Radiografia – Poder de manobra

jun, 2009

Edição 50, Março de 2010

Por Lívia Cunha

As chaves elétricas são hoje equipamentos indispensáveis para o controle de circuitos de uma instalação elétrica. A descoberta, as funções e a importância da atuação das chaves seccionadoras e comutadoras são objetos desta reportagem. Confira.

Desde que o fenômeno da energia elétrica foi descoberto e o homem começou a ter algum domínio sobre a sua utilização, foi preciso desenvolver equipamentos que permitissem melhor controle da energia aplicada. Séculos atrás, quando a vida cotidiana caminhava a passos mais lentos, longe do frenesi moderno das grandes cidades, as áreas de tecnologia e de engenharia já começavam a andar a passos largos em busca de inovação e desenvolvimento.

Até chegarmos ao estágio atual, no qual podemos usufruir de conforto e dos incontáveis benefícios que a eletricidade nos propicia. Entretanto, para contornar os riscos e os distúrbios que essa mesma energia nos oferece, foi necessário o controle sobre sua utilização. E, como o desenvolvimento vem sempre a reboque das necessidades, foram elaborados dispositivos que permitissem esse manejo, fazendo a interrupção e o posterior estabelecimento da corrente elétrica.

Inicialmente, esses equipamentos tinham funcionamento simples, realizado por uma chave tipo faca, na qual o acionamento de alavanca da chave era realizado em bases de madeira ou de mármore (que ainda é possível encontrar no mercado). Anos mais tarde, com o desenvolvimento tecnológico, a descoberta de novos materiais e o aperfeiçoamento de processos possibilitaram a criação de chaves elétricas mais elaboradas, mais eficientes e seguras, tanto para quem fizesse a operação quanto para a própria instalação elétrica. Foi nesse período, em meados do século passado, que foi desenvolvida a chave elétrica rotativa, ou comutadora rotativa, pela empresa austríaca Kraus & Naimer, um dispositivo de comutação de circuitos, que teve, posteriormente, a sua utilização e produção amplamente difundida.

Mudanças mais significativas foram sentidas nas últimas décadas do século passado, como explica o engenheiro eletricista Nelson Amaral, da Beghim: “até o começo dos anos de 1980, não havia grandes evoluções no equipamento. Quando a eletrônica começou a ser agregada aos equipamentos, aí começaram os avanços nas chaves, representando mais um passo no caminho do desenvolvimento tecnológico”. É importante ressaltar também que, até hoje, as chaves elétricas são indispensáveis dispositivos em muitas instalações e processo elétricos. Por isso, elas são nossos produtos radiografados desta edição: as chaves comutadoras rotativas e as seccionadoras de baixa tensão.

Tratam-se de equipamentos estáticos de manobra que devem ser operados por profissionais técnicos qualificados e cientes dos perigos da eletricidade. Como não são equipamentos automáticos de proteção, uma manobra indevida, seja acidental ou incorreta, pode representar sérios riscos à saúde do profissional e da instalação. Mas isso não significa que as chaves elétricas sejam equipamentos inseguros, muito pelo contrário, seu desenvolvimento possibilitou mais segurança às instalações.

Chaves seccionadoras

Com acionamento rotativo frontal ou por alavanca, a chave seccionadora é um tipo de dispositivo mecânico de conexão, que pode estabelecer ou interromper, abrindo ou fechando, um determinado circuito. Como é uma chave de acionamento e manobra, e não um dispositivo automático de proteção, ela é capaz de suportar correntes de curto-circuito por um dado período de tempo, mas não de seccioná-las, sem colar os contatos. Ou seja, em situação de curto, se a seccionadora for acionada para interromper a corrente, como faria, por exemplo, um disjuntor, ela não garante a eficiência e a segurança dessa ação, se o nível de curto-circuito for superior ao especificado pelo fabricante, correndo o risco de se danificar em definitivo, representando inclusive risco ao operador.

