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Como Calcular o Curto-Circuito em Instalações Elétricas?

A corrente de curto-circuito é determinada a partir das características elétricas do sistema e da impedância equivalente vista no ponto da falta, de acordo com a metodologia de cálculo adotada. Softwares especializados, como o Ampère, da Electro Graphics, automatizam esse processo considerando a topologia da rede, os componentes envolvidos e as condições operacionais definidas para o projeto.
O estudo de curto-circuito é uma etapa fundamental no dimensionamento e na análise de segurança de instalações elétricas de Baixa Tensão (BT) e Média Tensão (MT).
O cálculo permite determinar as correntes de falta em diferentes pontos da instalação e fornece informações importantes para a especificação dos equipamentos de manobra e proteção, além da avaliação dos esforços térmicos e eletrodinâmicos provocados pelo curto-circuito.

O que é um Curto-Circuito?

Um curto-circuito é uma condição anormal de operação caracterizada pelo estabelecimento de um caminho de baixa impedância entre pontos com potenciais elétricos distintos. Como consequência, ocorre uma elevação acentuada da corrente elétrica.
Como estimativa simplificada para uma falta trifásica, a corrente de curto-circuito pode ser relacionada à tensão e à impedância equivalente do sistema:

Icc = V / (√3 · Z)

Onde:

• Icc: Corrente de curto-circuito trifásica presumida;
• V: Tensão nominal entre fases da rede;
• Z: Impedância equivalente de curto-circuito no ponto da falta.

Quanto menor for a impedância equivalente do circuito, maior será a corrente de falta. Na prática, seu valor é limitado pela capacidade de contribuição das fontes e pelas impedâncias dos condutores, transformadores e demais equipamentos que compõem a instalação.
Em estudos normativos, entretanto, a expressão e os parâmetros utilizados dependem da metodologia adotada. Na IEC 60909-0, por exemplo, é utilizada uma fonte equivalente de tensão e fatores específicos para as condições de cálculo.

Quais são os principais tipos de curto-circuito?

Em sistemas trifásicos, as faltas podem ser classificadas em simétricas e assimétricas.

• Fase-Terra: Ocorre quando uma fase entra em contato com a terra ou com uma massa aterrada.
• Fase-Neutro: Ocorre quando uma fase entra em contato com o condutor neutro.
• Fase-Fase: Ocorre quando dois condutores energizados de fases diferentes entram em contato, sem envolvimento da terra.
• Fase-Fase-Terra: É uma falta assimétrica que envolve simultaneamente duas fases e o condutor de proteção ou a terra.
• Trifásica: Ocorre quando as três fases estão envolvidas na falta. Embora seja estatisticamente menos frequente, representa uma condição importante para o cálculo da corrente simétrica e dos esforços eletrodinâmicos de pico.

Por que Calcular a Corrente de Curto-Circuito?

O cálculo de curto-circuito é indispensável para dimensionar e verificar a capacidade de interrupção (Icu/Ics) de disjuntores e fusíveis. Equipamentos subdimensionados podem falhar ao tentar interromper uma corrente de falta, provocando explosões, arcos elétricos (Arc Flash) e danos irreversíveis aos painéis elétricos.

Além da capacidade de interrupção, o estudo permite:

• Dimensionar a suportabilidade dos barramentos aos esforços mecânicos de pico (Ip);
• Avaliar a suportabilidade térmica dos condutores de acordo com as normas ABNT NBR 5410 e NBR 14039;
• Garantir a coordenação e seletividade dos dispositivos de proteção.

Quais fatores influenciam a corrente de curto-circuito?

A magnitude da corrente de falta depende principalmente da impedância equivalente do sistema. Entre os principais parâmetros estão a rede de alimentação, transformadores, máquinas rotativas e condutores.

• Potência de curto-circuito da rede: A potência de curto-circuito da concessionária (Scc) está relacionada à capacidade da rede de montante de fornecer corrente durante uma falta. Quanto maior a Scc, menor tende a ser a impedância equivalente da fonte e maior a corrente de curto-circuito disponível no ponto de entrega.
• Impedância do transformador: A tensão de curto-circuito percentual (Z%) do transformador influencia diretamente a corrente de falta disponível em seu secundário.
• Motores e geradores: Motores assíncronos e geradores podem contribuir temporariamente para a corrente de curto-circuito nos primeiros ciclos da falta, devido à energia armazenada em seus campos magnéticos.
• Comprimento dos condutores: A impedância dos condutores aumenta com o comprimento do circuito. Assim, quanto maior a distância entre a fonte e o ponto da falta, menor tende a ser a corrente de curto-circuito.
• Seção dos condutores: A seção transversal do condutor influencia sua resistência. Condutores de maior seção apresentam menor resistência e, consequentemente, menor impedância do circuito.
• Temperatura dos condutores: A temperatura também influencia a resistência dos condutores. No cálculo da Icc máxima, pode ser considerada a resistência do condutor em temperatura ambiente, enquanto a Icc mínima pode considerar a resistência correspondente à temperatura de operação definida para o estudo, conforme os critérios da metodologia adotada. Essa diferenciação é importante para avaliar condições distintas de atuação e dimensionamento da proteção.

Relação R/X e corrente de pico

A relação entre resistência e reatância do circuito (R/X) influencia o comportamento da corrente durante os primeiros ciclos do curto-circuito.
Em circuitos predominantemente indutivos, a componente contínua pode produzir uma corrente assimétrica de pico elevada, aumentando os esforços eletrodinâmicos sobre barramentos e outros componentes da instalação.
Por isso, um estudo de curto-circuito não deve considerar apenas o valor da corrente simétrica. A corrente de pico também pode ser importante para a avaliação dos esforços mecânicos provocados pela falta.

