Como calcular a corrente de curto-circuito prevista e escolher a capacidade de interrupção adequada

Saber o que significam Icu e Ics é uma coisa. Saber qual é a corrente de falha que a vossa placa irá efetivamente registar é outra, e é esse valor que todos decisão sobre a capacidade máxima depende. No entanto, é habitual fazer uma estimativa — normalmente copiando a classificação utilizada no último trabalho.

As estimativas erradas podem ocorrer em ambos os sentidos. Se subestimar, instalará um disjuntor que não consegue eliminar com segurança a falha a que está sujeito, o que constitui um verdadeiro risco de segurança, e não apenas uma deficiência de desempenho. Se sobrestimar, acabará por pagar um preço elevado em todos os quadros elétricos do edifício por uma capacidade que nunca será utilizada. Este guia explica o cálculo, os ajustes que são importantes e como o resultado se traduz numa classificação de capacidade de corte.

Comece pelo transformador

No caso de um único transformador que alimenta uma rede radial de baixa tensão, a impedância do transformador determina tudo o que se encontra a montante do mesmo. A rede de alta tensão é normalmente suficientemente extensa para que a sua contribuição seja, em comparação, reduzida, pelo que ignorá-la conduz a uma resposta ligeiramente conservadora — o que é o tipo certo de erro.

A relação é simples. A impedância do transformador é expressa como a percentagem da tensão primária necessária para gerar a corrente de plena carga num secundário em curto-circuito. Um transformador com impedância 5% fornece, portanto, aproximadamente 100 ÷ 5 = 20 vezes a sua corrente de plena carga numa avaria por curto-circuito fixo.

Portanto, o método em duas etapas consiste no seguinte:

• Passo 1 — corrente em plena carga: I _FL = kVA × 1000 ÷ (√3 × V)
• Passo 2 — corrente de falha: I _sc ≈ I _FL × 100 ÷ Z%

Exemplo prático: um transformador de 1 000 kVA, com tensão secundária de 400 V e impedância 5%.

• I _FL = 1 000 × 1 000 ÷ (1,732 × 400) = 1 443 A
• I _sc = 1 443 × 100 ÷ 5 = 28 867 A ≈ 28,9 kA

Esse único resultado já é significativo: um transformador de 1 000 kVA com impedância 5% produz cerca de 29 kA nos seus terminais. Especificar um quadro de 25 kA imediatamente a jusante deste transformador é um dos erros de especificação mais comuns e mais graves na distribuição de baixa tensão.

Os níveis de falha diminuem à medida que se avança a jusante

O valor do transformador representa o limite máximo, não o valor que se aplica em todas as situações. Cada metro de cabo entre a fonte e o ponto de falha acrescenta impedância, e essa impedância adicional reduz a corrente de falha. Um quadro situado a 30 m de um transformador de 630 kVA registará uma corrente de falha significativamente menor do que a registada nos terminais do transformador.

Intervalos típicos numa instalação comercial:

É aqui que está o dinheiro. Especificar a mesma capacidade nominal de 50 kA em todos os níveis de um sistema de distribuição é um hábito, não um cálculo. Um conjunto de 50 kA pode custar substancialmente mais do que um de 25 kA com a mesma configuração e, ao longo de dez quadros de subdistribuição, essa diferença representa uma despesa de capital real gasta em vão.

Quando o método simples não é suficiente

A fórmula que considera apenas o transformador constitui uma boa primeira aproximação para um único transformador que alimenta uma rede radial. Deixa de ser adequada quando:

• Os transformadores funcionam em paralelo — as contribuições são adicionadas ao barramento comum.
• Existe uma carga motora significativa — os motores em funcionamento devolvem corrente ao ponto de falha durante os primeiros ciclos, normalmente várias vezes a sua corrente de plena carga.
• Existe produção no local — os geradores e os sistemas de baterias contribuem para a corrente de falha.
• Os percursos dos cabos são longos ou têm dimensões invulgares — a impedância deve ser calculada a partir dos dados do condutor, e não estimada.
• A entidade responsável pelo abastecimento pode modernizar a rede — o nível de falhas de hoje é um mínimo, não um máximo.