No entanto, se utilizada corretamente, como especificado pela norma e pelo fabricante, a seccionadora é um dispositivo que oferece segurança tanto ao operador quanto à instalação. Isso porque ela satisfaz as condições de isolação quando está desligada, isto é, quando os contatos estão abertos, ela não tem nenhuma condição de conduzir corrente, mesmo em ambiente favorável à condução pelo ar e mesmo aumentando a intensidade da corrente. Isso representa segurança de atuação.

Quando, por exemplo, é necessária uma manutenção em determinado ramo do circuito, a chave seccionadora pode ser acionada para interromper a corrente, garantindo a certeza de que não há qualquer risco para o operador que realizará a manobra. A seccionadora permite ainda que acessórios sejam acoplados a ela, possibilitando a realização de funções extras, como os dispositivos de bloqueio opcionais que podem garantir que uma manobra involuntária não aconteça. E é exatamente para esse tipo de aplicação que ela é destinada. As chaves seccionadoras são usadas em instalações diversas, em que seja necessário o desligamento do circuito, permitindo manutenções, isolando, por exemplo, disjuntores, transformadores e barramentos.

Esses circuitos podem pertencer tanto a redes de distribuição comerciais, residenciais quanto industriais, nas quais se faz necessário o seccionamento do circuito durante trabalhos de manutenção ou para própria operação da instalação. Para essas aplicações, a seccionadora de manobra pode ser sob carga ou sem carga.

As seccionadoras sob carga, ligadas a uma determinada carga, como um sistema de emergência de força, um sistema de iluminação ou um motor, são projetadas para estabelecer ou seccionar correntes nominais. São seccionadoras que permitem que existam cargas ligadas a elas. A chave de manobra sem carga, porém, é um tipo de seccionadora desenvolvida para ser instalada em circuitos em que a manobra de abertura é feita quando não há circulação de corrente, garantindo que eles estarão, efetivamente, isolados.

As seccionadoras são identificadas pela corrente e tensão nominal para a qual foram projetadas. Além disso, existe uma classificação quanto à categoria de utilização da chave que está diretamente relacionada a esses tipos, com ou sem carga. Elas podem ser definidas quanto ao seu acionamento e são divididas em quatro categorias, como mostra a Tabela 1.

Por exemplo, se, em corrente alternada, o acionamento for vazio, ou seja, não houver nenhuma carga ligada à chave seccionadora, ela é classificada como AC 20. Se o acionamento for de cargas resistivas, ela é AC 21; com o acionamento de cargas mistas (resistiva e indutiva), a classe é AC 22; por fim, se for acionada cargas altamente indutivas, a chave é AC 23.

Tabela 1 – Categorias de utilização

Essas categorias podem ainda ser subdivididas em outras duas representadas pelas letras A e B, que têm relação com o número de operações elétricas e mecânicas. A letra A indica um número de operação suportada pela chave de seccionamento maior do que a letra B.

Os engenheiros Vitor Fracaro e Silvio J. Van Djik, da Holec, explicam que “via de regra, o fabricante indica como corrente nominal aquela dada para a categoria

AC 21. Se o dispositivo de seccionamento for utilizado em circuitos com carga mista ou altamente indutiva, deve-se recorrer aos dados técnicos fornecidos pelo fabricante para se certificar de que aquele modelo de chave irá atender à situação em particular”.

Estas chaves elétricas seccionadoras podem ainda ter ou não dispositivos-fusíveis incorporadas a elas. De acordo com a recém-lançada norma ABNT NBR IEC< /p>

60947-3 (Dispositivos de manobra e comando de baixa tensão, seccionadores, interruptores – Parte 3: Interruptores, seccionadores, interruptores-seccionadores e unidades combinadas de dispositivo-fusível), as chaves seccionadoras com fusíveis incorporados podem ser de dois tipos, como representado na Tabela 2:

Tabela 2 – Definições e representações

Os fusíveis são agregados às chaves como forma de oferecer uma proteção a mais ao circuito elétrico, tanto em situações de sobrecargas quanto em curtos-circuitos, já que as chaves, por si só, não são equipamentos de proteção. A opção pela utilização de dispositivos fusíveis em série no circuito ao invés de disjuntores, por exemplo, pode se dar pela questão de custo. Os fusíveis ainda são equipamentos mais baratos que os disjuntores se comparados para mesmo uso com mesma corrente de curto-circuito presumida.

