Seleção do disjuntor por potência da carga, seção do cabo e corrente: princípios e fórmulas para cálculos

Para organizar um fornecimento de energia elétrica doméstico que funcione sem falhas, é necessário separar ramais individuais. Cada linha deve ser equipada com seu próprio dispositivo de proteção que proteja o isolamento do cabo contra derretimento. No entanto, nem todos sabem qual dispositivo adquirir. Concorda?

Tudo sobre a escolha de disjuntores pela potência da carga você aprenderá no artigo que apresentamos. Diremos como determinar a classificação para encontrar o disjuntor da classe necessária. Seguir nossas recomendações garante a compra dos dispositivos necessários, capazes de evitar situações perigosas durante a operação da fiação.

Disjuntores automáticos para redes domésticas

As empresas de fornecimento de energia realizam a conexão de casas e apartamentos, executando os trabalhos de condução do cabo até o quadro de distribuição. Todas as atividades de instalação da fiação no ambiente são realizadas pelos proprietários ou por profissionais contratados.

Para selecionar um disjuntor para proteger cada circuito individual, é necessário conhecer sua classificação, classe e algumas outras características.

Parâmetros principais e classificação

Os disjuntores domésticos são instalados na entrada de um circuito elétrico de baixa tensão e destinam-se a resolver as seguintes tarefas:

• ligação ou desligamento manual ou eletrônico do circuito elétrico;
• proteção do circuito: desligamento da corrente em caso de sobrecarga prolongada leve;
• proteção do circuito: desligamento instantâneo da corrente em caso de curto-circuito.

Cada disjuntor possui uma característica expressa em ampères, chamada de corrente nominal (I_n) ou “classificação”.

A essência desse valor é mais fácil de entender usando o coeficiente de excesso da classificação:

K = I / I_n,

onde I é a intensidade real da corrente.

• K < 1.13: o desligamento (disparo) não ocorrerá dentro de 1 hora;
• K > 1.45: o desligamento ocorrerá dentro de 1 hora.

Estes parâmetros estão fixados no item 8.6.2. da GOST R 50345-2010. Para saber em quanto tempo ocorrerá o desligamento quando K>1,45, é necessário utilizar o gráfico que reflete a característica tempo-corrente do modelo específico do disjuntor.

Quando a corrente excede o valor nominal do disjuntor em 2 vezes por um período prolongado, a abertura ocorrerá em um período de 8 segundos a 4 minutos. A velocidade de atuação depende da configuração do modelo e da temperatura ambiente.

Além disso, cada tipo de disjuntor automático possui uma faixa de corrente (I_a) na qual o mecanismo de disparo instantâneo atua:

• Classe “B”: I_a = (3 * I_n .. 5 * I_n];
• Classe “C”: I_a = (5 * I_n .. 10 * I_n];
• Classe “D”: I_a = (10 * I_n .. 20 * I_n].

Dispositivos do tipo “B” são usados principalmente para linhas de grande extensão. Em residências e escritórios, utilizam-se disjuntores classe “C”, e aparelhos com a marcação “D” protegem circuitos que possuem equipamentos com alto fator de corrente de partida.

A linha padrão de disjuntores residenciais inclui dispositivos com correntes nominais de 6, 8, 10, 16, 20, 25, 32, 40, 50 e 63 A.

Dispositivo construtivo dos disparadores

No disjuntor automático moderno, existem dois tipos de disparadores: térmico e eletromagnético.

O disparador bimetálico tem a forma de uma lâmina feita de dois metais condutores com diferentes expansões térmicas. Essa construção, quando a corrente excede o valor nominal por um período prolongado, leva ao aquecimento da peça, sua curvatura e à atuação do mecanismo de abertura do circuito.

Em alguns disjuntores, é possível alterar os parâmetros de corrente de disparo usando um parafuso de ajuste. Antigamente, esse método era frequentemente usado para a “calibração” precisa do dispositivo, no entanto, esse procedimento exige conhecimentos especializados aprofundados e a realização de vários testes.

