Instalação Elétrica Residencial - Critérios Técnicos para Dimensionamento de Condutores e Proteção Elétrica para Tomada de Energia para EVSE:

O.B.S.: Ao estar fazendo neste momento (17/08/2014, principalmente para incluir este parágrafo de observação), uma rápida revisão deste artigo, escrito e publicado anteriormente (em 03/07/2012), devo lembrar aos leitores que, é importante considerar que, aqui, eu ainda não havia tomado ciência do teor da norma ABNT NBR IEC 61851-1:2013 - Sistema de recarga condutiva para veículos elétricos, publicada pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), somente a partir de 3 de junho de 2013. Todavia e, independente das especificações da norma da ABNT, eu não estou a alterar os ditames desta proposta, pois, assim bem ela é, APENAS UMA PROPOSTA.

Chamamos de dimensionamento técnico de um circuito à aplicação dos diversos itens da NBR 5410 (ABNT NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida: 2008) relativos à escolha da seção de um condutor e do seu respectivo dispositivo de proteção.

Os seis critérios da norma são:

• Seção mínima; conforme o item 6.2.6 da referida norma;
• Capacidade de condução de corrente; conforme 6.2.5;
• Queda de tensão; conforme 6.2.7;
• Sobrecarga; conforme 5.3.3;
• Curto-circuito; conforme 5.3.4;
• Contatos indiretos; conforme 5.1.3.

Para considerarmos um circuito completa e corretamente dimensionado, é necessário realizar os seis cálculos acima, cada um resultando em uma seção e considerar como seção final aquela que é a maior dentre todas as obtidas.

Especial atenção deve ser dispensada ao dimensionamento de condutores em circuitos onde haja a presença de harmônicas, todavia, as experiências têm comprovado que isso praticamente não se aplica ao caso da operação de carregamento de Veículos Elétricos (VEs), por meio de Estação de Carregamento Doméstica.

A proposta de emprego massivo (abundante) de Estações de Carregamento Domésticas, nas localidades, regiões ou países aonde se desenvolve os mercados dos VEs, se dá, e deve, de fato, ocorrer na prática (como boa prática), por uma série de justas motivações, dentre as quais:

• Carregamento doméstico implica naquilo que podemos chamar de Carregamento Lento (com corrente de carregamento sempre inferior a 80A, em geral, no máximo 75A), que é a forma de carregamento que garante a maior durabilidade (vida útil) do pacote de bateria do VE (ao contrário, o carregamento rápido, conveniente de ser feito em estações de carregamento públicas, tende a reduzir a vida útil da bateria);
• A conveniências de proceder o carregamento no cotidiano do dia-a-dia, no conforto do seu lar, podendo ainda, colaborar com a estabilidade e preservação da infra-estrutura do sistema elétrico interligado do seu país, programando opção de recarga em horários que evitem os picos de demanda sobre o sistema (em geral, no período das 23hs as 6hs);
• Tendo até 7 hs de intervalo de tempo para proceder a recarga, é mais do que o suficiente, numa taxa de carga de 45 A.h, para "encher" a sua bateria, mesmo a partir do "zero de carga", mesmo nos maiores e mais possantes VEs de uso particular existentes;
• Distribuição geográfica da demanda para carregamento, etc.

No caso específico, estamos tratando da instalação elétrica de um novo ramal interno em uma residência, para receber a ligação de uma Estação de Carregamento (EVSE) - SAE-J1772 de 220V, 45A (sim, digo 45A, pois considero este um valor ideal (o mínimo seria 32 A, mas o problema é que este atingiria a obsolescência muito rapidamente, por conta da contínua demanda, por mparte dos usuários dos VEs, por carregamento sempre um pouco mais rápido), para um novo projeto (ou reforma) visando a uma instalação de equipamento de recarga de baterias de VEs), devemos considerar, então, antes de tudo, que na grande maioria dos casos que deverão ocorrer, estaremos agregando uma Carga Extra Considerável sobre uma instalação já pré existente.

O novo ramal (ou circuito, interno a residência) resultante, de maneira geral, será (e deve ser) exclusivo para a Estação de Abastecimento, algo semelhante ao que ocorre com a instalação para um chuveiro extra numa residência, ou seja, trata-se de um novo Ponto de Tomada de Uso Específico (ou uma PTUE, acrônimo pelo qual é chamado no âmbito da norma pertinente)(1) mas, que no entanto, pode ser até cerca de 80% mais potente, do que um típico chuveiro elétrico e, por ser assim tão potente e, principalmente considerando que é para emprego no ambiente doméstico, requer uma atenção especial, quanto a especificação da instalação.

