Fusíveis

Todo sistema elétrico deve ser adequadamente protegido de forma a suportar a corrente de serviço do sistema, porém em um eventual defeito ou falha do mesmo, este venha a ser protegido de efeitos destrutivos como o derretimento da isolação dos cabos, fusão dos cabos e barramentos, explosões e incêndios.

Dentre os dispositivos de proteção os fusíveis são os que tem a maior capacidade de interrupção e por isso, mesmo com toda tecnologia que dispomos hoje eles ainda continuam sendo muito utilizados, seu maior inconveniente é que não são reutilizáveis, sendo substituídos a cada atuação.

A primeira aparição oficial do fusível se deu com a patente de Thomas Edison em 1880, com a finalidade de proteger lâmpadas elétricas, pois estas possuíam um filamento muito sensível.

Anteriormente a esta data, por volta de 1864, existiam dispositivos semelhantes a um fusível, que utilizava fios de platina para a proteção de cabos submarinos, porém há indícios de que seu surgimento se deu em meados de 1774, onde existem relatos de proteção elétrica em experiências com energia eletrostática. As formas que os fusíveis possuem hoje não correspondem aos primeiros exemplares fabricados, os quais passaram por muitas alterações no seu formato, material empregado em sua construção, nas suas aplicações e características de funcionamento

  Existem várias normas brasileiras que regulamentam a operação e a construção de fusíveis, baseadas em normas internacionais, as quais estabelecem parâmetros como a corrente nominal, tensão de operação, capacidade de interrupção, etc. Estas normas também definem os formatos e os tipos de fusíveis que existem atualmente no mercado.

O presente trabalho tem o objetivo de abordar estes dispositivos, apresentando as suas finalidades, classificações, tipos existentes, materiais utilizados em sua fabricação, fabricantes e pesquisa e desenvolvimento de novas tecnologias aplicadas a estes dispositivos.

DEFINIÇÃO:

Os dispositivos fusíveis são elementos de proteção que atuam através da fusão de uma parte dimensionada para tal, secionando o circuito em que estão instalados e interrompendo a corrente elétrica quando esta excede um valor estabelecido por um determinado intervalo de tempo.

Em condições normais, este dispositivo faz com que o circuito no qual está ligado opere normalmente, sem nenhuma ou “quase nenhuma” interferência em suas características, porém no caso de uma elevação do valor da corrente normal de funcionamento, ocorre uma elevação de temperatura no seu elemento fusível até que ocorra a sua fusão, secionando o circuito após determinado tempo. As simbologias mais comuns para representação de um fusível são apresentadas, onde a segunda simbologia é a determinada pela IEC.

Os fusíveis são certamente os dispositivos de uso mais tradicional na proteção de circuitos e sistemas elétricos e proporcionam excelente proteção contra curto-circuito devido a sua alta capacidade de interrupção e sua capacidade limitadora (antes que ocorra o valor de crista a corrente de curto circuito é interrompida). Sua utilização, porém, não deve ser efetuada quando se deseja proteção contra sobrecargas leves e moderadas, pois a sua curva de atuação “tempo x corrente” não pode ser ajustada, ao contrário dos relés de proteção contra sobrecorrentes e disjuntores eletromagnéticos, os quais possuem mecanismo de ajuste.Logo abaixo mostramos as curvas de tempo x corrente dos fusíveis.

FINALIDADE

Em qualquer sistema elétrico um sistema de proteção é fundamental mesmo em potências baixas, pois qualquer falha ou defeito pode danificar os seus elementos, ou até mesmo por em risco pessoas, animais ou mesmo patrimônios.

Um fusível tem a finalidade de seccionar um circuito caso ocorra qualquer distúrbio em sua corrente de entrada, protegendo os seus elementos de danos, ou no caso de equipamentos eletrônicos ou instalações elétricas até mesmo um incêndio.