Girando o parafuso de ajuste (destacado pelo retângulo vermelho) no sentido anti-horário, é possível obter um maior tempo de atuação do disparador térmico

Atualmente, no mercado, é possível encontrar muitos modelos de correntes nominais padrão de diferentes fabricantes, cujas características tempo-corrente diferem ligeiramente (mas ainda assim atendem aos requisitos normativos). Portanto, existe a possibilidade de escolher um disjuntor com as configurações “de fábrica” desejadas, eliminando o risco de calibração incorreta.

O disparador eletromagnético evita o superaquecimento da linha devido a um curto-circuito. Ele reage quase que instantaneamente, mas o valor da corrente deve ser várias vezes maior que o nominal. Estruturalmente, essa peça é um solenoide. A sobrecorrente gera um campo magnético que desloca o núcleo, abrindo o circuito.

Observância dos princípios de seletividade

Na presença de um circuito elétrico ramificado, é possível organizar a proteção de forma que, durante um curto-circuito, apenas o ramo onde ocorreu a situação de emergência seja desligado. Para isso, aplica-se o princípio da seletividade dos disjuntores.

Diagrama ilustrativo que mostra o princípio de funcionamento do sistema de disjuntores automáticos com a função de seletividade (seletiva) implementada durante a ocorrência de um curto-circuito.

Para garantir o desligamento seletivo nos níveis inferiores, são instalados disjuntores com corte instantâneo, que abrem o circuito em 0,02 a 0,2 segundos. O disjuntor localizado no nível superior possui um retardo de atuação de 0,25 a 0,6 segundos ou é construído segundo um esquema especial “seletivo” de acordo com a norma DIN VDE 0641-21.

Para garantir o funcionamento seletivo dos disjuntores, é melhor utilizar disjuntores do mesmo fabricante. Para disjuntores de uma mesma série de modelos, existem tabelas de seletividade que indicam as combinações possíveis.

Regras mais simples de instalação

O trecho do circuito que precisa ser protegido pelo disjuntor pode ser monofásico ou trifásico, ter neutro e também um condutor PE (“terra”). Por isso, os disjuntores possuem de 1 a 4 polos, aos quais é conectado o condutor de corrente. Quando as condições de disparo são criadas, ocorre o desligamento simultâneo de todos os contatos.

No quadro elétrico, os disjuntores são fixados em um trilho DIN especialmente destinado a esse fim. Ele garante compacidade e segurança na conexão, além de fácil acesso ao disjuntor.

Os disjuntores são instalados da seguinte forma:

• unipolares na fase;
• bipolares na fase e no neutro;
• tripolares nas 3 fases;
• tetrapolares nas 3 fases e no neutro.

Nesse caso, é proibido fazer o seguinte:

• instalar disjuntores unipolares no neutro;
• conectar o condutor PE no disjuntor;
• instalar três disjuntores unipolares em vez de um disjuntor tripolar, se pelo menos um consumidor trifásico estiver conectado ao circuito.

Todos esses requisitos estão descritos no PUE e devem ser cumpridos.

Em cada casa ou cômodo com fornecimento de eletricidade, é instalado um disjuntor de entrada. Sua corrente nominal é determinada pelo fornecedor e esse valor está especificado no contrato de conexão de energia elétrica. A finalidade desse disjuntor é proteger o trecho do transformador até o consumidor.

Após o disjuntor de entrada, são conectados à linha um medidor (monofásico ou trifásico) e um dispositivo de proteção contra fugas de corrente, cujas funções são diferentes do funcionamento do disjuntor automático e do disjuntor diferencial.

Se no ambiente foi feita a distribuição em vários circuitos, cada um deles é protegido por um disjuntor individual, cuja potência está indicada na etiqueta. Suas classificações e classes são determinadas pelo proprietário do ambiente, levando em consideração a fiação existente ou a potência dos aparelhos conectados.

