UNIVERSIDADE REGIONAL DO NOROESTE DO ESTADO DO RIO
GRANDE DO SUL
DEPARTAMENTO DE CIÊNCIAS EXATAS E ENGENHARIAS
CURSO DE ENGENHARIA ELÉTRICA
LUCAS RENAN KUNKEL
PROTEÇÃO DE INSTALAÇÕES ELÉTRICAS E EQUIPAMENTOS NO
AMBIENTE INDUSTRIAL, CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS,
ATRAVÉS DE DPS
Ijuí
2016
LUCAS RENAN KUNKEL
PROTEÇÃO DE INSTALAÇÕES ELÉTRICAS E EQUIPAMENTOS NO
AMBIENTE INDUSTRIAL, CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS,
ATRAVÉS DE DPS
Trabalho de Conclusão de Curso de Engenharia Elétrica, apresentado como requisito parcial para a obtenção do título de Engenheiro Eletricista.
Orientador: Júlio Cezar Oliveira Bolacell
Ijuí
2016
FOLHAS DE APROVAÇÃO
LUCAS RENAN KUNKEL
PROTEÇÃO DE INSTALAÇÕES ELÉTRICAS E EQUIPAMENTOS NO
AMBIENTE INDUSTRIAL, CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS,
ATRAVÉS DE DPS
Este Trabalho de Conclusão de Curso foi julgado adequado para a obtenção do título de ENGENHEIRO ELETRICISTA e aprovado em sua forma final pelo professor orientador e pelos membros da banca examinadora.
Ijuí, 20 de dezembro de 2016
Prof. Júlio Cezar Oliveira Bolacell Orientador Prof. Mauricio de Campos Coordenador do Curso de Engenharia Elétrica /UNIJUÍ
BANCA EXAMINADORA
DEDICATÓRIA
Ao meu pai (em memória) que és fonte de inspiração e referência para meus dias.
AGRADECIMENTOS
Agradeço primeiramente a Deus, que me dá forças para nunca desistir, independente do obstáculo a superar;
A minha companheira, Maira pela compreensão e apoio incondicional de todos os momentos;
A minha mãe e ao meu irmão que preteriram muitos objetivos pessoais, para me proporcionar condições de estudar;
Aos meus familiares e amigos, que de uma forma ou outra, estiveram engajados no meu sonho de tornar-se engenheiro.
Aos mestres, por proporcionarem uma solida base de conhecimentos, permitindo assim uma visão diferenciada do mundo.
A equipe técnica da Fockink, pela colaboração em meu crescimento profissional, compartilhando conhecimentos e experiências.
RESUMO
Este trabalho visa reunir conhecimentos teóricos e situações cotidianas, quanto ao comportamento das descargas atmosféricas, explicando o fenômeno natural de formação do raio na nuvem, considerando os efeitos danosos às instalações elétricas em geral, aos equipamentos elétricos e eletrônicos instalados e as consequências paras as pessoas. Apresenta um capitulo prático, onde são expostas as boas práticas de instalações de dispositivos de proteção, recomendações de fabricantes, exemplos de ligações padrões de indústria, bem como o estudo de caso de uma instalação. As tempestades não podem ser evitadas, entretanto o prejuízo causado por elas pode. Geralmente tempestades causam o surgimento de uma elevação momentânea no valor da grandeza de tensão elétrica nos condutores de uma instalação, a transiente ou surto. Quando o valor ultrapassar os limites dielétricos dos equipamentos, esta elevação pode provocar a queima de equipamentos eletrônicos. Os dispositivos de proteção contra surtos são equipamentos elétricos instalados normalmente em painéis elétricos e que tem como finalidade desviar um eventual surto de tensão, que esteja passando pelos condutores da instalação elétrica, para a terra. Quando há um surto de tensão, o dispositivo busca estabilizar a tensão presente no circuito, escoando os excessos para o terra. Todo estudo foi elaborado, tomando como base as normas atuais do setor elétrico brasileiro, materiais técnicos de fabricantes de dispositivos de proteção contra surtos, conhecimentos do autor no ramo elétrico e situações típicas de instalações em um ambiente industrial.