Tecnicamente a finalidade de um fusível é proteger as instalações ou equipamentos de danos causados por sobrecorrentes ou curto-circuitos, rompendo seus componentes fundíveis caso ocorra um destes eventos.

CONSTRUÇÃO

ELEMENTOS FUSÍVEIS

Os fusíveis possuem como elementos fusíveis ligas metálicas denominadas “Ligas fusíveis”. Essas ligas são conhecidas através de seus nomes comerciais, e suas propriedades são especificadas em manuais especializados ou em catálogos de fabricantes.

Os principais elementos que às compões são bismuto, cádmio, chumbo e estanho. Em fusíveis especiais pode ser encontrada como elemento constituinte a prata.

A corrente necessária para fundir um elemento fusível de determinado tipo de dispositivo é calculada através da fórmula de Preece a qual é apresentada na equação 1.

Onde “I” é a corrente de fusão do fio, “a” é um parâmetro tabelado e “d” é o diâmetro do fio. Assim, quando um condutor é aquecido por uma corrente elétrica e atinge uma temperatura estável, a energia transformada em calor por efeito joule é igual ao calor que deixa a superfície do condutor por convecção e radiação.

Para uma pequena elevação de temperatura acima do ambiente, o calor perdido pelo condutor pode ser calculado pela lei de Newton, segundo a qual a energia emitida (W) é proporcional à elevação de temperatura (__), à superfície do condutor (A), ao tempo (t) e a emissividade da superfície (e), unindo estes parâmetros é obtida a equação 2.

A potência P emitida por um fio de seção circular, com o diâmetro d e o comprimento l é, portanto:

Considerando que a potência transformada por efeito joule é:

E a resistência de acordo com a segunda a lei de ohm é:

A qual é denominada “coeficiente de Preece” e depende do tipo de material utilizado.

 Comumente os valores de “a” são tabelados, na Tabela 1estão os valores do coeficiente de Preece para alguns tipos de materiais.

Assim, conhecido o valor de a, pode-se calcular a corrente necessária para fundir um fio com um diâmetro pré-determinado ou calcular o diâmetro de um fio utilizado na construção de um fusível a partir de uma corrente dada.

ELEMENTOS ISOLANTES

Os fusíveis de modo geral devem possuir um elemento isolante que garanta a circulação de corrente em apenas seus elementos funcionais, assim sendo necessário um elemento isolante para envolvê-lo. Além da função de isolação, em fusíveis que operam com tensões elevadas ou correntes elevadas têm-se o problema do arco elétrico que surge durante seu rompimento, com isso além da função de isolante o invólucro do fusível também se destina a extinção deste arco elétrico produzido.

Tendo em vista que durante a operação do fusível criam-se elevadas temperaturas e pressões, o material utilizado no invólucro do elemento fusível deve suportar estas condições sem sofrer nenhum dano em sua estrutura. Os invólucros normalmente utilizados são fabricados com papelão, fenolite, cerâmica, vidro, plástico, etc. Nos casos mais críticos utiliza-se um material isolante inserido no interior do fusível para ajudar na extinção do arco.

Normalmente o material utilizado para a extinção do arco fica na forma granular no interior do encapsulamento e é composto por quartzo, areia ou amianto mas pode ser utilizado qualquer outro material que possua características necessárias de isolação, temperatura e inflamabilidade.

Em sua construção, quando estes materiais não são transparentes ou não permitem a visualização do estado do fusível, criam-se dispositivos que sinalizam se o fusível está em condições de funcionamento ou fora de operação.

CARACTERÍSTICAS

No dimensionamento dos fusíveis algumas características são de extrema importância para um dimensionamento correto e sua correta atuação no caso de uma falta em um sistema elétrico ou eletrônico. Fatores como corrente de interrupção, tensão nominal e corrente nominal são de extrema importância no seu dimensionamento. Algumas destas características estão apresentadas a seguir.

CORRENTE NOMINAL (IN)

E o valor de corrente que pode percorrer o fusível por tempo indeterminado sem que este apresente um aquecimento excessivo.