Os cabos elétricos a serem utilizados, que correspondem a dois condutores carregados correrão, em geral, pelo menos em parte, por dentro de eletroduto embutido em alvenaria, incidindo em um método de instalação 7/8, conforme a tabela 28 da NBR 5410/1997 e, com o emprego de cabos isolados B1 ou cabos unipolares B1.

Caso opte-se pelo emprego de cabos condutores isolados em termoplásticos (cuja temperatura do condutor é de até 70ºC), que são mas comuns e mais baratos, a instalação demandará cabos de seção de 10mm² (p/ corrente até 52A pois, a opção imediatamente anterior, que é seção de 6 mm² limitaria em apenas 38A), porém, utilizando-se cabos condutores isolados em termofixo (temperatura do condutor até 90ºC), podemos ter condutores de seção reduzida para 6 mm² (para até 54A) ou mesmo para 4 mm² (até 42A).

Há que se considerar que o emprego de um par de cabos condutores isolados em termofixo de seção de 4 mm² para serem carregados até 42A, atendem os requisitos de especificação da instalação desejada agora. Porém isso não deixará, praticamente, margem alguma, para uma possível posterior upgrade da estação de abastecimento, ao passo que a opção por fazer a instalação usando cabos condutores isolados em termofixo de seção de 6 mm², possibilitam a instalação agora de uma estação de 45A e, até mesmo, um eventual futuro upgrade para uma estação até 20% mais potente (de 45A para até 54A, sem precisar trocar cabo algum do circuito).

Isso deve ser muito bem avaliado junto aos interesses dos consumidores pois, é inegável a tendência de que os fabricantes de VEs os farão dotados de retificadores conversores CA/CC cada vez mais potentes (e também dotados de baterias de maior capacidade energética, que virão, naturalmente, a seu tempo, para atender o desejo dos consumidores, sempre, por maior alcance da autonomia de rodagem maior dos veículos elétricos).

Essa tendência a qual eu me refiro, e que eu considero natural, significa que uma estação de abastecimento doméstica instalada hoje, conforme o porte aqui sugerido, que pode carregar, por exemplo, o Nissan LEAF ano de modelo 2012, a partir do zero de carga para até 100% da carga, em cerca de 5 horas (um pouco menos até), poderá vir a ficar mais "lenta" para os VEs que serão lançados futuramente.

Por exemplo, o Nissan LEAF ano modelo 2013 deverá sair (como confirmado, realmente foi assim) com um carregador embarcado com capacidade de 6,6 kW (2), o dobro dos atuais 3,3 kW, mas futuramente isso poderá subir ainda mais (por exemplo, carregamento atual de um Toyota RAV4 EV, por exemplo, é 10 kW), por isso, especificar o ponto de tomada de energia para a estação de carregamento para 45A (220V entre fase 1 e fase 2) me parece ser o ideal, uma vez que nem todos usuários poderão dispor de mais de 5 hs de repouso / noite para seus VE a fim de fazer o abastecimento de suas baterias neste período.

Toyota RAV4 EV 2013 conectado a uma Estação de Carregamento SAE-J1772, nível 2. O Toyota RAV4 EV foi o primeiro VE em série a atingir a marca de 10 kW de potência instalada para o Carregador Embarcado (um bom parâmetro de referência de limite de potência para os próximos anos)

Repare que a SAE J1772 que, de fato, não é uma norma e muito menos brasileira mas, sim, uma recomendação mas, que no entanto, está acabando por servir para como base para uma padronização internacional, prevê a possibilidade da existência de Estações de Carregamento de VEs (EVSE) para Emprego Residencial, para realizar Correntes de Carregamento de até 80A em 220V (condutores Fase - Fase - PE, correspondendo a uma potência máxima de 17,6 kW, que operam com Fator de Potência típico > 0,97, e praticamente, tipicamente, livre de harmônicos consideráveis).

Todavia, eu (particularmente) creio que, para correntes acima de 45A, nós (que desejamos vir a carregar nossos VEs em casa), poderemos vir a encontrar “sérias objeções” de ordem técnica, que podem, até mesmo, virem a ser impostas por parte das empresas concessionárias de energia. Considere que, atualmente, nas categorias de fornecimento B e C do sistema de distribuição em Baixa Tensão, formalmente, o limite de fornecimento, ou seja, o limite da Potência Total Instalada, para cada unidade consumidora nas maiores cidades do Estado São Paulo, é de 20 kW.

Se o total da carga for superior a 20.000 W, uma Anotação de  Responsabilidade Técnica (ART) é necessária (requerida), e deve ser recolhida por um profissional legalmente habilitado e, apresentada à empresa concessionária de distribuição da qual a residência é cliente e, ainda assim, previsto para apenas até o limite de até 25 kW (para consumidor residencial, com o uso de disjuntor bipolar de 100A na proteção geral a entrada). Além do mais, a potência máxima individual para equipamentos (entre fase e neutro) é estipulada para apenas 5 kW (o que nos limitaria a uma corrente de carregamento de ridículos 22,5 A apenas).