Palavras-chave: DPS, protetor de surtos, supressor de surtos, dispositivos de proteção contra surtos, surto de tensão, transitórios, transientes de tensão, descargas atmosféricas, proteção contra descargas atmosféricas.
ABSTRACT
This work aims to bring together theoretical knowledge and everyday situations, the behavior of atmospheric discharges, explaining the natural phenomenon of the lightning in the clouds, considering the effects to electrical installations in general, the electrical and electronics equipment installed and the consequences for people. Presents a practical chapter, where they are exposed to the best practices of protection devices facilities, manufacturer recommendations, examples of electrical connections of industry standards, as well as the case study of an installation. The storms can't be avoided, however the damage caused by them can. Usually storms cause the emergence of a momentary rise in the value of the quantity of electrical voltage in the conductors of an installation, transient or outbreak. When this value exceeds the dielectric limits of the equipment, this rise can cause burning of electronic equipment. The surge protection devices are electrical equipment typically installed in electrical panels and aims to divert a possible outbreak of tension, which is passing through the wire of the electrical installation for the earth. When there is a voltage surge, the device searches to stabilize the voltage present in the circuit, draining the excess to earth. All study has been prepared on the basis of the current standards of the Brazilian electric sector, technical materials of surge protection device manufacturers, author of knowledge in the electrical industry and typical situations of premises in an industrial environment.
Keywords: DPS, surge protector, surge suppressor, surge protection devices, surge, transient voltage transients, lightning, lightning protection.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Distribuição de cargas elétricas dentro da nuvem, e percurso do campo elétrico ... 19
Figura 2 - Etapas do raio: Fase 1, cargas elétricas se acumulam numa área da nuvem ... 20
Figura 3 - Etapas do raio: Fase 2, propagação da descarga elétrica ... 21
Figura 4 - Etapas do raio: Fase 3, surgimento do canal ascendente ... 21
Figura 5 - Etapas do raio: Fase 4, o relâmpago ... 22
Figura 6 - Etapas do raio: Fase 5, descargas sucessivas ... 22
Figura 7 - Descarga de raios – causa de sobretensões ... 23
Figura 8 - Operações de comutação – causa de sobretensões ... 23
Figura 9 - Transientes de origem indireta ... 24
Figura 10 - Transientes de origem direta ... 25
Figura 11 - Transientes por diferença de potencial... 26
Figura 12 - Distúrbio na forma de onda da tensão (surto) ... 26
Figura 13 - Distúrbios sucessivos na forma de onda da tensão (surtos) ... 27
Figura 14 - Ilustração de um DPS comercial ... 29
Figura 15 - Comportamento de um DPS em situação normal ... 31
Figura 16 - Comportamento de um DPS em situação anormal ... 32
Figura 17 - Representação gráfica (simbologia) para um centelhador ... 34
Figura 18 - Representação de um centelhador ... 34
Figura 19 - Comportamento de um centelhador na presença de um surto de tensão ... 35
Figura 20 - Partes construtivas de um varistor ... 36
Figura 21 - Curva comparativa entre um varistor e um centelhador ... 37
Figura 22 - Corrente de descarga atmosférica conduzida para terra... 43
Figura 23 - Onda de corrente 10/350µs ... 48
Figura 24 - Onda de corrente 8/20µs ... 48
Figura 25 - Onda de tensão 1,2/50µs ... 48
Figura 26 - Coordenação de DPS ... 51
