curva D com iluminação).

2.3 Calibres standard

Em Amperes: 0,5; 1; 1,6; 2; 3; 4; 6; 10; 13; 16; 20; 25; 32; 40; 50; 63; 80; 100; 125; 160; 200; 250; 400; 630; 800; 1000; 1250; 1600...

Para residência: 6-63 A típico. Para industrial: 16-1000 A típico.

2.4 Capacidade de corte (Icc)

Máxima corrente que o disjuntor consegue interromper sem destruir-se. Em kA:

• 3 kA, 4,5 kA: residência rural com rede fraca.
• 6 kA: residência urbana standard (mínimo RTIEBT).
• 10 kA: pequeno-médio comercial.
• 15 kA, 25 kA: industrial.
• 50 kA, 100 kA: grande industrial, perto de PT.

Regra: Icc do disjuntor ≥ corrente de curto-circuito presumida no ponto de instalação. Calcular ou consultar com distribuidor de energia.

2.5 Disjuntores especiais

• MPCB (Motor Protection Circuit Breaker): disjuntor + relé térmico ajustável integrado. Standard para motores até ~30 kW. Marcas: Schneider GV2, ABB MS, Siemens 3RV.

• Disjuntor de caixa moldada (MCCB): para correntes elevadas (100-1600 A). Ajustáveis em corrente de disparo (Ir) e tempo (Ix). Schneider Compact NSX, ABB Tmax.

• Disjuntor automático aberto (ACB): para correntes muito elevadas (800-6300 A). Pode ser comandado à distância. Schneider Masterpact, ABB Emax.

• Disjuntor seleccionável: com função "Selective" (atraso intencional de disparo). Usado a montante para selectividade total.

2.6 Marcas e refs

Schneider Electric: - iC60 (residencial-comercial até 63 A). - NSX (industrial até 630 A). - Masterpact (até 6300 A).

ABB: - S200 (residencial). - Tmax (industrial até 1600 A). - Emax (até 6300 A).

Siemens: - 5SY (modular). - 3VA (caixa moldada).

3. Diferenciais (DR/RCD)

3.1 Princípio

Mede balanço entre corrente que entra (linha) e que sai (neutro). Em condições normais, são iguais. Se há fuga (corrente passa pelo corpo, equipamento, terra), há desequilíbrio.

I_linha - I_neutro = I_diferencial

Se I_diferencial > I_setpoint → DR dispara em < 30 ms (instantâneo) ou < 300 ms (selectivo)

Toroide envolve os condutores; se houver desequilíbrio, induz tensão no enrolamento secundário → relé dispara.

3.2 Sensibilidades (I_Δn)

• 300 mA: protecção contra incêndio (corrente em isolamento degradado pode causar arco). Quadros gerais.
• 30 mA: protecção contra electrocussão (corrente de 30 mA é o limite que o corpo aguenta sem fibrilação ventricular). Obrigatório RTIEBT em circuitos de tomadas.
• 10 mA: zonas críticas (hospitais, áreas húmidas).
• 6 mA: zonas médicas críticas (salas cirúrgicas).

3.3 Tipos por forma de onda

• AC: detecta apenas corrente alternada sinusoidal pura. Standard básico, sem electrónica downstream.
• A: detecta CA + corrente pulsante CC (electrónica simples como balastros, fontes lineares).
• B: detecta CA + CC pulsante + CC suave. Necessário em circuitos com VFD (variadores), inversores fotovoltaicos.
• F: para VFD com modulação especial.

Erro comum: usar DR tipo AC em circuito com VFD → DR não detecta fugas CC → falsa segurança.

3.4 Selectividade entre DRs

Disjuntor diferencial selectivo (S) tem atraso intencional (~40 ms) para permitir DR a jusante (instantâneo) disparar primeiro.

DR geral 300 mA "S" (selectivo, ~40 ms) ──┬── DR 30 mA "instantâneo" ── Carga
                                          └── DR 30 mA "instantâneo" ── Carga

Sem o "S" no DR geral, fuga numa carga pode disparar ambos os DRs simultaneamente → corte geral.

3.5 Combinados

DR-MGT (disjuntor diferencial magnetotérmico): combina num só módulo: - Protecção térmica (sobrecarga). - Protecção magnética (curto). - Protecção diferencial (fuga).

Mais compacto mas mais caro. Standard em residência moderna.

3.6 Teste mensal

Botão TEST no DR cria fuga artificial para testar funcionamento. Premir mensalmente. Se DR não disparar → substituir imediatamente (não está a proteger).

