23.11: Segurança Elétrica - Sistemas e Dispositivos

Last updated
Save as PDF

Page ID: 195016

\( \newcommand{\vecs}[1]{\overset { \scriptstyle \rightharpoonup} {\mathbf{#1}} } \) \( \newcommand{\vecd}[1]{\overset{-\!-\!\rightharpoonup}{\vphantom{a}\smash {#1}}} \)\(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \(\newcommand{\id}{\mathrm{id}}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\) \( \newcommand{\kernel}{\mathrm{null}\,}\) \( \newcommand{\range}{\mathrm{range}\,}\) \( \newcommand{\RealPart}{\mathrm{Re}}\) \( \newcommand{\ImaginaryPart}{\mathrm{Im}}\) \( \newcommand{\Argument}{\mathrm{Arg}}\) \( \newcommand{\norm}[1]{\| #1 \|}\) \( \newcommand{\inner}[2]{\langle #1, #2 \rangle}\) \( \newcommand{\Span}{\mathrm{span}}\)\(\newcommand{\AA}{\unicode[.8,0]{x212B}}\)

Objetivos de

Ao final desta seção, você poderá:

Explique como vários recursos de segurança modernos em circuitos elétricos funcionam, com ênfase em como a indução é empregada.

A eletricidade tem dois perigos. Um risco térmico ocorre quando há superaquecimento elétrico. Um risco de choque ocorre quando a corrente elétrica passa por uma pessoa. Ambos os perigos já foram discutidos. Aqui, vamos nos concentrar em sistemas e dispositivos que evitam riscos elétricos.

A Figura 1 mostra o esquema de um circuito CA simples sem recursos de segurança. Não é assim que o poder é distribuído na prática. A fiação doméstica e industrial moderna requer o sistema de três fios, mostrado esquematicamente na Figura 2, que possui vários recursos de segurança. O primeiro é o conhecido disjuntor (ou fusível) para evitar sobrecarga térmica. Em segundo lugar, há uma capa protetora ao redor do aparelho, como uma torradeira ou geladeira. O recurso de segurança do estojo é que ele evita que uma pessoa toque nos fios expostos e entre em contato elétrico com o circuito, ajudando a evitar choques.

A figura mostra uma fonte de tensão A C V conectada através de uma resistência R. — Figura\(\PageIndex{1}\): Esquema de um circuito AC simples com uma fonte de tensão e um único aparelho representado pela resistência Não\(R\) há recursos de segurança neste circuito.

A figura descreve um aparelho conectado a uma fonte CA. Uma extremidade do circuito AC está conectada a um disjuntor. A outra extremidade do disjuntor está conectada a um aparelho. O aparelho é mostrado como uma resistência contida em uma caixa retangular representada como a caixa do aparelho. A outra extremidade da resistência é conectada de volta à fonte CA por meio de um fio de conexão. O estojo de aplicação, o fio de conexão e a fonte A C estão aterrados. O terminal de aterramento marcado na caixa do aparelho está marcado como verde ou terra e o terminal de aterramento da fonte CA e os fios de conexão são marcados como caminho alternativo de retorno à terra. — Figura\(\PageIndex{2}\): O sistema de três fios conecta o fio neutro à terra na fonte de tensão e no local do usuário, forçando-o a ficar em zero volts e fornecendo um caminho de retorno alternativo para a corrente através da terra. Também aterrado em zero volts é o caso do aparelho. Um disjuntor ou fusível protege contra sobrecarga térmica e está em série no fio ativo (vivo/quente). Observe que as cores de isolamento do fio variam com a região e é essencial verificar localmente para determinar quais códigos de cores estão em uso (e mesmo se foram seguidos na instalação específica).