Figura 27 - ZPR definidas por um SPDA ... 53
Figura 28 - ZPR definida por medidas de proteção contra surtos ... 54
Figura 29 - Interligar duas ZPR através de DPS ... 55
Figura 30 - Descarga direta na linha não protegida ... 55
Figura 31 - Interligar duas ZPR sem o emprego de DPS ... 56
Figura 32 - Emprego de DPS em ZPR estendida ... 56
Figura 33 - Exemplos para ZPR estendidas ... 57
Figura 34 - Categoria de instalação de ZPR ... 57
Figura 35 - Conexão dos DPS no ponto de entrada ou no quadro de distribuição principal ... 60
Figura 36 - Posição da proteção para continuidade do serviço ... 61
Figura 37 - Posição da proteção para continuidade da proteção ... 62
Figura 38 - Alternativa para continuidade da proteção e serviços... 62
Figura 39 - Comprimento total dos condutores (Situação 1) ... 63
Figura 40 - Comprimento total dos condutores (Situação 2) ... 64
Figura 41 - Influência de circuitos com longos comprimentos ... 64
Figura 42 - Conexão entre as partes da ABNT NBR 5419 ... 66
Figura 43 - Princípios gerais para a divisão de diferentes ZPR ... 72
Figura 44 - MPS utilizando blindagem especial e sistema coordenado de DPS ... 73
Figura 45- MPS utilizando blindagem especial em ZPR 1 e DPS na entrada... 73
Figura 46 - MPS utilizando linhas blindadas e proteção por DPS em ZPR 1 ... 74
Figura 47 - MPS utilizando apenas sistema coordenado de DPS ... 75
Figura 49 - Esquema TN-S ... 78
Figura 50 - Esquema TN-C-S ... 78
Figura 51 - Esquema TN-C ... 78
Figura 52 - Esquema TT (forma 1) ... 79
Figura 53 - Esquema TT (forma 2) ... 79
Figura 54 - Esquema IT sem aterramento do neutro ... 80
Figura 55 - Esquema IT com aterramento do neutro através de impedância ... 80
Figura 56 - Esquema IT com massas aterradas de forma distinta ... 81
Figura 57 - Esquema IT com massas aterradas no mesmo eletrodo ... 81
Figura 58 - Esquema IT com massas aterradas interligadas com a alimentação ... 81
Figura 59 - Sistema de aterramento em forma de malha de uma planta ... 82
Figura 60 - Interligação de partes condutoras para equipotencialização ... 83
Figura 61 - Métodos de ligação de partes construtivas para equipotencialização ... 84
Figura 62 - Unidade de Recebimento de Grãos Agroindustrial ... 85
Figura 63 - Diagrama Unifilar Simplificado ... 86
Figura 64 - Quadro de Distribuição Principal ... 90
Figura 65 - Entrada geral do Quadro de distribuição Principal ... 91
Figura 66 - Quadro de Distribuição Secundário ... 93
Figura 67 - Vista interna do painel QDFL-C ... 94
Figura 68 - Diagrama entrada geral Quadro de Automação e instrumentação ... 97
Figura 69 - Diagrama sinal de corrente Quadro de Automação e Instrumentação ... 98
Figura 70 - Diagrama sinal de tensão Quadro de Automação e Instrumentação ... 98
Figura 71 - Uso de cabo trançado para reduzir a impedância ... 99
Figura 72 - Uso de cabo blindado para reduzir a impedância ... 99
Figura 73 - Coordenação de energia realizada com o DPS ... 100
Figura 74 - Ligação de DPS em sistema TN-C-S ... 101
Figura 75 - Ligação de DPS em sistema IT com Neutro distribuído ... 101
Figura 76 - Ligação de DPS em sistema IT com Neutro não distribuído ... 102
Figura 77 - Ligação de DPS em sistema TT ligados entre fases, neutro e aterrado ... 103
Figura 78 - Ligação de DPS em sistema TT ligados entre fases e neutro e neutro e terra .... 103