Obviamente que isso pode variar (um pouco) de empresa concessionária de distribuição para empresa concessionária de distribuição e, naquilo que eu estou inferindo, especificamente, sobre os padrões da AES Eletropaulo. As empresas de distribuição não devem esperar tempo demais, para incluírem em suas notificações ao público, questões concernentes ao carregamento de VEs. É uma irresponsabilidade ignorar que estaremos agregando uma carga extra considerável sobre uma instalação elétrica residencial, na maioria dos caso, pré existente e, ignorar o inexorável advento do Carregamento Doméstico de VEs, que vem, inexoravelmente.

O.B.S.: Ao estar fazendo neste momento (17/08/2014, principalmente para incluir este parágrafo de observação), uma rápida revisão deste artigo escrito e publicado anteriormente (em 03/07/2012), devo lembrar aos leitores que, é importante considerar que, aqui, eu ainda não havia tomado ciência do teor da norma ABNT NBR IEC 61851-1:2013 - Sistema de recarga condutiva para veículos elétricos, publicada pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), somente a partir de 3 de junho de 2013. Todavia e, independente das especificações da norma da ABNT, eu não estou a alterar os ditames desta proposta, pois, assim bem ela é, APENAS UMA PROPOSTA.

Diante de futuras necessidades de upgrade em Estações de Abastecimento de VEs Domésticas, alguns usuários (mais ousados e menos avisados) poderão, simplesmente, vir a trocar, ou mesmo modificar uma EVSE previamente instalada, ou aquela que, poe ventura, vier a acompanhar o produto adquirido, como acessório, por outra mais potente, sem considerar a necessária revisão dos Cabos Condutores e dos Dispositivos de Proteção da instalação, como um todo, o que poderá resultar em incidentes que, além dos danos causados, podem implicar em questões legais, transtornando as partes envolvidas.

Um Disjuntor Termomagnético Bipolar, com capacidade de interrupção mínima de 6 kA (2 polos, 220V), de 50A_NOM, curva B, melhor ainda, um Disjuntor Diferencial Residual – DDR de 50A, que pode ser formado pela junção (ver foto a seguir) do disjuntor de base (à esquerda) ao qual foi adaptado o Dispositivo Diferencial de Corrente Residual (a direita), poderá (e deverá) ser empregado para proteger esse novo ramal interno (circuito interno) à residência, se possível e, idealmente, a partir do próprio Quadro de Distribuição de Circuitos – QDC, preexistente na residência (ou mesmo, a partir de um quadro especifico, a pate).

Além da proteção dos circuitos contra as sobrecargas e os curtos-circuitos, o disjuntor diferencial oferece ainda:

• Proteção as pessoas contra os choques elétricos e assume uma proteção complementar contra os choques elétricos (30 mA);
• Proteção as instalações elétricas dos defeitos de isolamento e dos riscos de incêndio (300 mA).

Atente para o fato que classe CA (Corrente Alternada) é o padrão mais utilizados destes dispositivos e a interrupção só é assegurada para correntes alternadas de formas senoidais.

A Norma vigente, a NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida: 2008 da ABNT estabelece que deve sempre ser prevista em cada QDC, que é o centro de distribuição de energia de toda a instalação elétrica de uma residência, uma capacidade de reserva (espaço físico), que permita ampliações futuras da instalação elétrica interna, compatível com a quantidade e tipo de circuitos efetivamente previstos inicialmente, de modo que, a instalação do novo ramal contará com a possibilidade de ocupar esse espaço.

Todavia, note que um DDR, normalmente, ocupa no QDC um espaço correspondente ao de três a cinco disjuntores monopolares. Considere também que o novo ramal derivará, de maneira geral, da saída do elemento de manobra e proteção geral do QDC preexistente. Se assim for, isso pode significar que, tanto este elemento de manobra e proteção geral, quanto os condutores que conduzem a energia desde a Entrada de Energia da Residência até ali, poderão precisar ser revisados e muito provavelmente uma substituição dos elementos deverá ocorrer.

É preciso notar que, no tange ao detalhamento de especificações para a adaptação das instalações residenciais para receber uma estação de carregamento domestica típica SAE-J1772 de 220V, 45A, até o encerramento do Seminário Brasileiro Sobre Tecnologias Para Veículos Elétricos, TEC-VE, ocorrido em Junho/2011, as concessionárias de distribuição de energia não trataram de estabelecer diretrizes específicas claras como, por exemplo, um valor potência máxima individual, específica para esse tipo equipamento, mas eu creio que o que vem ocorrendo no mercado mundial com respeito a essa nova tecnologia pode, muito bem, servir como um modelo em que técnicos interessados possam se espelhar de imediato.