CORRENTE TÉRMICA NOMINAL (ITH)

E a maior corrente que o dispositivo deve suportar num período de oito horas sem que o aumento da temperatura ultrapasse os limites especificados. “Sem que a elevação de temperatura de suas várias partes exceda limites especificados (que são os mesmos indicados na tabela 3 da NBR 5361)”.

CORRENTE DE AJUSTE

Valor de corrente em que o dispositivo é ajustado e as configurações são definidas.

CORRENTE CONVENCIONAL DE FUSÃO (IF)

Valor de corrente que ativa a atuação do dispositivo dentro de um tempo determinado.

CORRENTE CONVENCIONAL DE NÃO FUSÃO (INF)

É a corrente que pode ser suportada pelo dispositivo durante um tempo especificado.

TENSÃO MÁXIMA DE OPERAÇÃO

É a tensão máxima que o fusível pode operar em regime de funcionamento e está ligada diretamente ao tipo de material empregado em sua construção.

As correntes convencionais de fusão e de não fusão são de um valor maior do que as correntes nominais e de ajuste do dispositivo.

CLASSIFICAÇÃO

Existem várias normas que regulamentam os fusíveis, dentre as quais se aplicam separadamente a fusíveis que operam em baixa, média ou alta tensão, fusíveis que são operados por pessoas não qualificadas, pessoas autorizadas ou pessoas qualificadas, também estas normas separam os fusíveis quanto ao tipo de contato, sejam estes construídos com contatos cilíndricos ou contatos aparafusados, aplicados à proteção de circuitos de potência ou mesmo circuitos onde visam proteção de semicondutores.

De modo geral existem algumas classificações baseadas nos parâmetros dos fusíveis como, por exemplo, as categorias de utilização. A categoria de utilização especifica a corrente que o fusível é capaz de conduzir sem danos aos seus componentes, bem como a faixa de sobrecorrentes que este é capaz de interromper.

QUANTO A CATEGORIA DE UTILIZAÇÃO

Segundo a norma DIN/VDE, os fusíveis podem ser classificados como categoria “a” ou categoria “g”. Na categoria “a” existem restrições na atuação destes fusíveis na faixa tempo × corrente, podendo interromper correntes acima de um múltiplo especificado a até sua máxima corrente de interrupção, já na categoria “g” os fusíveis podem interromper correntes desde sua mínima corrente de fusão a até a sua máxima capacidade de interrupção.

QUANTO A CLASSE DE OPERAÇÃO

Juntamente com as categorias de utilização na norma DIN/VDE existe uma segunda letra

que define a classe de operação dos fusíveis, que podem ser:

·         “R” – semicondutores

·         “B” – instalações de mineração

·         “L” – condutores

·         “TR” – transformadores

Semelhante à norma DIN/VDE, a norma NBR IEC 60269 estabelece a primeira letra para

classificar os fusíveis quanto à categoria, porém a segunda letra se diferencia um pouco para

definir a classe de operação destes, como segue:

·          “G” – Proteção de linha (uso geral)

·          “M” – Proteção de circuito de motores

·          “R” – Proteção de semicondutores (ultra rápido)

·          “L” – Proteção de linha (DIN/VDE)

·          “Tr” – Proteção de transformadores

TIPOS

Existem vários tipos de fusíveis, os quais se diferenciam pela capacidade de interrupção, pela tensão de operação e principalmente pela forma construtiva. São exemplos de tipos de fusíveis o fusível tipo rolha, tipo cartucho, diazed, NH a expulsão, a ácido bórico, a areia de quartzo, etc. Os principais tipos estão apresentados a seguir.

FUSÍVEL TIPO FACA

Os fusíveis “tipo faca” possuem o seu elemento fundível com uma redução na área transversal em alguns trechos, de forma a localizar a área onde ocorrerá a fusão. Possuem capacidades de corrente na faixa de 80 A a 100 A e tensão máxima de trabalho ficando em torno de 500V.