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 - Incidência de raios/ano em milhões ... 18 Tabela 2 - Valor mínimo para Uc com relação ao sistema aterramento... 40 Tabela 3 - Suportabilidade a impulso exigível dos componentes da instalação... 41 Tabela 4 - Valores máximos dos parâmetros das descargas atmosféricas correspondentes aos níveis de proteção (NP) ... 42 Tabela 5 - Surtos devido às descargas atmosféricas previsto em sistemas de baixa tensão .... 44 Tabela 6 - Surtos devido às descargas atmosféricas previstos em sistemas de sinais ... 45 Tabela 7 - Valores de impedância convencionais de aterramento Z e Z1 ... 45 Tabela 8 - Descargas Atmosféricas ... 58 Tabela 9 - Danos e perdas relevantes para uma estrutura para diferentes pontos de impacto da descarga atmosférica ... 67
LISTA DE SÍMBOLOS E ABREVIAÇÕES
µ- Micro, equivalente a 1x10-6 unidades de medida; A – Ampère (grandeza elétrica);
ABNT – Associação brasileira de Normas Técnicas; ABNT/NBR - Norma brasileira aprovada pela ABNT; BEP – Barra de equipotencialização principal;
cm – Centímetros (unidade de medida); DP – Dispositivo de Proteção;
DPS – Dispositivo de Proteção contra Surtos; E/I – Equipamentos e Instalações;
EB – Equipotencialização para descargas atmosféricas; EL – Equipotencialização local;
Elat/Inep – Grupo de Eletricidade Atmosférica do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais;
EMC – Compatibilidade Eletromagnética; EP – Equipotencialização principal; ERP – Ponto de referência do aterramento; Hx – Campo magnético irradiado;
Hz – Hertz (grandeza elétrica);
I – Corrente da descarga atmosférica pertinente ao nível de proteção (NP) considerado. Ic – Corrente de operação contínua;
Icw – Corrente suportável nominal de curta –duração; If – Parcela de corrente de descarga atmosférica; Iimp – Corrente de impulso;
Imáx – Corrente máxima de descarga; In – Corrente nominal de descarga;
Isx – Máxima corrente que o dispositivo é capaz de suportar; Ix – Corrente Elétrica;
k – Quilo, equivalente à 1x10³ unidades de medida; Ke – Fator de divisão de corrente de descarga atmosférica;
LEMP – Lightning Eletromagnetic Pulse (Pulso Eletromagnético Instantâneo); LPZ – Lightning Protector Zone (Zona de Proteção contra Raio);
N – Condutor neutro;
n – Nano, equivalente à 1x10-9 unidades de medida;
n1 – Número total de partes externas ou linhas instaladas enterradas; n2 – Número total de partes externas ou linhas instaladas aéreas; NBR - Norma brasileira aprovada pela ABNT;
PE – Condutor de proteção ou Barra de terra;
PEN – Condutor combinando as funções de proteção e neutro; s – segundos (unidade de medida);
SPD - Surge Protection Device (Dispositivo de Proteção contra Surtos); SPDA – Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas;
Uc – Tensão de operação continua; Un – Tensão nominal de operação; Uoc – Tensão sem carga;
Up – Nível de proteção; Ures – Tensão residual; Ut – Tensão temporária; Ux – Tensão Elétrica;
V – Volt - Grandeza elétrica;
Z – Impedância convencional de aterramento do subsistema de aterramento;
Z1 – Impedância convencional de aterramento das partes externas ou linhas externas enterradas;
Z2 – Resistência de terra do arranjo de aterramento que conecta a linha aérea à terra; ZPR – Zona de Proteção contra Raio;
SUMÁRIO
1 INTRODUÇÃO ... 15
1.1 OBJETIVOS ... 15
1.2 MOTIVAÇÃO ... 17
2 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS E OS SISTEMAS DE PROTEÇÃO ... 18
2.1 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS, SOBRETENSÕES E SUAS CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS ... 18
2.2 DANOSDEVIDOÀDESCARGASATMOSFÉRICASESOBRETENSÕES ... 26
2.3 COMO ALCANÇAR NÍVEIS ACEITAVEIS DE PROTEÇÃO ... 28
2.4 DISPOSITIVODEPROTEÇÃOCONTRASURTOS-DPS ... 30
2.4.1 Por quê proteger? ... 30
2.4.2 O que são DPS e como eles funcionam ... 30
2.4.3 Elementos construtivos de um DPS ... 33
2.4.3.1 Princípio de funcionamento do Centelhador (spark gap) ... 34