Como calcular o curto-circuito?

A metodologia utilizada depende das características do sistema e do objetivo do estudo. Entre as metodologias utilizadas em estudos de sistemas elétricos estão:

• IEC 60909-0 para sistemas trifásicos em corrente alternada;
• IEC 61660-1 para determinadas instalações auxiliares em corrente contínua de usinas e subestações;
• IEC 61363-1 para instalações marítimas e offshore e referências;
• IEEE aplicáveis a sistemas industriais e comerciais.

O Ampère contempla diferentes metodologias de cálculo para aplicações em instalações elétricas. Em especifico para a IEEE, o software considera a Std 141.

Método da Fonte Equivalente de Tensão — IEC 60909-0

A IEC 60909-0 utiliza o conceito de uma fonte equivalente de tensão aplicada no ponto da falta. As demais fontes e máquinas rotativas são representadas por suas impedâncias internas equivalentes, considerando os fatores de correção previstos pela metodologia, como cmax e cmin.

Componentes simétricas

Para o estudo de faltas assimétricas, pode ser utilizada a decomposição em componentes simétricas de Fortescue.
O sistema é representado por três redes de sequência:

• Sequência direta (Zd)
• Sequência inversa (Zi)
• Sequência homopolar (Z0)

Para máquinas síncronas e assíncronas, as impedâncias de sequência podem ser determinadas de acordo com suas características construtivas e os parâmetros adotados no cálculo.

Como o Ampère realiza o estudo de curto-circuito?

O software Ampère, permite modelar a instalação elétrica e realizar estudos de curto-circuito considerando as características da rede, seus componentes e as condições de operação definidas para o projeto.
O software permite analisar diferentes condições de cálculo, incluindo Icc máxima e Icc mínima, além de considerar a proximidade elétrica da falta em relação às fontes de geração.
No modo automático, o Ampère pode analisar a topologia do circuito para determinar dinamicamente essa condição e considerar os critérios definidos para a contribuição de motores de menor potência.

Curto-circuito em redes de Média Tensão

Em redes de Média Tensão, o estudo das faltas monofásicas à terra exige atenção especial à corrente homopolar e os efeitos capacitivos das linhas e cabos, quando relevantes para a configuração da rede. Esses parâmetros são relevantes para a análise e o ajuste das proteções de terra, incluindo as funções 50N/51N e 67N.
No Ampère Evolution, o projetista pode personalizar a capacitância operacional por metro (pF/m) de cada cabo, utilizando os dados exatos do fabricante.

Exemplo de cálculo de curto-circuito

Para exemplificar a aplicação prática, considere uma subestação de Média Tensão alimentada em 13,8 kV, com as seguintes características:

• Rede Montante: Icc3φ = 1,78 kA, Icc1φ = 1,12 kA;
• Alimentador: Cabo de alumínio aéreo de 25 mm² com 500 metros de extensão;
• Transformador: 500 kVA, 13,8 kV / 0,38 kV, Z% = 5%,
• Demanda: 400 kW.

De acordo com os dados acima foi obtido dois cenários de análise no software Ampère, conforme as figuras abaixo:

O cálculo resulta necessariamente em diferentes resultados conforme a metodologia adotada.

Nota. Os fatores de tensão utilizados no cálculo dependem do nível de tensão e das condições adotadas pela metodologia.

Os resultados mostram que diferentes metodologias podem produzir valores distintos para uma mesma instalação. No exemplo apresentado, os valores obtidos pela IEC 60909-0 são ligeiramente superiores aos calculados pela metodologia IEEE Std 141. As diferenças estão relacionadas às premissas, modelos e critérios adotados por cada metodologia.
Uma das vantagens da utilização de um software especializado é poder alternar entre metodologias e condições de cálculo, reavaliando a instalação sem a necessidade de refazer manualmente todo o estudo.

Conclusão

O cálculo de curto-circuito é fundamental para avaliar as condições de segurança e operação de uma instalação elétrica.
Em instalações mais complexas, a modelagem da rede e a aplicação das diferentes metodologias podem tornar o processo trabalhoso quando realizado manualmente.
Ferramentas computacionais como o Ampère permitem automatizar os cálculos, avaliar diferentes condições de operação e documentar os resultados de forma mais eficiente.
Conheça todos os recursos do Ampère para cálculo e dimensionamento de redes elétricas.

Perguntas frequentes sobre curto-circuito

O que é um curto-circuito?
É uma condição anormal em que se estabelece um caminho de baixa impedância entre pontos com potenciais elétricos distintos, provocando uma elevação acentuada da corrente.

O que é uma corrente de curto-circuito presumida?
É o valor da corrente que fluiria no ponto de falta se o curto-circuito fosse substituído por uma conexão de impedância nula, sem a interrupção imediata pelo dispositivo de proteção.

Qual é a diferença entre Icc máxima e Icc mínima?
A Icc máxima é utilizada para especificar a capacidade de interrupção e suportabilidade dos equipamentos (considerando condutores frios e tensão máxima). A Icc mínima serve para verificar a sensibilidade de atuação dos relés e disjuntores em faltas no fim da linha (considerando condutores aquecidos e menor tensão da rede).

O Ampère realiza estudos de curto-circuito?
Sim. O Ampère permite modelar a instalação e realizar estudos de curto-circuito considerando diferentes condições e metodologias de cálculo.

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Artigo preparado e revisado pelo Team Electro Graphics Brasil

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