Se for necessária a utilização de uma chave em determinado ramo do circuito, no qual é preciso acoplar um dispositivo de proteção, dado o nível de curto-circuito do ponto, que precise suportar, por exemplo, 1.000 A, um dispositivo fusível em geral será consideravelmente mais barato do que um disjuntor que oferece proteção para a mesma corrente. “Você coloca a chave e o fusível, porque ele ainda é mais barato que o disjuntor, para proteger e desligar”, explica o engenheiro eletricista Mario Sergio Amarante, da Kraus & Naimer. Por isso, ainda é mais comum a opção por fusíveis junto a chaves seccionadoras para garantir a segurança dos equipamentos, dos cabos e da própria instalação elétrica. Apesar de ser necessária uma análise de como o dispositivo de proteção será utilizado, considerando as especificidades e destinações próprias de cada um, antes de fazer a escolha.

Nova normalização

Além dos equipamentos citados anteriormente, há ainda outros seis tipos de chaves, com definições e funções parecidas, que podem oferecer dúvida se não forem bem distinguidas. Antes da publicação da norma brasileira que aborda a questão sobre seccionadoras, com ou sem fusível, no Brasil, usava-se como padrão construtivo e de utilização a norma internacional IEC 60947-3, pois não havia um documento específico nacional. A novidade é que, com a publicação da norma brasileira, em abril deste ano, alguns dispositivos tiveram nomes alterados em relação ao que era usado no Brasil até então, como mostra a Tabela 3.

Anteriormente à publicação da norma brasileira, o mercado falava de uma chave seccionadora, ou chave seccionadora-interruptor, cuja função era estabelecer, conduzir e seccionar correntes nas condições normais do circuito, definição que, atualmente, determina a função da chave interruptora-seccionadora, destinando à chave seccionadora outras funções. A chave que tem o dispositivo-fusível em série, em um ou mais polos, anteriormente chamada de chave seccionadora com fusíveis, hoje se chama chave seccionadora-fusível. E, por fim, quando se utilizava o termo seccionadora, isoladamente, dizia-se respeito à hoje chamada chave fusível-seccionadora, aquela que tem que os próprios fusíveis como contatos móveis.

Tabela 3 – Comparação de chaves

Assim, as seccionadoras, sejam de qual tipo forem, garantem a isolação do circuito na posição desligada, em que os contatos estão abertos, estabelecem e seccionam circuito em corrente nominal e permitem manobra sob carga ou sem carga. Ou seja, se a chave estiver ligada e um curto se iniciar, ela operará normalmente. Problemas podem surgir caso seja realizada uma tentativa de seccionamento indevida no momento em que esse curto-circuito estiver estabelecido.

As chaves interruptoras permitem, por sua vez, o estabelecimento e a interrupção da corrente normal e suporta valores de sobrecargas e correntes de curto-circuito, se especificada, por um tempo determinado, mas não garantem a isolação, como as seccionadoras. Já as interruptores-seccionadoras reúnem todas essas funcionalidades em uma: estabelecem, interrompem, seccionam e garantem a isolação. Mas é importante lembrar que a determinação de uma dada chave para uma instalação depende das características específicas desse circuito, que deve ser considerada pelo projetista na hora de especificar a chave.

Para selecionar uma chave seccionadora (ou mesmo uma interruptora, com ou sem fusível incorporado), o responsável pela seleção da chave para o circuito deve considerar as características elétricas de uma seccionadora, como a corrente nominal, a tensão nominal, o nível de isolamento e a solicitação de correntes de curto-circuito. É importante ter bem clara também a utilização que será feita da chave e qual função se espera dela, pois isso determinará uma escolha de manobra de acionamento sob carga ou sem carga. Como e onde a chave seccionadora será instalada, em painel ou em caixa blindada, por exemplo, também é uma questão que deve ser considerada ao selecionar uma chave.