2.4.3.2 Princípio de funcionamento do Varistor (clamping)... 36
2.4.3.3 Princípio de funcionamento semicondutor ... 38
2.4.3.4 Por ação combinada (dispositivos híbridos) ... 38
2.4.4 Como escolher um DPS – elementos técnicos ... 39
2.4.4.1 Termos técnicos importantes ... 39
2.4.4.2 Escolha das proteções para o dispositivo ... 46
2.5 ASCLASSESDEUMDPS ... 46
2.5.1 Características da onda da descarga atmosférica ... 47
2.5.2 Dispositivos Classe I ... 49
2.5.3 Dispositivos Classe II ... 49
2.5.4 Dispositivos Classe III ... 50
2.6 SISTEMACOORDENADODEDPS ... 50
2.7 ZONAS DE PROTEÇÃO CONTRA RAIOS ... 52
3 NORMAS TÉCNICAS ... 58
3.1 NBR5410/2004 ... 58
3.1.1 Obrigatoriedade da utilização de dispositivos de proteção contra surtos ... 58
3.1.2 Quanto a instalação de dispositivos de proteção contra surto... 59
3.1.3 Quanto aos critérios de escolha do dispositivo de proteção contra surtos ... 65
3.2 NBR5419/2015 ... 65
3.2.1 NBR 5419/2015 parte 1: Princípios gerais ... 65
3.2.1.1 Danos e necessidade de proteção ... 66
3.2.1.2 Técnicas de proteção ... 68
3.2.1.3 SPDA externo e o SPDA interno ... 69
3.2.2 NBR 5419/2015 parte 2: Gerenciamento de risco ... 69
3.2.3 NBR 5419/2015 parte 3: Danos físicos a estruturas e perigos à vida ... 71
3.2.4 NBR 5419/2015 parte 4: Sistemas elétricos e eletrônicos internos na estrutura ... 71
3.3 SISTEMASDEATERRAMENTOEEQUIPOTENCIALIZAÇÃO ... 76
4 EXEMPLOS COTIDIANOS PARA APLICAÇÃO DE DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO CONTRA SURTOS... 85
4.1 QUADRODEDISTRIBUIÇÃOPRINCIPAL–QGBT/CCM-01 ... 88
4.2 QUADROSDEDISTRIBUIÇÃOSECUNDÁRIOS–QDFL-A E QDFL-C ... 91
4.2.1 Quadro de distribuição de foça e luz – QDFL-A ... 91
4.3 QUADROSDEINSTRUMENTAÇÃOEAUTOMAÇÃOCLP-01EREM-01 ... 94
4.4 TÉCNICASDEINSTALAÇÕESEAPLICAÇÕESINDUSTRIAISTÍPICAS ... 99
5 CONCLUSÃO ... 105
6 REFERÊNCIAS ... 108
APÊNDICE A – MEMÓRIA DE CÁLCULO PARA DETERMINAÇÃO DE INTENSIDADE DE SURTOS EM UM PONTO DA INSTALAÇÃO ... 110
APÊNDICEA1-CÁLCULO DA CORRENTE DE IMPULSO NO QUADRO QGBT/CCM-01 ... 111
APÊNDICEA2-CÁLCULO DA CORRENTE DE IMPULSO NO QUADRO QDFL-C ... 111
ANEXO I – INSTALAÇÃO DE ATERRAMENTO E SPDA ... 112
ANEXO II – INSTALAÇÃO DE CABOS GERAIS ... 116
1 INTRODUÇÃO
No mundo inteiro milhões de descargas atmosféricas caem anualmente, e conhecidamente o Brasil é o campeão em quedas de raios. Quando uma descarga atmosférica atinge uma rede de distribuição, uma área industrial, ou outro ponto qualquer um campo eletromagnético se irradia por toda esta região, quando próximo a uma rede de energia ou instalação elétrica acaba por ocasionar uma elevação momentânea no valor da tensão, a qual pode causar danos irreparáveis à equipamentos não protegidos.
Atualmente os equipamentos eletrônicos utilizados na indústria são desenvolvidos para proporcionarem elevado desempenho, com excelente tempo de respostas, o que proporciona a automatização de diversos processos fabris industriais. Uma vez que isto resulta em agilidade de fabricação, a automatização dos processos, reduz tempo e custo de produção, eliminado os retrabalhos e assim, elevando os resultados financeiros. Esta mesma tecnologia, acaba por se tornar relativamente frágil à intempéries e perturbações, normalmente presentes neste tipo de ambiente. A evolução de equipamentos eletrônicos é exponencial, a cada dia novos produtos têm sido lançados no mercado, sempre mais compactos e de instalação simplificada. Como consequência, tem se colocado no mercado produtos com baixa robustez elétrica, incapazes de suportar variações bruscas de tensão, apresentando assim baixa suportabilidade ao impulso elétrico.