Nestes casos, o método padrão é a norma IEC 60909, ou o método nacional equivalente. Na prática, isto significa utilizar software de sistemas de energia em vez de uma folha de cálculo, porque, assim que se tem fontes em paralelo e falhas desequilibradas, os cálculos deixam de ser exequíveis manualmente.

Adicionar a contribuição do motor

O transformador não é a única fonte. Os motores que estão em funcionamento quando ocorre uma avaria não ficam simplesmente a funcionar por inércia — nos primeiros ciclos, funcionam como geradores e devolvem corrente à avaria. Numa placa com uma carga motora substancial, essa contribuição não é um erro de arredondamento.

Uma primeira aproximação razoável consiste em somar aproximadamente quatro a seis vezes a corrente total em carga máxima dos motores ligados nesse ponto, com um decréscimo ao longo de alguns ciclos. Isto é particularmente importante para a corrente de pico e para a taxa de utilização no primeiro ciclo, e é uma das razões pelas quais o método simples do transformador é considerado um valor mínimo em instalações industriais, em vez de uma resposta definitiva.

A mesma lógica aplica-se à produção no local. Os geradores e os inversores com bateria de apoio aumentam a corrente de falha disponível, embora as fontes baseadas em inversores sejam normalmente limitadas em termos de corrente e contribuam muito menos do que uma máquina rotativa com potência nominal semelhante. Quando existe produção no local, os dados relativos à fonte têm de provir do fabricante do equipamento e não de uma suposição.

A corrente de pico é um valor distinto

O valor RMS simétrico é o que se compara com a capacidade de interrupção. No entanto, o primeiro meio ciclo de uma falha também produz um pico de corrente assimétrica, e é esse pico que exerce tensão mecânica nas barras colectoras, nos suportes e nos reforços dos condutores.

I_pk = κ × √2 × I_sc, em que κ depende da relação X/R do circuito e situa-se normalmente entre 1,5 e 2,2 nos sistemas de baixa tensão.

Se tomarmos o exemplo de 28,9 kA com κ = 1,6, obtém-se um pico de cerca de 65 kA. Uma placa cujo reforço das barras coletoras tenha sido dimensionado para o pico associado a uma capacidade nominal simétrica inferior pode suportar a função de interrupção e, mesmo assim, falhar mecanicamente. É por isso que as especificações dos conjuntos indicam ambos os valores.

Transformar o número numa capacidade máxima

Depois de determinar a corrente de falha prevista no ponto de instalação, a escolha da classificação consiste numa comparação — com duas regras que se revelam mais importantes do que os cálculos aritméticos:

• Utilize «Ics», e não «Icu», quando a continuidade for importante. Icu é a capacidade máxima de interrupção — o valor máximo que o disjuntor pode interromper, após o qual já não precisa de permanecer operacional. Ics é a capacidade de interrupção em serviço, expressa como uma percentagem de Icu, na qual o disjuntor deve continuar a estar totalmente funcional após a interrupção. Um dispositivo com um Icu elevado, mas com um rácio Ics baixo, é, na prática, de utilização única em níveis elevados de falha. O nosso artigo sobre capacidade de frenagem (Icu/Ics) aborda estas definições na íntegra.
• Não faça corresponder exatamente a classificação ao número. Os níveis de falha variam. As redes são reforçadas, os transformadores são substituídos e as instalações são ampliadas. É preferível deixar uma margem de segurança em vez de especificar um dispositivo que corresponda exatamente ao valor calculado.

Em seguida, voltemos à classe do equipamento. Se o nível calculado num determinado ponto exceder o que um MCCB consegue cobrir com margem de segurança, ou se o estudo de coordenação exigir que um Icw declarado tenha um atraso temporal, a solução nessa posição poderá ser um disjuntor de ar em vez de um MCCB de grande capacidade — o compromisso que estabelecemos em MCCB vs ACB.