Existem três conexões com terra ou terra (doravante denominadas “terra/solo”) mostradas na Figura 2. Lembre-se de que uma conexão terra/terra é um caminho de baixa resistência diretamente para a terra. As duas conexões de terra/terra no fio neutro o forçam a ficar a zero volts em relação à terra, dando nome ao fio. Portanto, esse fio é seguro de tocar, mesmo que falte seu isolamento, geralmente branco. O fio neutro é o caminho de retorno da corrente a seguir para completar o circuito. Além disso, as duas conexões terra/terra fornecem um caminho alternativo através da terra, um bom condutor, para completar o circuito. A conexão terra/terra mais próxima da fonte de energia pode estar na usina geradora, enquanto a outra está no local do usuário. A terceira terra/terra é para a caixa do aparelho, através do fio de terra/terra verde, forçando a caixa também a ficar em zero volts. O fio ativo ou quente (doravante denominado “vivo/quente”) fornece tensão e corrente para operar o aparelho. A Figura 3 mostra uma versão mais ilustrada de como o sistema de três fios é conectado por meio de um plugue de três pinos a um aparelho.

A figura mostra um aparelho com um plugue de três pinos conectado a uma tomada de três orifícios. O circuito do outro lado da saída de três orifícios também é mostrado. O último circuito consiste em uma fonte alternada de tensão AC, V, com uma extremidade conectada a um disjuntor, que por sua vez é conectado a um fio rotulado como preto ou quente. A outra extremidade da fonte de tensão A C é aterrada com um fio rotulado como branco ou neutro. Os fios preto e branco vão da fonte A C para dois pontos separados na saída de três orifícios. O terceiro ponto da saída de três orifícios é conectado diretamente ao solo com um fio rotulado em verde. Os três fios terminam na saída de três orifícios. O plugue de três pinos é conectado a esta tomada de três orifícios e os três fios preto, branco e verde aparecem como o cabo do aparelho e são mostrados conectados ao aparelho. O aparelho é mostrado como uma resistência contida em uma caixa retangular chamada caixa do aparelho. O fio preto está conectado a uma extremidade da resistência. O fio branco está conectado à outra extremidade da resistência. A caixa do aparelho está conectada ao fio verde. — Figura\(\PageIndex{3}\): O plugue padrão de três pinos só pode ser inserido de uma maneira, para garantir o funcionamento adequado do sistema de três fios.

Uma observação sobre o código de cores do isolamento: O plástico isolante é codificado por cores para identificar fios vivo/quentes, neutros e terrestres, mas esses códigos variam em todo o mundo. Os fios ativos/quentes podem ser marrons, vermelhos, pretos, azuis ou cinza. O fio neutro pode ser azul, preto ou branco. Como a mesma cor pode ser usada para vivo/quente ou neutro em diferentes partes do mundo, é essencial determinar o código de cores em sua região. A única exceção é o fio de terraço/terra, que geralmente é verde, mas pode ser amarelo ou apenas fio desencapado. Às vezes, revestimentos listrados são usados para o benefício de quem é daltônico.

O sistema de três fios substituiu o antigo sistema de dois fios, que não tem um fio de terra/terra. Em circunstâncias normais, o isolamento dos fios ativos/quentes e neutros impede que a caixa fique diretamente no circuito, de modo que o fio de terra/terra possa parecer uma proteção dupla. No entanto, o aterramento do caso resolve mais de um problema. O problema mais simples é o desgaste do isolamento no fio vivo/quente que permite que ele entre em contato com a caixa, conforme mostrado na Figura 4. Sem uma conexão de terra/terra (algumas pessoas cortam o terceiro pino do plugue porque só têm receptáculos de dois orifícios desatualizados), um choque severo é possível. Isso é particularmente perigoso na cozinha, onde uma boa conexão com a terra/solo está disponível através da água no chão ou de uma torneira de água. Com a conexão de terra/terra intacta, o disjuntor disparará, forçando o reparo do aparelho. Por que alguns aparelhos ainda são vendidos com plugues de dois pinos? Eles têm estojos não condutores, como ferramentas elétricas com estojos de plástico resistentes a impactos, e são chamados de duplamente isolados. Os plugues modernos de dois pinos podem ser inseridos na tomada padrão assimétrica de apenas uma maneira, para garantir a conexão adequada de fios ativos/quentes e neutros.