4. Contactores

4.1 Princípio e construção

Já tratado em UC02862. Resumo aqui: - Bobina (A1-A2) com 24V, 110V, 230V CC ou CA. - Contactos principais (1-2, 3-4, 5-6) para potência. - Contactos auxiliares (13-14 NO, 21-22 NC) para comando. - Numeração padronizada IEC 60947.

4.2 Categorias de uso

IEC 60947-4-1:

• AC1: cargas resistivas (aquecedores, iluminação incandescente). Corrente nominal = corrente especificada.
• AC2: motores de anéis (slip ring). Hoje raro.
• AC3: motores de gaiola em arranque/paragem normal. Standard. Corrente de arranque ~6× nominal mas só por 1-3 s. Contactor especificado pelo motor que aguenta.
• AC4: comutação frequente, inversão de marcha, paragem com motor em rotação. Stress muito maior. Reduzir corrente nominal.

Exemplo Schneider LC1D18: - AC1: 32 A. - AC3: 18 A (motor 7,5 kW @ 400V). - AC4: ~12 A (operação severa).

4.3 Tensão da bobina

Standards: 24 V CC, 110 V CA, 230 V CA, 400 V CA.

24 V CC: moderno, seguro, compatível com PLC. Mas precisa fonte de 24 V.

230 V CA: clássico, alimentado directamente da rede. Sem necessidade de fonte adicional.

4.4 Vida útil

• Mecânica: 10-30 milhões de operações (bobina opera contactor "no ar").
• Eléctrica: 1-3 milhões em AC3 (depende da carga).

Comutação frequente (compressores que ligam 10-20 vezes/hora) → vida eléctrica curta. Solução: soft-starter ou VFD.

5. Relés de protecção

5.1 Relé térmico

Já tratado em UC02862 e UC02934. Standard para protecção de motor contra sobrecarga.

• 3 bobinas em série com as 3 fases do motor.
• Lâminas bimetálicas aquecem com corrente.
• Acima do setpoint (ajustável 0,9-1,05 × I_motor), lâmina dobra → contacto NC abre → desliga contactor.
• Curva "inverse time": disparo mais rápido a correntes mais altas.

Classes: - Classe 10: standard. - Classe 20: motores com arranque longo (compressores, britadores). - Classe 30: arranque muito longo (centrifugadoras).

5.2 Relé térmico electrónico

Versão moderna com: - Display digital. - Configuração precisa sem necessidade de chave de fendas. - Memória de eventos. - Comunicação com PLC. - Protecções adicionais: falta de fase, desequilíbrio, etc.

Marcas: Schneider LTM-R, ABB E1.x, Siemens SIRIUS Innovations.

5.3 Relés especiais

• Sub/sobretensão: dispara se U fora da gama. Útil para proteger equipamento sensível.
• Falta de fase: detecta perda de uma fase em trifásico. Crítica para motores (sem 1 fase, motor queima em segundos).
• Sequência de fases: detecta inversão (motor rodaria para trás). Útil em bombas com sentido único.
• Desbalanceamento: dispara se diferença entre fases > setpoint (ex: 10%).
• Velocidade: detecta motor a rodar fora de gama (stall, runaway).

Em sistemas modernos: tudo integrado em smart relays com comunicação fieldbus.

6. Selectividade

6.1 Conceito

Em caso de falha (sobrecarga, curto, fuga), apenas a protecção mais próxima dispara. Restantes mantêm o serviço.

Vantagens: - Continuidade de serviço para zonas não afectadas. - Diagnóstico mais fácil (sabe-se onde foi a falha). - Menor impacto produtivo.

6.2 Métodos

1. Calibre crescente a montante: - Disjuntor a jusante: 16 A. - Disjuntor a montante: 40 A. - Em sobrecarga, a jusante dispara primeiro (corrente próxima do seu nominal, longe do nominal do superior).

2. Curvas diferentes: - A jusante: curva C. - A montante: curva D (mais lenta a disparar magneticamente).

3. Atraso intencional (selectividade temporal): - A montante: disjuntor com função "Selective" — atraso de 40-100 ms. - A jusante: disjuntor instantâneo. - Em curto, a jusante actua primeiro.

4. Combinação disjuntor + fusível: - Fusível a jusante (muito rápido em curto). - Disjuntor a montante (rápido em sobrecarga, mais lento em curto). - Selectividade total.

6.3 Limitações

Selectividade total: garantida em todos os tipos de falha (sobrecarga + curto).