Componentes

As chaves seccionadoras são dispositivos formados por jogos de contatos fixos e móveis, que têm como função estabelecer e interromper o circuito por meio do movimento de abertura e fechamento dos contatos. Como a abertura dos circuitos manobrados sob carga provoca a formação de arco elétrico, dada a tendência da corrente de continuar sendo conduzida e da velocidade de abertura, as seccionadoras contam também com câmaras de extinção de arco, cuja função é subdividir este arco elétrico em arcos menores até que ele seja extinto totalmente e não represente mais risco à instalação.

Esta movimentação entre contatos é feita por meio de um mecanismo de acionamento, operado manualmente por uma manopla ou punho de acionamento. Esse mecanismo de acionamento é o que determina a eficiência da chave, pois dele depende a rapidez de fechamento e abertura de contatos, a formação de maior ou menor arco voltaico, se sob carga, e, assim, o tempo de resposta à necessidade do produto utilizado.

Esse mecanismo é geralmente composto por molas que são tensionadas até alcançarem o ponto de disparo. Com o tensionamento das molas, elas reúnem energia que é liberada no momento em que o disparo é realizado. O acionamento de algumas seccionadoras depende da velocidade de acionamento do operador. Se a chave estiver manobrando sob carga, a velocidade tem de ser a maior possível para reduzir a intensidade do arco elétrico (sob carga não tem como impedir a formação do arco, mas sim tentar minimizar seus efeitos).

Os componentes de uma seccionadora padrão são reunidos em um invólucro isolante, composto com os chamados plásticos de engenharia, que envolve todos os componentes a fim de organizá-lo e compactá-lo para utilização. Por fim, há os bornes de entrada e de saída, por onde entra e sai o circuito, pela conexão dos condutores.

Apesar do caso geral apresentado, há uma variação quando o fusível é usado como próprio contato da chave, no caso da fusível-seccionadora. Nesse caso, os dispositivos de proteção são presos à tampa da seccionadora. O acionamento, por sua vez, se dá pela inserção e retirada dos fusíveis dos contatos, na ação de abertura e fechamento da tampa. Se a chave fusível-seccionadora for para operação sob carga, da mesma forma, ela terá a presença de câmaras de extinção de arco elétrico.

Chaves comutadoras

As chaves comutadoras, também conhecidas como chaves elétricas rotativas, comutam, ou seja, transferem circuitos elétricos. Elas são dispositivos eletromecânicos que possuem a função de estabe

lecer ou interromper o fluxo de determinada corrente de um dado circuito de baixa tensão em que esteja instalada, interrompendo a carga ou transferindo a outro ramo do circuito. Esse acionamento normalmente também se dá por comando manual de um operador.

Uma comutadora é formada por duas ou três chaves de seccionamento intertravadas mecanicamente. São duas ou três chaves seccionadoras que fazem uma comutação, apesar de essa comutadora ter algumas diferenciações comparadas às seccionadoras comuns. O seu acionamento depende de uma chave, que deve estar sempre desligada. No sistema de duas seccionadoras em uma comutadora – o tipo mais comum –, elas trabalham como uma só, de forma a permitir que a corrente possa ser transferida de uma para outra, e vice-versa, ou interrompida. São possíveis três situações de funcionamento, como representado na Tabela 4:

Tabela 4 – Possibilidades de funcionamento de comutadora com duas chaves

Como elas fazem uma transferência de correntes, as duas chaves não podem ser ligadas ao mesmo tempo. Para isso, elas têm esse intertravamento mecânico que impede que as duas sejam ligadas. Quando uma é acionada, a outra chave já é instantaneamente desligada. Isso acontece em uma comutadora de duas chaves.

Existe ainda uma versão de chave elétrica rotativa formada por três chaves seccionadoras, que, neste caso, permite que duas chaves sejam ligadas enquanto a terceira, obrigatoriamente, permanece desligada. Podendo, claro, haver alternância entre as chaves ligadas e a desligada. Essa chave comutadora é conhecida como “By pass”.

