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.
