Aula 2: Chaves Fusíveis e Elos de Proteção em Redes de Distribuição

Docente: Prof. Adriano Batista
Instituição / Contexto: Instituto Federal do Piauí (IFPI) - Campus Picos
Disciplina: Proteção de Sistemas Elétricos de Potência
Vídeo de Referência: AULA 2 Chaves Fusíveis

📌 Sumário do MOC

1. Definição e Aplicações
- 1.1 Funções Principais
2. Componentes Construtivos e Topologias de Chaves
3. Segurança e Manobra: Operação sob Carga e Loadbuster
- 3.1 Riscos da Abertura em Carga
- 3.2 A Ferramenta Portátil Loadbuster
4. Tipos de Elos Fusíveis e Curvas Características
5. Desenvolvimento Algébrico: Regras de Dimensionamento
6. Padronização e Elos Preferenciais
7. Diretrizes Práticas de Engenharia para Redes de Distribuição

1. Definição e Aplicações

A chave fusível (popularmente denominada “canela” ou chave corta-circuito) é o dispositivo de proteção contra sobrecorrentes mais utilizado em redes aéreas de média tensão de distribuição (urbanas e rurais), subestações abrigadas e aéreas de consumidores e transformadores de distribuição.

1.1 Funções Principais

Proteção contra Sobrecargas: Interrupção de correntes moderadas sustentadas que superam a capacidade térmica de condutores e transformadores.
Proteção contra Curtos-Circuitos: Interrupção ultrarrápida de correntes elevadas decorrentes de faltas entre fases ou entre fase e terra.
Ponto Visível de Seccionamento: Quando o elo fusível se funde, o tubo porta-fusível desengata e bascula (efeito “queda” ou drop-out), proporcionando uma abertura visual evidente para a equipe de manutenção.

IMPORTANT

A chave fusível é dimensionada tanto pela sua tensão nominal e corrente contínua nominal, quanto pela sua capacidade de interrupção simétrica e assimétrica. Se a corrente de curto-circuito no ponto de instalação superar a capacidade máxima de interrupção da chave, o dispositivo não extinguirá a falha e poderá explodir, tornando-se ele próprio a causa de um defeito grave.

2. Componentes Construtivos e Topologias de Chaves

graph TD
    A[Chave Fusível Corta-Circuito] --> B[Isolador de Suporte]
    A --> C[Terminais Elétricos]
    A --> D[Cartucho Porta-Fusível]
    A --> E[Elo Fusível]

    B --> B1[Porcelana vidrada ou Polimérico]
    C --> C1[Superior: Entrada da Fonte com contato de pressão]
    C --> C2[Inferior: Saída para a Carga com articulação basculante]
    D --> D1[Tubo de fibra vulcanizada / fenolite]
    D --> D2[Olhal de manobra para vara telescópica]
    E --> E1[Elemento ativo calibrado com botão condutor e cordoalha]
### 2.1 Componentes Principais da Chave Fusível de Corpo Único

A chave fusível convencional para redes de distribuição até 200 A possui as seguintes partes funcionais identificadas na aula:

![[chave_fusivel_corpo_unico.png]]

1. **Suporte de Fixação:** Grampo metálico galvanizado que ancora a chave na cruzeta do poste.
2. **Isolador de Corpo Único:** Peça única de porcelana vitrificada ou silicone polimérico que isola o circuito de média tensão da estrutura aterrada do poste.
3. **Terminal de Fonte e Contato Superior:** Conexão onde entra a fase do alimentador, dotada de lâmina de pressão flexível.
4. **Guia para o Porta-Fusível:** Canaleta de guiamento que direciona o encaixe superior do cartucho durante o fechamento por vara de manobra.
5. **Olhal para Manobra:** Argola metálica no cartucho onde engata a ponta da vara de manobra ou o gancho do Loadbuster.
6. **Porta-Fusível (Cartucho):** Tubo cilíndrico isolante e extintor no interior do qual é fixado o elo fusível.
7. **Ponto de Articulação / Báscula:** Dobradiça mecânica inferior que permite ao cartucho girar e cair (*drop-out*) após a queima do elo.
8. **Terminal de Carga:** Conexão inferior de onde sai o condutor protegido para a rede a jusante ou transformador.