Um fluxo de trabalho prático

1. Leia a placa de identificação do transformador: kVA, tensão secundária, impedância %.
2. Calcule a corrente em carga total e, em seguida, aplique o fator de impedância para o nível de falha nos terminais do transformador.
3. Registe os seus pressupostos — fonte primária infinita, impedância nominal —, pois são a base de todos os valores que se seguem.
4. Trabalhe a jusante, subtraindo a impedância do cabo na placa principal, nas placas de subdistribuição e nas placas finais.
5. Indique a contribuição do motor e do gerador nos casos em que for significativa.
6. Compare a corrente de falha disponível em cada ponto com a capacidade nominal do equipamento nesse ponto.
7. Apresente os resultados sob a forma de um plano, para que a próxima pessoa que for ampliar a instalação não tenha de começar do zero.

Erros que se repetem em vários projetos

• Especificar uma classificação para toda a instalação. O nível de falha diminui com a distância; uma classificação única ou não é segura perto da fonte ou é um desperdício quando se está longe dela.
• Utilizar Icu, sendo que Ics é a verificação relevante. Especialmente em circuitos em que é importante que o funcionamento se mantenha após uma avaria.
• Ignorar futuras alterações na rede. A entidade responsável pelo fornecimento poderá aumentar o nível de falha disponível após a entrada em funcionamento.
• Esquecer a contribuição motora. Em instalações industriais com uma elevada carga motora, isto pode representar um acréscimo significativo aos primeiros ciclos de corrente de falha.
• Verificar o disjuntor, mas não o conjunto. O quadro elétrico também tem uma capacidade nominal de corrente de curto-circuito, e a corrente de pico determina o reforço das barras condutoras.
• Não há documentação. Um cálculo não registado não pode ser revisto e será refeito — de forma incorreta — na próxima vez que alguém adicionar uma placa.

Perguntas frequentes

O que é a corrente de curto-circuito prospectiva?

É a corrente máxima que fluiria num determinado ponto da instalação se aí ocorresse uma falha de impedância nula (ligada em curto). É determinada pela impedância da fonte e por todos os elementos entre a fonte e esse ponto.

Como é que se calcula a partir da placa de identificação de um transformador?

Calcule a corrente em plena carga do transformador a partir do seu kVA e da tensão secundária e, em seguida, divida pelo valor da impedância expresso como um decimal — ou, de forma equivalente, multiplique a corrente em plena carga por 100 ÷ Z%. No caso de um transformador de 1 000 kVA, 400 V, 5%, que fornece cerca de 28,9 kA nos terminais.

O comprimento do cabo altera mesmo o resultado?

Sim, por vezes de forma substancial. A impedância do cabo entre a fonte e o ponto de falha reduz a corrente de falha, razão pela qual um quadro de subdistribuição situado a 30 m do transformador regista um valor muito inferior ao registado nos terminais do transformador. Os percursos longos e os condutores de pequena secção são os que mais a reduzem.

Devo comparar o valor que calculei com o Icu ou com o Ics?

O valor de Icu indica a corrente máxima que o dispositivo pode suportar. O valor de Ics indica o nível em que o dispositivo continuará a funcionar após essa situação. Nos casos em que o circuito precisa de permanecer operacional após a resolução de uma avaria, o valor de Ics é o parâmetro mais adequado e mais conservador a ter em conta.

E quanto à corrente de pico?

A corrente de pico assimétrica na primeira metade do ciclo é superior ao valor RMS simétrico, normalmente num fator de 1,5 a 2,2, dependendo da relação X/R. Esta determina a resistência mecânica das barras condutoras e dos suportes, pelo que a capacidade nominal do conjunto deve cobri-la, mesmo quando a capacidade de interrupção do disjuntor for adequada.

Calcula uma vez e, depois, anota

O estudo do nível de falha não é um exercício académico — é o elemento determinante para saber se a sua proteção é segura e se o orçamento destinado ao quadro elétrico é investido onde realmente faz a diferença. Um cálculo, feito corretamente e registado, poupa ambos.

Se estiver a dimensionar disjuntores MCCB e pretender que os valores nominais sejam verificados em relação aos dados do seu transformador e aos percursos dos cabos, envie-nos o esquema unifilar. Contacte a nossa equipa de engenharia e iremos confirmar a capacidade de travagem de que realmente necessita em cada nível.

Leituras relacionadas

• Explicação sobre a capacidade máxima (ICU/ICS)
• Como escolher o disjuntor em caixa moldada (MCCB) adequado
• MCCB vs ACB: Quando é necessário um disjuntor de ar