O medidor de energia elétrica e os disjuntores são instalados em um quadro de distribuição que atende a todos os requisitos de segurança e pode ser facilmente integrado ao interior do ambiente

Ao escolher o local para o quadro de distribuição, é necessário lembrar que as propriedades do disparador térmico são influenciadas pela temperatura do ar. Portanto, é desejável posicionar o trilho com os disjuntores dentro do próprio ambiente.

Cálculo da classificação necessária

A função protetora principal do disjuntor se aplica à fiação, portanto, a seleção da classificação é feita de acordo com a seção transversal do cabo. Ao mesmo tempo, todo o circuito deve garantir o funcionamento normal dos aparelhos conectados a ele. O cálculo dos parâmetros do sistema não é complicado, mas é necessário considerar muitos detalhes para evitar erros e problemas.

Determinação da potência total dos consumidores

Um dos principais parâmetros do circuito elétrico é a potência máxima possível dos consumidores de energia elétrica conectados a ele. Ao calcular este indicador, não se pode simplesmente somar os dados nominais dos aparelhos.

Componente ativa e nominal

Para qualquer aparelho que funcione com eletricidade, o fabricante é obrigado a indicar a potência ativa (P). Este valor determina a quantidade de energia que será irreversivelmente convertida como resultado do funcionamento do aparelho e pela qual o usuário pagará conforme o medidor.

Mas para aparelhos com capacitores ou bobinas de indutância, existe ainda uma outra potência com valor diferente de zero, chamada de potência reativa (Q). Ela chega ao dispositivo e retorna quase instantaneamente.

A componente reativa não participa no cálculo da energia elétrica utilizada, mas em conjunto com a ativa forma a chamada potência “aparente” ou “nominal” (S), que impõe carga ao circuito.

cos(f) – parâmetro com o qual é possível determinar a potência aparente (nominal) a partir da potência ativa (consumida). Se não for igual a um, ele é indicado na documentação técnica do aparelho elétrico.

A contribuição de um dispositivo individual para a carga total nos condutores e no disjuntor deve ser calculada pela sua potência aparente: S = P / cos(f).

Correntes de partida elevadas

Uma característica adicional de alguns tipos de eletrodomésticos é a presença de transformadores, motores elétricos ou compressores. Tais dispositivos, ao iniciar o funcionamento, consomem corrente de partida (corrente de arranque).

Seu valor pode exceder os padrões em várias vezes, mas o tempo de operação em alta potência é curto e geralmente varia de 0,1 a 3 segundos. Esse pico de curta duração não causará o disparo do relé térmico, mas o componente eletromagnético do disjuntor, responsável pela sobrecorrente de curto-circuito, pode reagir.

Esta situação é especialmente relevante para linhas dedicadas, às quais são conectados equipamentos como máquinas de marcenaria. Neste caso, é necessário calcular a amperagem e, possivelmente, faz sentido usar um disjuntor classe “D”.

Consideração do fator de demanda

Para circuitos com muitos equipamentos conectados e sem um dispositivo que consuma a maior parte da corrente, utiliza-se o fator de demanda (ks). A razão de seu uso é que todos os aparelhos não funcionarão simultaneamente, portanto, a soma das potências nominais resultaria em um valor superestimado.

O fator de demanda para grupos de consumidores elétricos é estabelecido na cláusula 7 da SP 256.1325800.2016. Esses valores podem ser usados como referência também no cálculo independente da potência máxima.

Esse coeficiente pode assumir um valor igual ou menor que um. O cálculo da potência calculada (P_r) de cada aparelho é feito pela fórmula:

P_r = ks * S

A potência calculada total de todos os aparelhos é usada para calcular os parâmetros do circuito. O uso do fator de demanda é adequado para escritórios e pequenos estabelecimentos comerciais com muitos computadores, equipamentos de escritório e outros dispositivos alimentados por um único circuito.

Para linhas com um número pequeno de consumidores, esse coeficiente não é usado em sua forma pura. Do cálculo de potência, são removidos os dispositivos cuja operação simultânea com aparelhos de maior consumo energético é improvável.