Esquemas de Aterramento:

Os Aterramentos Elétricos devem existir por uma, ou ambas, das duas razões:

1. Aterramento por razões funcionais: o Aterramento é necessário para que o equipamento elétrico funcione corretamente;
2. Aterramento do equipamento por razões de proteção e segurança: neste caso, o aterramento protege as pessoas e/ou animais domésticos contra os choques elétricos.

O caso bastante comum de choque elétrico, é um fio desencapado encostando na estrutura metálica de um aparelho energizado. Estando o aparelho aterrado, a corrente elétrica poderá ser desviada por uma caminho mais fácil, escoando para a Terra, evitando o choque elétrico.

De acordo com a Norma vigente, a Norma vigente NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida: 2008 da ABNT,  os esquemas de aterramento, para efeito de proteção, são classificados em: TN, TT e IT e no caso de unidades consumidoras residenciais atendidas pelas concessionárias de distribuição de energia em Baixa Tensão, tem sido preferível praticar os sistemas TN-C e TN-C-S, para o aterramento junto ao “Padrão de Entrada” para o fornecimento de energia elétrica, sendo o esquema TN-C-S mais recomendável a ser utilizado.

O sistema TN tem um ponto diretamente aterrado, sendo as massas ligadas a este ponto através de condutores de proteção. De acordo com a disposição dos condutores, Neutro e de Proteção, este sistema se subdivide em TN-C e TN-C-S, segundo as descrições:

• TN-C (Terra Neutro Combinados no contexto da Instalação Elétrica Residencial) no qual as funções de neutro e de proteção são combinadas em um único condutor (condutor PEN):

Observação: A,B,C são fases, sugerindo um sistema trifásico, todavia, se o sistema é bifásico, apenas A e B existem. A Norma vigente NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida: 2008 da ABNT estabelece que o condutor PEN, não deve ser seccionado.

• TN-C-S (Terra Neutro Combinados Separadamente no contexto da Instalação Elétrica Residencial) quando somente em parte do sistema as funções de Neutro e Proteção são combinadas em um só condutor.

Este é o sistema que atende, ao quesito exigido de que o Condutor de Proteção (PE) não deverá ser interligado, ao longo da instalação elétrica interna, ao condutor Neutro e por isso é o recomendado, atualmente, para as residências.

• Já no sistema TN-S (Terra Neutro Separados no contexto da Instalação Elétrica Residencial) onde os condutores Neutro (N) e o de Proteção (condutor PE) são fisicamente distintos. Este tem sido o padrão internacionalmente recomendado para proteção e segurança, praticado principalmente nos países mais desenvolvidos mas, infelizmente, ainda está longe da realidade brasileira:

Deve-se esperar que o sistema utilizado numa residência que irá receber a adesão de um novo ramal interno de carga extra para acomodar uma EVSE, seja o TN-C-S e, caso seja o TN-C, talvez seja melhor providenciar a modificação do mesmo para TN-C-S. Lembre-se que o condutor de aterramento para a EVSE é, além de por motivos de proteção e segurança, uma necessidade funcional.

Todavia, essa é uma opinião exclusivamente minha e o leitor interessado deverá se manter antenado nas recomendações e exigências das concessionárias de distribuição de energia que deverão ser estabelecidas de maneira clara em um futuro breve.

O ponto de instalação da EVSE deverá receber dois cabos condutores referentes ao fornecimento de tensão bifásica de 220-240V, mais um terceiro cabo extra, com encapamento nas cores verde e amarelo (ou apenas verde), derivado do ponto de conexão PE existente no interior do QDC para aterramento.

Notas:

(1) Item 9.5.3.1 da NBR 5410 diz: "Todo ponto de utilização previsto para alimentar, de modo exclusivo ou virtualmente dedicado, equipamento com corrente nominal superior a 10 A deve constituir um circuito independente." (ABNT NBR 5410 : 2004 Versão Corrigida: 2008).

(2) Apesar de ter sido publicamente anunciado por excecutivos da Nissan nos EUA, esta previsão não se concretizou ainda e, as vendas do Leaf ano modelo 2013 continuam sendo feitas com carregador embarcado de 3,3 kW (última correção: se concretizou sim, com ano fabricação/ano modelo 2013/2013). Ver mais detalhe em:

Sobre Carregamento de Veículos Elétricos

Veja Também:

ABNT Publica Norma Técnica Para Recarga de Veículos Elétricos no Brasil

Solução para Carregamento de VEs em Garagens Residenciais

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