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### 2.2 Detalhamento do Cartucho / Tubo Porta-Fusível

O tubo porta-fusível é o elemento ativo de extinção do arco elétrico:

![[tubo_cartucho_portafusivel_detalhado.png]]

- **Tubo de Fenolite / Fibra Vulcanizada:** Revestimento interno gasogênico que libera gases sob alta pressão quando submetido à temperatura do arco elétrico, expelindo os gases ionizados pela parte inferior aberta.
- **Terminal de Bronze Fundido:** Cabeçote de travamento superior roscado onde se apoia a cabeça do elo fusível.
- **Porca Borboleta e Mola:** Fixador inferior por onde passa a cordoalha flexível do elo fusível, mantendo-o mecanicamente tracionado. Ao fundir, a mola ejeta o rabicho para fora, acelerando a abertura e liberando a báscula.

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### 2.3 Chaves Fusíveis Tipo Pedestal (Múltiplos Isoladores)

Para subestações e níveis de tensão mais elevados ($25\text{ kV}$ e $69\text{ kV}$), utilizam-se chaves de pedestal:

| Chave Pedestal 25 kV | Chave Pedestal 69 kV |
| :---: | :---: |
| ![[chave_fusivel_pedestal_25kv.png|320]] | ![[chave_fusivel_pedestal_69kv.png|320]] |
| *Dois isoladores cilíndricos em base metálica* | *Múltiplos corpos isoladores para suportar a distância dielétrica em 69 kV* |

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### 2.4 Chaves Fusíveis Religadoras (Repetidoras) e Arranjos Tandem

Para reduzir interrupções permanentes causadas por faltas transitórias e facilitar operações de manutenção em alimentadores, empregam-se equipamentos combinados:

#### A. Chave Fusível Religadora (Repetidora)
Possui múltiplos cartuchos fusíveis associados mecanicamente. Ao queimar o primeiro cartucho, o mecanismo de transferência arma imediatamente o segundo cartucho. Se o curto-circuito foi transitório, o fornecimento é recomposto sem necessidade de deslocamento de viatura da concessionária:

![[chave_fusivel_religadora_repetidora.png]]

#### B. Chave Fusível Tandem com Seccionador Unipolar
Arranjo mecânico com lâmina seccionadora tipo faca associada a uma chave fusível, empregado para manobras de isolamento e desvio (*bypass*) de religadores em subestações e alimentadores:

| Dispositivo Tandem Montado | Esquema de Manobra com Religador |
| :---: | :---: |
| ![[chave_fusivel_tandem_seccionador.png|320]] | ![[esquema_chave_tandem_religador.png|320]] |

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## 3. Segurança e Manobra: Operação sob Carga e Loadbuster

Chaves fusíveis convencionais **NÃO possuem mecanismo próprio de extinção de arco sob carga**.mermaid
flowchart LR
    A[Abertura Manual em Carga] -->|Sem ferramenta auxiliar| B[Formação violenta de Arco Elétrico]
    B --> C[Destruição dos contatos e risco grave ao operador]
    
    A -->|Com ferramenta Loadbuster| D[Engate do Loadbuster no olhal e gancho da chave]
    D --> E[Tração da vara de manobra]
    E --> F[Arco elétrico direcionado e extinto na câmara interna do Loadbuster]
    F --> G[Abertura segura e cartucho liberado]
### 3.1 Riscos da Abertura em Carga
- A abertura dos contatos de uma chave sob corrente de carga provoca a ionização do ar e a formação de um arco elétrico de altíssima temperatura.
- O arco pode causar queimaduras severas no operador, curto-circuito fase-fase induzido pelo plasma e queima da cruzeta e condutores.
- **Recomendações Práticas:** Transformadores a partir de $75\text{ kVA}$ a $300\text{ kVA}$ jamais devem ser desarmados pela chave fusível sob carga sem prévio alívio no disjuntor de baixa tensão ou uso da ferramenta Loadbuster.

### 3.2 A Ferramenta Portátil Loadbuster

A ferramenta portátil de abertura sob carga (**Loadbuster**) é acoplada à ponta da vara de manobra telescópica:

![[ferramenta_loadbuster.jpg|350]]

- **Princípio Operacional:** O operador engata o gancho do Loadbuster no pino guia da chave fusível e o olhal na argola do cartucho. Ao puxar com a vara de manobra, a corrente é desviada para o circuito interno da ferramenta; os contatos externos da chave abrem sem faísca e o arco é quebrado internamente na câmara desionizante do Loadbuster por acionamento de mola ultrarrápida.