Por exemplo, há pouca chance de um ferro de passar e um aspirador de pó funcionarem ao mesmo tempo em uma sala de estar. E para oficinas com poucos funcionários, apenas 2-4 ferramentas elétricas mais potentes são consideradas no cálculo.

Cálculo da intensidade da corrente

A escolha do disjuntor é feita com base no valor máximo de corrente permitido no trecho do circuito. É necessário obter esse indicador conhecendo a potência total dos consumidores elétricos e a tensão da rede.

De acordo com a GOST 29322-2014, a partir de outubro de 2015, o valor da tensão deve ser de 230 V para redes comuns e 400 V para trifásicas. No entanto, na maioria dos casos, os parâmetros antigos ainda estão em vigor: 220 e 380 V, respectivamente. Portanto, para precisão dos cálculos, é necessário realizar medições com um voltímetro.

Você pode medir a tensão na rede elétrica doméstica com um voltímetro ou multímetro. Para isso, basta inserir os contatos na tomada.

Outro problema, especialmente relevante para a fiação elétrica no setor residencial, é o fornecimento de energia com tensão insuficiente. Medições nesses locais problemáticos podem mostrar valores fora da faixa definida pela GOST.

Além disso, dependendo do nível de consumo de eletricidade dos vizinhos, o valor da tensão pode variar significativamente em um curto período de tempo.

Isso cria um problema não apenas para o funcionamento dos aparelhos, mas também para o cálculo da corrente elétrica. Quando a tensão cai, alguns dispositivos simplesmente perdem potência, enquanto outros, que possuem estabilizador de entrada, aumentam o consumo de eletricidade.

Realizar cálculos precisos dos parâmetros necessários do circuito nessas condições é difícil. Portanto, ou será necessário instalar cabos com seção transversal maior (o que é caro), ou resolver o problema instalando um estabilizador de entrada ou conectando a casa a outra linha.

O estabilizador é instalado próximo ao quadro de distribuição. Muitas vezes, esta é a única maneira de obter valores normativos de tensão na casa.

Depois de encontrar a potência total dos aparelhos elétricos (S) e determinar o valor da tensão (U), o cálculo da corrente elétrica (I) é feito através das fórmulas derivadas da Lei de Ohm:

I_f = S / U_f  para rede monofásica

I_l = S / (1.73 * U_l) para rede trifásica

Aqui, o índice “f” significa parâmetros de fase, e “l” – lineares.

A maioria dos dispositivos trifásicos utiliza o tipo de conexão “estrela”, e é também por esse esquema que funciona o transformador que fornece corrente ao consumidor. Com carga simétrica, a corrente linear e a de fase serão idênticas (I_l = I_f), e a tensão é calculada pela fórmula:

U_l = 1.73 * U_f

Nuances da seleção da seção do cabo

A qualidade e os parâmetros dos fios e cabos são regulados pela GOST 31996-2012. Com base neste documento, são elaboradas especificações técnicas para os produtos fabricados, onde é permitida uma certa faixa de valores das características básicas. O fabricante é obrigado a fornecer uma tabela de correspondência entre a seção transversal dos condutores e a corrente máxima segura.

A corrente máxima admissível depende da seção transversal dos condutores dos fios e do método de instalação. Eles podem ser instalados de forma embutida (na parede) ou aparente (em tubo ou eletroduto).

É necessário escolher o cabo de forma a garantir o fluxo seguro de corrente, correspondente à potência total calculada dos aparelhos elétricos. De acordo com a PUE (normas para instalações elétricas), a seção transversal calculada dos fios utilizada em residências deve ser de no mínimo 1,5 mm².

Os tamanhos padrão têm os seguintes valores: 1,5; 2,5; 4; 6 e 10 mm².

Às vezes, faz sentido usar fios com uma seção transversal um passo maior que o mínimo permitido. Nesse caso, existe a possibilidade de conectar dispositivos adicionais ou substituir os existentes por outros mais potentes, sem a necessidade de trabalhos caros e demorados de instalação de novos cabos.