FUSÍVEIS DE ROLHA

São fusíveis de baixa tensão em que um dos contatos é uma peça roscada, que se fixa no contato roscado correspondente da base. A norma que certifica estes tipos de fusíveis é a NBR5113, NBR5117 e a NBR6280. Este fusível, apresentado na Figura 4 se tornou obsoleto há alguns anos e raramente é encontrado no mercado.

FUSÍVEIS DO TIPO CARTUCHO

É um fusível de baixa tensão cujo elemento fusível é encerrado em um tubo protetor feito com material isolante, com contatos nas extremidades. Um exemplo deste tipo de fusível é apresentado na Figura 5.

FUSÍVEIS TIPO D

Sua nomenclatura Tipo “D” deriva do nome “Diazed”, denominação o qual geralmente é chamado. É um fusível limitador de corrente, de baixa tensão, cujo tempo de interrupção é tão curto que o valor de crista da corrente presumida do circuito não é atingido. Os fusíveis “Diazed” são utilizados na proteção de curto circuito em instalações elétricas residenciais, comerciais e industriais e quando normalmente instalados, permitem o seu manuseio sem riscos de toque acidental. Possuem categoria de utilização gL/gG, em três tamanhos (DI, DII e DIII) e atendem as correntes nominais de 2 A a 100 A.Através de parafusos de ajuste, impedem a mudança para valores superiores, preservando as especificações do projeto. Permitem fixação por engate rápido sobre trilho ou parafusos.

FUSÍVEIS TIPO NEOZED

Os fusíveis NEOZED possuem tamanho reduzido e são aplicados na proteção de curto circuito em instalações típicas residenciais, comerciais e industriais. Possui categoria de utilização gL/gG, em dois tamanhos (D01 e D02) atendendo as correntes nominais de 2 A a 63 A. São aplicados para até 50 kA em 400 VCA. A sua forma construtiva garante total proteção de toque acidental quando da montagem ou substituição dos fusíveis.Possui

anéis de ajuste que evitam a alteração dos fusíveis para valores superiores de corrente, mantendo a adequadaqualidade de proteção da instalação.A fixação pode ser rápida por engate sobre trilho ou por parafusos e atendem a norma IEC 269.

FUSÍVEIS TIPO SILIZED

Os fusíveis ultra-rápidos SILIZED são utilizados na proteção de curto-circuito de semicondutores, estão adaptados às curvas de carga dos tiristores e diodos de potência,permitindo quando da sua instalação seu manuseio sem riscos de toque acidental.Possui categoria de utilização gR, em três tamanhos e atendem as correntes nominais de 16 A a 100 A.Limitadores de corrente, possuem capacidade de interrupção: 50 kA em até 500 VCA.Através de parafusos de ajuste, evitam alterações equivocadas dos fusíveis, preservando as especificações do projeto e a segurança da instalação.Permitem a fixação por engate rápido sobre trilho ou parafusos e atendem a norma DIN VDE 0636.

FUSÍVEIS SITOR

Os fusíveis SITOR são fusíveis ultra-rápidos apropriados para instalações industriais onde a proteção de semicondutores, tiristores, GTOs e diodos são necessárias. Possuem categoria de utilização gR / aR, atendendo as correntes nominais de 16 A a 900 A.

Encontrado em cinco tamanhos diferentes, podendo ser utilizados em tensão alternada de 690 V a 2500 V ou em tensão contínua de 440 V a 600 V. O uso de punhos garantem manuseio seguro na montagem ou substituição dos fusíveis.

FUSÍVEIS NH

São fusíveis que possuem alta capacidade de interrupção, para correntes de 6 A a 1000 A em aplicações industriais. A nomenclatura “NH” vem do alemão “Niederspannungs Hochleistrungs”, que o “N” significa, baixa tensão e o “H” significa, alta capacidade de ruptura.

Protegem os circuitos contra curto circuito e sobrecargas de curta duração, como na partida de motores de indução com rotor em gaiola.