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## 4. Tipos de Elos Fusíveis e Curvas Características

Os elos fusíveis são calibrados segundo a velocidade de atuação e a relação de tempo-corrente ($t \times I$).

### 4.1 Anatomia do Elo Fusível Tipo Botão

![[elo_fusivel_botao_componentes.png]]

1. **Botão (Cabeça):** Encaixa no cabeçote superior roscado do tubo porta-fusível.
2. **Tubinho Protetor:** Protege o filamento fusível interno contra atrito mecânico.
3. **Elemento Fusível Calibrado:** Fio de prata, estanho ou liga especial que funde ao atingir o limite térmico $I^2 t$.
4. **Cordoalha de Aço Flexível (Rabicho):** Garante continuidade elétrica com o contato inferior e permite o tensionamento mecânico da mola de báscula.
5. **Olhal Inferior / Olhal de Retirada:** Facilita a substituição do elo com vara de manobra.

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### 4.2 Elo Fusível de Argola para Redes Rurais MRT

Em redes rurais monofásicas do padrão **MRT / MRVT** (Monofilar com Retorno pela Terra), muito comuns no interior do Piauí e do Nordeste, utiliza-se o elo fusível de argola:

![[elo_fusivel_argola_mrt.png]]

- Dotado de argola metálica superior para conexão direta no parafuso terminal do isolador vitrificado, elemento condutor de aço e mola de pressão inferior.

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### 4.3 Classificação Normativa: Elos H, K e Tmermaid
graph TD
    Elos[Famílias de Elos Fusíveis] --> H[Tipo H - Alto Surto / High Surge]
    Elos --> K[Tipo K - Rápido / Fast]
    Elos --> T[Tipo T - Lento / Slow]

    H --> H1[0,5 A a 5 A]
    H --> H2[Lento para altas correntes de surto / inrush]
    H --> H3[Proteção primária de transformadores de distribuição]

    K --> K1[0,5 A a 200 A]
    K --> K2[Razão de velocidade: 6 a 8]
    K --> K3[Troncos e ramais aéreos de distribuição primária]

    T --> T1[0,5 A a 200 A]
    T --> T2[Razão de velocidade: 10 a 13]
    T --> T3[Ramais com necessidade de maior retardo e coordenação]
1. **Elo Tipo H (Alto Surto / *High Surge* — $0{,}5\text{ A}$ a $5\text{ A}$):**
   - Curva lenta para altas correntes de curta duração.
   - Suporta a corrente de magnetização (*inrush*) ao energizar transformadores e transitórios de descargas atmosféricas sem queimar indevidamente.
   - **Regra:** Nunca utilizar elos tipo H na proteção de ramais primários longos de alimentadores.
2. **Elo Tipo K (Rápido — $0{,}5\text{ A}$ a $200\text{ A}$):**
   - Razão de velocidade (*Speed Ratio*) entre 6 e 8.
   - Padrão universal para proteção de ramais primários aéreos urbanos e rurais.
3. **Elo Tipo T (Lento — $0{,}5\text{ A}$ a $200\text{ A}$):**
   - Razão de velocidade entre 10 e 13.
   - Mais lento que o elo K para a mesma corrente, propiciando maior temporização para coordenar com proteções a jusante.

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### 4.4 Tabelas Técnicas de Seleção e Coordenação

A seleção prática de elos fusíveis é padronizada pelas concessionárias através de tabelas normativas que cruzam potência do transformador, tensão nominal e correntes de coordenação:

| Tabela 2.3: Escolha de Elos K e H para Transformadores | Tabela 2.4 e 2.5: Coordenação entre Elos Protetor e Protegido |
| :---: | :---: |
| ![[tabela_escolha_elos_k_h.png|340]] | ![[tabela_coordenacao_elos.png|340]] |

---

## 5. Desenvolvimento Algébrico: Regras de Dimensionamento

As regras matemáticas que regem a escolha da corrente nominal do elo fusível ($I_{ne}$) apresentadas no quadro técnico da aula são:

![[regras_dimensionamento_elos.png]]mermaid
flowchart LR
    LimInf[Limite Inferior\nSuportabilidade de Carga] --> Cond{Faixa de Ajuste Permitida}
    LimSup[Limite Superior\nSensibilidade ao Curto-Circuito] --> Cond
    
    Cond -->|Inequação Conjunta| Res["1,5 · I_mc  ≤  I_ne  ≤  (I_ft / 4)"]

Regra 1: Suportabilidade à Carga Máxima (Equação 1)

O elo fusível não pode queimar sob condições normais de regime permanente com sobrecargas admissíveis do alimentador:

$I_{n e} \geq 1, 5 \times I_{m c}$

Onde:

$I_{n e}$ : Corrente nominal do elo fusível.
$I_{m c}$ : Corrente de carga máxima prevista no alimentador/ramal.

Exemplo Numérico da Aula:

Se um ramal possui corrente de carga máxima calculada de: $I_{m c} = 100 A$

A corrente nominal mínima admissível do elo fusível será: $I_{n e} \geq 1, 5 \times 100 A = 150 A$

WARNING

O professor demonstra o erro de instalar um elo de $90 A$ para uma carga de $100 A$ :

O elo operará continuamente com sobrecorrente de $10 A$ ( $111%$ da sua capacidade nominal).

O aquecimento contínuo por efeito Joule degradará o filamento até a fadiga térmica e fusão indevida em regime normal, provocando desligamento falso sem que haja curto-circuito na rede.

Regra 2: Sensibilidade ao Curto-Circuito Mínimo (Equação 2)

Para garantir que o elo queime com rapidez na falta mais fraca e remota (curto-circuito monofásico fase-terra na ponta do trecho), a corrente nominal do elo não pode ultrapassar a quarta parte ( $25%$ ) da referida corrente:

$I_{n e} \leq \frac{I _{f t}}{4} = I_{f t} \div 4$

Onde:

$I_{f t}$ : Menor corrente de curto-circuito fase-terra calculada no ponto mais distante do trecho protegido.

Isolando o Fator de Sensibilidade da Falta ( $F_{s}$ ): $F_{s} = \frac{I _{f t}}{I _{n e}} \geq 4$

Inequação Geral Unificada de Dimensionamento

$1, 5 \times I_{m c} \leq I_{n e} \leq \frac{I _{f t}}{4}$

6. Padronização e Elos Preferenciais

Categoria	Correntes Nominais Padronizadas ( $I_{n e}$ )	Aplicação Recomendada
Elos Preferenciais	$6 K$ , $10 K$ , $15 K$ , $25 K$ , $40 K$ , $65 K$ , $100 K$ , $140 K$ , $200 K$	Uso prioritário em projeto. Facilidade de aquisição, disponibilidade imediata em campo e espaçamento ideal entre curvas para coordenação seletiva.
Elos Não Preferenciais	$8 K$ , $12 K$ , $20 K$ , $30 K$ , $50 K$ , $80 K$	Uso restrito a casos específicos onde os preferenciais não atendem aos critérios de sensibilidade ou seletividade.

7. Diretrizes Práticas de Engenharia para Redes de Distribuição

Coordenação entre Elo Protegido e Elo Protetor: O elo fusível protegido (a jusante) deve coordenar com o elo protetor (a montante) para a máxima corrente de curto-circuito no ponto do protetor.
Uso Restrito de Elos H: Jamais instalar elos tipo H em ramais primários de alimentadores (exclusivos para pequenos transformadores de distribuição).
Reduzir o Número de Chaves em Série: Evitar excesso de chaves fusíveis em cascata no alimentador para não inviabilizar a coordenação seletiva das curvas.
Padronizar as Famílias de Elos: Evitar misturar desordenadamente elos H, K e T no mesmo alimentador.

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📌 Sumário do MOC

1. Definição e Aplicações

1.1 Funções Principais

2. Componentes Construtivos e Topologias de Chaves

Regra 1: Suportabilidade à Carga Máxima (Equação 1)

Exemplo Numérico da Aula:

Regra 2: Sensibilidade ao Curto-Circuito Mínimo (Equação 2)

Inequação Geral Unificada de Dimensionamento

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