Cálculo dos parâmetros do disjuntor

Para qualquer circuito, a seguinte desigualdade deve ser satisfeita:

I_n <= I_p / 1.45

Aqui I_n é a corrente nominal do disjuntor, e I_p é a corrente admissível para a fiação. Esta regra garante o disparo assegurado em caso de excedência prolongada da carga admissível.

A desigualdade “In <= Ip / 1.45” é a condição principal ao selecionar o par “disjuntor – cabo”. A negligência desta regra pode levar ao incêndio da fiação.

É possível calcular a corrente nominal do disjuntor tanto pela carga total quanto pela seção transversal dos condutores da fiação já instalada. Suponhamos que exista um esquema de conexão dos aparelhos elétricos, mas a fiação ainda não foi instalada.

Neste caso, a sequência de ações é a seguinte:

1. Cálculo da corrente total dos aparelhos elétricos conectados à rede.
2. Seleção de um disjuntor com corrente nominal não inferior ao valor calculado.
3. Seleção da seção transversal do cabo de acordo com a corrente nominal do disjuntor.

Exemplo:

1. S = 4 kW; I = 4000 / 220 = 18 A;
2. I_n = 20 A;
3. I_p >= I_n * 1.45 = 29 A; D = 4 mm².

Se a fiação já estiver instalada, a sequência de ações é outra:

1. Determinação da corrente admissível para uma seção transversal e método de instalação conhecidos, com base na tabela fornecida pelo fabricante.
2. Seleção do disjuntor automático.
3. Cálculo da potência dos dispositivos a serem conectados. Montagem de um grupo de aparelhos de modo que a carga total no circuito seja inferior à corrente nominal.

Exemplo. Suponha que dois cabos unipolares foram instalados de forma exposta, D = 6 mm², então:

1. I_p = 46 A;
2. I_n <= I_p / 1.45 = 32 A;
3. S = I_n * 220 = 7,0 kW.

No item 2 do último exemplo, há uma pequena aproximação permitida. O valor exato de I_n = I_p / 1.45 = 31,7 A foi arredondado para o valor 32 A.

Escolha entre várias classificações

Às vezes surge uma situação em que se pode escolher vários disjuntores com diferentes correntes nominais para proteger o circuito. Por exemplo, para uma potência total de aparelhos elétricos de 4 kW (18 A), foi escolhida com folga uma fiação com seção transversal de condutores de cobre de 4 mm². Para tal combinação, podem ser instalados disjuntores de 20 A e 25 A.

Se o esquema de distribuição elétrica prevê proteção em múltiplos níveis, é necessário escolher os disjuntores de modo que o valor nominal do disjuntor superior (na figura, à direita – 25 A) seja maior do que o dos disjuntores de níveis mais baixos.

A vantagem de escolher um disjuntor com o maior valor nominal é a possibilidade de conectar dispositivos adicionais sem alterar os elementos do circuito. Na maioria das vezes, é assim que se faz.

A favor da escolha de um disjuntor com menor valor nominal está o fato de que seu disparador térmico reagirá mais rapidamente a um aumento na corrente. Ocorre que alguns aparelhos podem apresentar uma falha que leve a um aumento no consumo de energia, mas não a ponto de causar um curto-circuito.

Por exemplo, a quebra do rolamento do motor de uma máquina de lavar causará um aumento abrupto da corrente no enrolamento. Se o disjuntor reagir rapidamente ao excesso dos valores permitidos e desligar, o motor não queimará.

Conclusões e vídeo útil sobre o tema

Construção do disjuntor automático e sua classificação. Conceito de característica tempo-corrente e seleção do valor nominal de acordo com a seção do cabo:

Cálculo da potência dos dispositivos e escolha do disjuntor usando as disposições da PUE:

A escolha do disjuntor automático deve ser feita com responsabilidade, pois disso depende a segurança do sistema elétrico da casa. Apesar da grande quantidade de parâmetros de entrada e nuances de cálculo, é necessário lembrar que a principal função de proteção do disjuntor se aplica à fiação.

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