A parte a da figura descreve um aparelho conectado a uma fonte CA. Uma extremidade do circuito AC está conectada a um disjuntor. A outra extremidade do disjuntor está conectada ao aparelho. O aparelho é mostrado como uma resistência contida em uma caixa metálica retangular. O caso de aplicação é mostrado como tendo um ponto em que está em contato com o fio quente da fonte de CA devido à falta de isolamento. A outra extremidade da resistência é conectada de volta à fonte CA por meio de um fio de conexão. O fio de conexão e a fonte A C estão aterrados. O terminal de aterramento na caixa do aparelho é mostrado como quebrado. É mostrado que uma pessoa segura uma mão na caixa do aparelho e a outra na tubulação de conexão da torneira que transporta água. É mostrado que a alta tensão flui do fio elétrico danificado pelo isolamento para a caixa metálica do aparelho para a pessoa em contato com a caixa do aparelho, depois através dela e para a tubulação e depois de volta ao solo. É mostrado que a pessoa está recebendo um choque severo. — Figura\(\PageIndex{4}\): O isolamento desgastado permite que o fio vivo/quente entre em contato direto com a caixa metálica deste aparelho. (a) A conexão terra/terra está sendo interrompida, a pessoa fica gravemente chocada. O aparelho pode funcionar normalmente nessa situação. (b) Com um aterramento adequado, o disjuntor dispara, forçando o reparo do aparelho.

A indução eletromagnética causa um problema mais sutil que é resolvido com o aterramento da caixa. A corrente alternada nos aparelhos pode induzir um EMF na caixa. Se estiver aterrada, a tensão da caixa é mantida próxima de zero, mas se a caixa não estiver aterrada, um choque pode ocorrer conforme ilustrado na Figura 5 A corrente acionada pela caixa induzida emf é chamada de corrente de fuga, embora a corrente não passe necessariamente do resistor para a caixa.

Um interruptor de falha de aterramento (GFI) é um dispositivo de segurança encontrado na fiação atualizada da cozinha e do banheiro que funciona com base na indução eletromagnética. Os GFIs comparam as correntes nos fios vivo/quente e neutro. Quando as correntes vivas/quentes e neutras não são iguais, quase sempre é porque a corrente no neutro é menor do que no fio vivo/quente. Então, parte da corrente, novamente chamada de corrente de fuga, está retornando à fonte de tensão por um caminho diferente do fio neutro. Supõe-se que esse caminho apresente um risco, como mostrado na Figura 6. Os GFIs geralmente são configurados para interromper o circuito se a corrente de fuga for maior que 5 mA, o choque máximo inofensivo aceito. Mesmo que a corrente de fuga vá com segurança para a terra/terra através de um fio de terra/terra intacto, o GFI disparará, forçando o reparo do vazamento.

A figura descreve um dispositivo de interrupção de falha de aterramento conectado aos fios quentes ou vivos e neurais de um circuito de corrente alternada. O dispositivo de interrupção de falha de aterramento é mostrado como um bloco retangular conectado a uma bobina enrolada em um núcleo de ferro em forma de anel. Os terminais da fonte CA são conectados a um aparelho mostrado como uma resistência na caixa do aparelho. O aterramento do aparelho é mostrado quebrado. Uma pessoa em contato com a caixa do aparelho também é mostrada. É mostrado que uma corrente de fuga que eu vazo flui através dele até o chão. O vazamento atual I menos I flui de volta para os terminais A C. A corrente de fuga aqui segue um caminho perigoso. — Figura\(\PageIndex{6}\): Um interruptor de falha de aterramento (GFI) compara as correntes nos fios ativos/quentes e neutros e disparará se a diferença exceder um valor seguro. A corrente de fuga aqui segue um caminho perigoso que poderia ter sido evitado por um fio de terra/terra intacto.