Como as chaves rotativas fazem a comutação de um circuito elétrico para outro, em geral ela é usada em instalações que têm duas fontes de alimentação, como a rede elétrica e um gerador próprio, permitindo a alternância entre as duas. As comutadoras são, então, destinadas a ambientes em que, por exemplo, não possa haver interrupção de energia ou que essa interrupção deva ser a mais rápida possível, como em hospitais, indústrias e bancos.

Nesses casos são usados grupos geradores, fontes de energia elétrica de emergência para ambientes que requerem energia ininterrupta. A engenheira eletricista Renata Duarte, da Siemens, explica que o valor do investimento em uma fonte de emergência equivale, na maioria dos casos, a poucas horas de produção que seriam perdidas por falta de energia elétrica. Hospitais, edifícios comerciais, emissoras de rádio e televisão, shows, eventos, etc., teriam seu funcionamento seriamente comprometido, por ocasião de possíveis falhas da rede da concessionária local, se não recorressem aos grupos geradores de emergência.

Na Figura 1, está representado um sistema de fornecimento de energia por duas fontes, para um destinatário diferenciado, com a utilização de uma chave elétrica comutadora (na imagem, representado pelo bastão do meio). Quando o bastão está com a extremidade direita para cima, com a chave 1 ligada, a fornecedora de energia é a rede elétrica, para baixo, com a chave 2 ligada, a fonte é o gerador. No meio, ou seja, no centro, a chave está desligada.

Figura 1 – Representação de comutador rede-gerador

Além disso, as chaves comutadoras podem desempenhar a função de liga-desliga de um dado circuito, de seletor, de reversor de rotação em motores, de acionadora de motores, pode dar pulso em bobinas, selecionar circuitos para medição de corrente, tensão e potência, além de controlar e reverter a velocidade em motores. Elas podem ainda ter ou não fusíveis incorporados, como as seccionadoras.

Componentes

As chaves elétricas comutadoras possuem sistemas de acionamento rotativos. O sistema funciona com base nos cames – também conhecidos como excêntricos –, discos de material isolante com recuos radiais em regiões específicas e determinadas que giram no próprio eixo e permitem o fechamento ou a abertura dos contatos. Isso acontece porque, quando o came gira, a região de recuo é posicionada à frente da alavanca, onde está o contato móvel, o que permite que este feche o circuito em contato com o contato fixo.

Assim, temos dois contatos que se estabelecem por meio de um movimento de rotação do came. Para permitir um acionamento das chaves comutadoras, seja de abertura ou fechamento, mais eficiente e mais rápido, elas contêm também molas helicoidais de disparo, assim como as chaves seccionadoras.

Assim, além do came, dos contatos, da alavanca e das molas, as chaves elétricas rotativas são compostas por uma base, em que são dispostos os elementos componentes da chave, como o limitador e o batente. A chave apresenta ainda uma câmara, que não é a câmara de extinção, onde são fixadas as partes que permanecem paradas e as partes móveis (contatos, alavanca, came e molas). A mola, por sua vez, fica comprimida entre a parede da câmara e a parte móvel do contato, pronta para realizar o disparo quando acionada.

O engenheiro eletricista Hirbis Bressan, da EFE Semitrans, ressalta ainda que, “considerando que é a rotação do eixo que abre ou fecha os contatos de acordo com o perfil da borda do came, pode-se posicionar o came em relação ao eixo de tal maneira que se saiba claramente se em uma dada posição angular do eixo o contato está aberto ou fechado. Assim, variando-se o perfil da borda do came e sua posição relativamente ao eixo, pode-se ter contatos abertos e fechados em uma mesma posição angular”.

Por isso, é possível obter chaves rotativas com diversas posições angulares e os contatos abertos e fechados estarem em diversas posições. Essas posições da alavanca de acionamento, que depende da posição angular, variam de acordo com a necessidade específica de cada chave.

O eixo, por sua vez, atravessa o came, transmitindo o movimento giratório que é realizado pela manopla ou punho ao excêntrico. O punho fica fixado na parte externa da chave e é por ele que é feita a operação de acionamento da chave. Por fim, a chave contém um espelho, no qual estão identificadas as posições de cada componente para o encaixe final.

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