FUSÍVEIS HH (XE "FUSÍVEIS HH")

Os fusíveis do tipo “HH” são utilizados para a proteção de motores e transformadores em média tensão. Semelhante aos fusíveis do tipo “NH” sua nomenclatura vem de “H” alta tensão (High voltage) e o segundo H significa alta capacidade.

FUSÍVEIS DH

Os fusíveis do tipo DH são utilizados em média tensão na proteção de equipamentos e ramais de distribuição de energia. Montados em uma base do tipo “C” possuem um mecanismo que tenciona o seu elemento fusível fazendo com que ao atuar, este sinalize o seu rompimento tornando possível a identificação a distância, agilizando o processo de correção de falhas em uma rede.

NORMAS APLICADAS A FUSÍVEIS

Como citado anteriormente existem normas que regulamentam a produção e utilização dos fusíveis, algumas destas normas estão são apresentadas a seguir.

·          NBR/IEC 60269-1

Condições exigíveis para dispositivo-fusíveis limitadores de corrente, com capacidade de interrupção não inferior a 6 kA, destinados proteção de circuitos de potência em corrente alternada cuja tensão nominal não exceda 1 000 V, ou de circuitos Dc, cuja tensão nominal não ultrapasse 1 500 V.

·          IEC 60269-2: 1986

Dispositivo-fusíveis de baixa tensão Parte 2: Requisitos adicionais para dispositivo-fusível para uso por pessoas autorizadas (dispositivo-fusíveis principalmente para aplicação industrial).

·          ABNT/EB 1301

Dispositivos fusíveis de alta tensão - Dispositivos tipo expulsão - Requisitos e métodos de ensaio. Esta Norma estabelece os requisitos exigíveis para dispositivos fusíveis de alta tensão tipo expulsão e similares para uso interno ou externo em sistemas decorrente alternada de 60 Hz e tensões nominais acima de 1 000 V.

·          IEC 60269-1: 1998

Dispositivos- fusíveis de baixa tensão Parte 1: Requisitos gerais. Esta Norma fixa as condições exigíveis para dispositivos- fusíveis limitadores de corrente, com capacidade de interrupção não inferior a 6 kA, destinados à proteção de circuitos de potência em corrente alternada, cuja tensão nominal não exceda 1 000 V, ou de circuitos em corrente contínua, cuja tensão nominal não ultrapasse 1 500 V.

·          IEC 60269-3: 1987

Dispositivo-fusíveis de baixa tensão Parte 3: Requisitos suplementares para uso por pessoas não qualificadas (principalmente para aplicações domésticas e similares). Estes requisitos são aplicáveis aos dispositivos fusíveis do tipo "gG", usados por pessoas não qualificadas para aplicações domésticas e similares com corrente nominal até 100 A e tensão nominal até 500 V em corrente alternada.

·          ABNT NBR 9125: 1985

Dispositivos fusíveis de baixa tensão para uso doméstico - Verificação de requisitos - Método de ensaio. Esta Norma prescreve o método de ensaio para dispositivos fusíveis de baixa tensão para uso doméstico.

·          ABNT NBR 6996:1988

Fusíveis cartuchos – Ensaios - Esta Norma prescreve o método de ensaio de fusíveis cartucho faca e virola, de ação rápida (R) e retardada ( L), de corrente nominal de até 600 A, para circuitos de até 600 V para corrente alternada de freqüência industrial.

·          ABNT NBR 9030:1985

Sistema de proteção para interligação concessionária - Consumidor a partir de 69kV – Procedimento. Esta Norma fixa as condições exigíveis para aplicação efetiva e uniforme de chaves fusíveis, relés e seus equipamentos associados de chaveamento localizados no ponto de interligação entre os sistemas da concessionária de energia elétrica e do consumidor, a partir de 69 kV.