A Figura 7 mostra como um GFI funciona. Se as correntes nos fios vivo/quente e neutro forem iguais, eles induzirão emfs iguais e opostos na bobina. Caso contrário, o disjuntor disparará.

A figura mostra uma estrutura em forma de L com quatro terminais. Isso é representado como um disjuntor. As duas extremidades superiores são conectadas a uma bobina de detecção enrolada em um núcleo em forma de anel de ferro. Os dois terminais inferiores do disjuntor têm fios de conexão que passam pelo orifício central do núcleo em forma de anel. É mostrado que a corrente flui para lá e para cá através dos dois fios. As correntes no anel de ferro são mostradas como círculos concêntricos. — Figura: Um\(\PageIndex{7}\) GFI compara correntes usando ambas para induzir um emf na mesma bobina. Se as correntes forem iguais, elas induzirão emfs iguais, mas opostos.

Outro dispositivo de segurança baseado em indução é o transformador de isolamento, mostrado na Figura 8. A maioria dos transformadores de isolamento tem tensões de entrada e saída iguais. Sua função é colocar uma grande resistência entre a fonte de tensão original e o dispositivo que está sendo operado. Isso evita um circuito completo entre eles, mesmo na circunstância mostrada. Existe um circuito completo através do aparelho. Mas não há um circuito completo para que a corrente flua através da pessoa na figura, que está tocando apenas um dos fios de saída do transformador, e nenhum fio de saída está aterrado. O aparelho é isolado da fonte de tensão original pela alta resistência do material entre as bobinas do transformador, daí o nome transformador de isolamento. Para que a corrente flua através da pessoa, ela deve passar pelo material de alta resistência entre as bobinas, através do fio, da pessoa e voltar pela terra — um caminho com uma resistência tão grande que a corrente é insignificante.

A figura mostra uma fonte A C, uma extremidade da qual está conectada à terra e a outra extremidade está conectada a um disjuntor. A outra extremidade do disjuntor é conectada ao primário de um transformador de isolamento. O secundário do transformador é conectado a um aparelho mostrado como uma resistência contida em uma caixa. É mostrado que a corrente flui pelo aparelho. Uma pessoa é mostrada em contato com o aparelho. Ele está seguro, pois o transformador induz uma alta resistência entre a fonte de tensão original e o dispositivo. — Figura\(\PageIndex{8}\): Um transformador de isolamento coloca uma grande resistência entre a fonte de tensão original e o dispositivo, impedindo um circuito completo entre eles.

Os princípios básicos de segurança elétrica apresentados aqui ajudam a evitar muitos riscos elétricos. A segurança elétrica pode ser buscada em maiores profundidades. Existem, por exemplo, problemas relacionados a diferentes conexões de terra/terra para aparelhos próximos. Muitos outros exemplos são encontrados em hospitais. Pacientes sensíveis ao microchoque, por exemplo, precisam de proteção especial. Para essas pessoas, correntes tão baixas quanto 0,1 mA podem causar fibrilação ventricular. O leitor interessado pode usar o material apresentado aqui como base para um estudo mais aprofundado.

Resumo

Sistemas e dispositivos de segurança elétrica são empregados para evitar riscos térmicos e de choque.
Disjuntores e fusíveis interrompem correntes excessivas para evitar riscos térmicos.
O sistema de três fios protege contra riscos térmicos e de choque, utilizando fios vivo/quentes, neutros e de terra/terra, e aterrando o fio neutro e a caixa do aparelho.
Um interruptor de falha de aterramento (GFI) evita choques ao detectar a perda de corrente para caminhos não intencionais.
Um transformador de isolamento isola o dispositivo que está sendo alimentado pela fonte original, também para evitar choques.
Muitos desses dispositivos usam indução para realizar sua função básica.

Glossário

risco térmico: o termo para riscos elétricos devido ao superaquecimento

risco de choque: o termo para riscos elétricos devido à passagem de corrente por um ser humano

sistema de três fios: o sistema de fiação usado atualmente por razões de segurança, com fio vivo, neutro e terra