Como calcular a queda de tensão? Fórmula e exemplos

É de conhecimento geral que os consumidores de energia elétrica devem pagar pela quantidade total de quilowatts-hora fornecidos pela concessionária de energia elétrica, medida pelo medidor de energia correspondente. Porém, como nenhum condutor elétrico é perfeito e mesmo a fiação da mais alta qualidade tem resistência, parte dessa eletricidade é perdida entre o medidor de energia e o ponto de uso.

O que é queda de tensão?

Um dos princípios básicos da engenharia elétrica é a lei de Ohm, que afirma que a queda de tensão em um condutor ou carga é equivalente ao produto da corrente e da resistência (V = I x R). A corrente elétrica é determinada pela carga de um circuito, enquanto a resistência é determinada pelas propriedades físicas do condutor.

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O conceito de queda de tensão é usado para descrever a diferença entre a tensão fornecida na fonte e a tensão medida na carga. Os fatores que determinam a queda de tensão estão resumidos na tabela a seguir:

Como a queda de tensão pode ser controlada?

Como não existe um condutor perfeito e todos os materiais possuem resistência elétrica, é impossível eliminar completamente a queda de tensão. No entanto, existem muitas maneiras de minimizá-lo:

1. Melhorando a eficiência do sistema
   Supondo que a carga permaneça a mesma, aumentar a eficiência dos equipamentos elétricos reduz o consumo de energia. Como a tensão de alimentação é constante, a eficiência aprimorada resulta em menos corrente e em queda de tensão reduzida.
2. Solução de problemas
   Alguns problemas elétricos causam um aumento desnecessário na corrente ou na resistência, o que leva a uma queda de tensão maior. Uma vez resolvidos esses problemas, a queda de tensão volta ao normal.
3. Correção de tamanhos de condutores
   Se os condutores de um circuito não forem selecionados corretamente, eles poderão sofrer uma queda de tensão significativa. Ao selecionar condutores, é importante levar em consideração fatores como corrente de plena carga, temperatura ambiente e número de condutores em uma pista.
4. Distribuição elétrica centralizada
   Se o eixo elétrico principal e os quadros de distribuição estiverem localizados próximos ao centro de um edifício, a fiação deverá percorrer distâncias menores para alcançar as diferentes cargas. Este tipo de layout minimiza a queda de tensão. Por outro lado, quando o eixo elétrico e os painéis estão localizados em uma extremidade do edifício, os circuitos devem atravessar toda a construção para alcançar as cargas do lado oposto.
5. Distribuição de carga equilibrada
   Grandes edifícios comerciais normalmente usam circuitos trifásicos, que possuem três condutores energizados, conforme indica seu nome. Se uma fase estiver muito carregada, ela também experimentará uma corrente maior e uma queda de tensão maior em comparação com as outras fases.

Estas são medidas específicas que podem ser implementadas para reduzir a queda de tensão. Em geral, qualquer medida que atinja um dos seguintes efeitos é viável, desde que seja permitida pelo Código Elétrico de Nova York:

• Diminuindo a corrente de carga
• Aumentando o diâmetro do condutor
• Aumentando o número de condutores paralelos
• Diminuindo o comprimento do condutor
• Diminuindo a temperatura do condutor

Queda de tensão permitida de acordo com NEC, edição de 2011

O Código Elétrico Nacional da NFPA (NEC), que é a base do Código Elétrico de Nova York, estabelece duas condições para a queda de tensão permitida em instalações elétricas:

• A tensão máxima permitida em um circuito derivado é de 3%, medida entre o painel elétrico correspondente e a tomada mais distante que fornece energia, aquecimento, iluminação ou qualquer combinação de tais cargas.
• A queda máxima de tensão combinada nos alimentadores principais e nos circuitos ramificados é de 5%, medida desde a conexão de serviço até a tomada elétrica mais distante.

Considera-se que esses níveis de queda de tensão fornecem eficiência operacional razoável. É importante observar que, quando o tamanho dos condutores do circuito é aumentado para compensar a queda de tensão, o condutor de aterramento do equipamento deve ser aumentado de acordo.