·          ABNT NBR 5113:1988

Fusíveis tiporolha – Especificação - Esta Norma fixa as condições exigíveis para fusíveis rolha não renováveis, de corrente nominal até 30 A, para circuitos até 254 V, 60 Hz, com capacidade de ruptura até 0,2 kA.

·          ABNT NBR 11849:1991

Dispositivos- fusíveis de baixa tensão para uso por pessoas autorizadas – Fusíveis com contatos cilíndricos – Especificação - Esta Norma fixa as condições exigíveis para dispositivos para uso por pessoas autorizadas – fusíveis com contatos cilíndricos

PRINCIPAIS FABRICANTES

Existem vários fabricantes de fusíveis no mercado, se distinguindo principalmente na

aplicação de cada tipo de fusível. Fusíveis de média tensão e de uso industrial são na maioria dos

casos produzidos por grandes fabricantes, já fusíveis de uso em equipamentos eletrônicos e pequenas aplicações são também fabricados por pequenas indústrias.

Abaixo seguem alguns fabricantes de fusíveis existentes no mercado:

·          WEG

·          SIEMENS

·          METALTEX

·          ABB

·          CROMATEK

·          DELMAR

·          INTERFUSS

·          AMERICAN FUSE

·          TEE

·          BELFUSE

·          SOC

TECNOLOGIAS UTILIZADAS E PESQUISA E DESENVOLVIMENTO

Os fusíveis mesmo com o passar do tempo e o surgimento de novas tecnologias se mantém no mercado devido ao seu baixo custo e sua simplicidade. Aos poucos estes dispositivos estão sendo substituídos por mecanismos mais eficientes como disjuntores ou religadores, porém mesmo assim ainda possuem um grande mercado para suas aplicações.

Na área de eletrônica, por exemplo, a qual resiste a sua aplicação, existem dispositivos denominados fusíveis rearmáveis (termistores), os quais são na verdade resistores que elevam a sua resistência com o aumento da temperatura, assim caso ocorra uma sobrecorrente este dispositivo irá elevar sua resistência a um valor extremamente alto, reduzindo a corrente a um valor mínimo, fazendo com que esta não tenha energia suficiente para danificar o circuito. Após o seu resfriamento, o qual é lento, a sua resistência volta a baixar ficando próxima de zero. Estes

dispositivos são aplicados somente na proteção de equipamentos de baixas correntes devido as suas características de construção.

CONCLUSÃO

Considerando os dispositivos de proteção aplicados em circuitos elétricos, os fusíveis são pioneiros neste quesito, pois surgiram há mais de 200 anos atrás, e mesmo após todo esse tempo se mantêm na maioria das aplicações elétricas existentes na atualidade, resistindo mesmo com o surgimento de novas tecnologias como relés térmicos, disjuntores ou modernos circuitos eletrônicos de proteção.

Em relação ao seu funcionamento, desde o primeiro fusível construído a até os fabricados atualmente, o seu princípio de funcionamento continua o mesmo, não sofrendo muitas alterações em relação à atuação, somente em relação aos materiais utilizados e aos formatos porém, mesmo sendo um dispositivo simples, existe certa complexidade em seu projeto em determinadas aplicações, como no caso de altas correntes ou altas tensões, condições que no momento de seu rompimento podem causar arcos elétricos entre seus elementos os danificando ou mesmo fazendo com que não atuem corretamente.

Assim, mesmo após tantos anos de existência, os fusíveis proporcionam uma área de pesquisa que tem bastante a evoluir, seja em novas tecnologias de aplicação ou no desenvolvimento de novos materiais a serem utilizados em seus componentes, seja para aplicação na área de eletrônica, ou mesmo em média ou alta tensão aplicados na transmissão ou distribuição de energia, pois devido ao seu baixo custo tendem a se manter no mercado ainda por muito tempo, pois possuem uma relação custo-benefício muito maior se comparados a outras tecnologias mais complexas existentes, que mesmo possuindo uma maior eficiência, seu custo é um fator limitador para a utilização na maioria das aplicações.