Selectividade parcial: garantida apenas em sobrecarga. Em curto-circuito severo (corrente muito alta), ambos podem disparar simultaneamente.

Em residência típica: selectividade parcial é aceitável (curtos catastróficos são raros).

Em industrial crítico: selectividade total deve ser conseguida com componentes adequados e estudo formal.

6.4 Estudo formal

Em projecto industrial: - Software (ETAP, SKM PowerTools, DOC Schneider, DIALux para iluminação relacionada). - Cálculo da corrente de curto-circuito em cada ponto do sistema. - Curvas tempo-corrente sobrepostas para cada par de protecções. - Verificar separação entre curvas (sem cruzamento). - Ajustes finos (calibres, atrasos) para garantir selectividade.

7. Comando

7.1 Local vs à distância

Comando local: - Botoeira fisicamente no quadro ou perto da máquina. - Standard em equipamentos simples. - Operador no local actua directamente.

Comando à distância: - PLC + HMI em sala separada. - Operação centralizada de múltiplas máquinas. - Standard industrial moderno. - Permite supervisão, registo, integração.

Misto (mais comum): - Local para emergência e operação manual. - À distância para automação e monitorização.

7.2 Botoeiras

• NO (Normally Open): contacto fecha ao premir. Iniciar acções.
• NC (Normally Closed): contacto abre ao premir. Parar acções.
• Comutador: 2-3 posições estáveis (selector).
• Cogumelo de emergência: vermelho, com latch (fica premido), libertado por rotação.
• Selector com chave: actuação por chave física (segurança contra acesso não autorizado).

Standards: - Diâmetro: 22 mm (compacto), 30 mm (clássico industrial), 40 mm (heavy-duty). - Cores: vermelho (paragem), verde (arranque), amarelo (aviso), azul (auxiliar), preto/branco (versatile).

Marcas: Schneider XB7 (modular), Telemecanique, Pizzato, Allen-Bradley 800F.

7.3 Esquemas clássicos

Arranque de motor com auto-retenção:

F1 ── S0(NC) ─┬─ S1(NO) ─┬─ KM1.A1
              │           │
              │   KM1.aux(NO)  (auto-retenção)
              │           │
              │       F_t.NC
              │           │
              └───────────┴── KM1.A2 ── N

• S0: paragem (vermelho, NC).
• S1: arranque (verde, NO).
• KM1.aux: contacto auxiliar do contactor (auto-mantém KM1 após libertar S1).
• F_t: relé térmico (NC, abre em sobrecarga).

Inversão de marcha: - 2 contactores (KM_F forward, KM_R reverse). - Inter-bloqueio eléctrico (NC de cada um na bobina do outro). - Inter-bloqueio mecânico (alavanca física entre contactores). - 2 botoeiras (S_F, S_R) + S0 (paragem comum).

Estrela-triângulo: - 3 contactores (KM1, KM_Y, KM_D). - Temporizador KT. - Standard para arranque de motores 7,5-30 kW.

Apêndice A · Tabela de dimensionamento rápido

Para motor 3F a 400V, partida directa:

Relé térmico ajustado a I_n do motor (gama típica 0,7-1× I_disjuntor).

Apêndice B · RTIEBT — referências

Em Portugal, Regras Técnicas de Instalações Eléctricas em Baixa Tensão (RTIEBT) são a regulamentação aplicável. Pontos relevantes para esta UC:

• DR 30 mA obrigatório em todos os circuitos de tomadas em locais habitacionais e comerciais.
• DR de protecção contra incêndio (300 mA) em sistemas trifásicos > 100 A.
• Calibres mínimos para cabos conforme corrente e tipo de circuito.
• Quadro principal acessível + identificação dos circuitos.
• Inspecção periódica (5 anos residencial, 1-3 anos comercial-industrial conforme tipo).

Apêndice C · Glossário

• MCB — Miniature Circuit Breaker.
• MCCB — Moulded Case Circuit Breaker.
• MPCB — Motor Protection Circuit Breaker.
• DR/RCD — Differential / Residual Current Device.
• DR-MGT — Disjuntor diferencial magnetotérmico.
• Icc — Capacidade de corte (kA).
• I_Δn — Sensibilidade do diferencial (mA).
• AC1, AC3, AC4 — Categorias de uso (IEC 60947).
• Selectividade — coordenação entre protecções.
• RTIEBT — Regras Técnicas de Instalações Eléctricas em Baixa Tensão.