Como calcular a queda de tensão

É importante observar que a fórmula da queda de tensão muda dependendo do número de fases do circuito (monofásico ou trifásico). Nas equações a seguir, as variáveis ​​utilizadas são:

• Z = Impedância do condutor (ohms por 1.000 pés ou ohms/kft)
• I = Corrente de carga (amperes)
• L = Comprimento (pés)

As fórmulas são divididas por 1.000 porque os valores de impedância padrão são fornecidos para cada 1.000 pés. Dessa forma, eles são convertidos em ohms por pé. O Capítulo 9 do NEC fornece propriedades do condutor, com base em uma classificação de temperatura de 75°C.

Para demonstrar o procedimento, suponha que um circuito monofásico de 120 V transporta uma corrente de 22 A, onde a impedância do condutor é de 1,29 ohms por 1.000 pés e o comprimento do circuito é de 50 pés.

• Queda de tensão = (2 x 1,29 ohm / kft x 22A x 50 pés) / 1.000 = 2,84 V
• Queda percentual de tensão = 2,84 V / 120 V = 0,0237 = 2,37%

Caso haja mais de um condutor por fase, o cálculo acima deve ser dividido pelo número de condutores por fase, pois a resistência é reduzida. Por exemplo, se houver dois condutores por fase no exemplo acima, a resistência é reduzida pela metade e a queda de tensão seria de 1,42V (1,18%).

Selecione o material, cobre ou alumínio, o tamanho do condutor, a tensão e a fase em uma lista de tensões comuns, depois insira o comprimento do circuito unilateral em pés e a carga em amperes. Este programa encontra queda de tensão, queda percentual de tensão e volts no final do circuito.

Como selecionar o tamanho do fio?

O procedimento explicado acima pode ser ajustado para selecionar o tamanho do condutor com base na queda de tensão permitida. Suponha que um circuito esteja sujeito às seguintes condições:

• Tensão operacional = 120 V
• Configuração: Monofásico
• Corrente = 25 A
• Comprimento = 100 pés

A fórmula de queda de tensão pode ser ajustada da seguinte forma, para calcular a impedância necessária.

• Queda de tensão = 2 x Z x I x L / 1000
• Z = (1000 x Queda de Tensão) / (2 x I x L)

Substituindo os valores acima na fórmula, obtém-se o seguinte resultado:

• Queda de tensão permitida = 120 V x 3% = 3,6 V
• Z = (1000 x 3,6 V) / (2 x 25 A x 100 pés) = 0,72 ohm / kft

De acordo com o NEC no Capítulo 9, Tabela 8, o tamanho do condutor necessário para manter a queda de tensão abaixo de 3% é AWG #6 (0,510 ohm/kft). O tamanho a seguir é AWG #8, mas sua resistência é muito alta (0,809 ohm/kft) e a queda de tensão excederia 3%.

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Instalação de múltiplos condutores em conduíte, cabo ou canaleta

As Tabelas NEC 310.16 a 310.19 fornecem as ampacidades permitidas para um máximo de três condutores em um conduíte, cabo ou canaleta. Quando o número de condutores for quatro ou mais, a ampacidade permitida é reduzida conforme mostrado na tabela a seguir:

Os condutores devem ter ampacidade adequada para a carga conforme tabelas 310.16 a 310.19, além de apresentar queda de tensão inferior ao valor máximo permitido de 3%. Além disso, observe que a ampacidade nominal é reduzida quando há vários condutores instalados juntos. Todos os três fatores devem ser verificados para ter uma instalação elétrica compatível com o código.

Resumo

O NEC recomenda uma queda de tensão máxima de 5% nos alimentadores e circuitos ramificados e 3% apenas no circuito ramificado. Considera-se que este nível de queda de tensão oferece as condições adequadas para o desempenho ideal do equipamento. Observe que o nível máximo de queda de tensão permitido não é uma medida de segurança, mas uma medida de desempenho.