Ambientes industriais já são conhecidos no meio da engenharia por reunirem em um mesmo local agentes perturbadores, entre eles a radiofrequência, sistemas de chaveamento eletrônico os quais causam interferência eletromagnética, cargas de potência elevada, as quais combinadas com seus dispositivos de partida, causam flutuações expressivas nos níveis de tensão (picos e vales). Além dos agentes perturbadores internos, precisamos considerar a presença de agentes externos, como as descargas atmosféricas e os distúrbios (transientes) de tensão (flutuações) oriundas do fechamento de chaves seccionadoras, entre outros. Imprevisíveis, os surtos são fonte constante de prejuízos e transtornos causados pela queima de equipamentos elétricos.
1.1 OBJETIVOS
As proteções convencionais como por exemplo: disjuntores termomagnéticos, reles de sobrecarga e fusíveis, embora sejam essenciais para a proteção das instalações elétricas em geral, tornam-se insuficientes para proteger os equipamentos. Deste modo, faz-se necessário avançar nos sistemas de proteção, complementando as proteções tradicionais.
A ocorrência de surtos de tensão, causados por descargas atmosféricas ou por manobra de circuitos, comumente causam defeitos em equipamentos eletrônicos. No caso específico de descargas atmosféricas, equipamentos eletrônicos em um raio de quilômetros do local da descarga, estão sujeitos a sérios danos, devido a formação de campos eletromagnéticos e consequentes sobretensões induzidas ou conduzidas pela instalação.
Propôs-se então realizar um estudo aprofundado, para explicar o que acontece na ocorrência de uma descarga atmosférica, qual é seu comportamento, e quais os caminhos preferencias das descargas atmosféricas até a terra, sabendo que neste caminho encontram-se os componentes eletrônicos. É necessário mapeá-lo, para então posicionar as proteções de forma estratégica, alcançando assim a proteção completa do sistema. Só assim poderá se especificar os componentes e os materiais elétricos, à serem utilizados nas proteções de forma geral.
Será apresentado um resumo, com base nas normas técnicas da ABNT, vigentes no Brasil. São duas as normas principais: NBR 5410/2004 e NBR 5419/2015.
A NBR 5410/2004 estabelece as condições à que devem satisfazer as instalações elétricas de baixa tensão, a fim de garantir a segurança de pessoas e animais, o funcionamento adequado da instalação e a conservação dos bens (ABNT, 2016). O item 6.3.5 da NBR 5410/2004 aborda de forma especifica o tema proposto por este trabalho, relacionado aos dispositivos de proteção contra surtos.
Já a NBR 5419/2015 está dividida em quatro partes, sendo elas: parte 1: princípios gerais; parte 2: gerenciamento de risco; parte 3: danos físicos a estruturas e perigos à vida e parte 4: sistemas elétricos e eletrônicos internos na estrutura. O objetivo desta norma é dar as diretrizes de projeto e execução, exclusivamente para a proteção contra descargas atmosféricas (ABNT NBR 5419-1, 2015).
No âmbito de proteção, outro tema essencial à ser abordado é o sistema de aterramento. Será apresentado um resumo, contendo conceitos formulados a partir das duas normas tomadas como referência e citadas nos parágrafos anteriores. Este resumo terá por objetivo relacionar as proteções contra surtos e o sistema de aterramento, bem como a correlação de ambos com a eficácia do sistema de proteção, e os ganhos proporcionados quando se opta por instalar um bom sistema de aterramento.
Avançando no tema são apresentados conceitos teóricos e práticos, visando explanar a forma construtiva, e o princípio de funcionamento dos dispositivos de proteção contra surtos. Serão apresentados exemplos de circuitos elétricos capazes de serem protegidos com
dispositivos de proteção contra surtos, tais como: redes de comunicação, entradas gerais de energia, quadros de distribuição e quadros terminais.
Para finalizar o trabalho, será apresentado uma análise crítica, sobre um projeto já executado em uma indústria de médio porte, abordando as proteções adotadas e as sugestões do autor para obter uma melhor proteção.
1.2 MOTIVAÇÃO
A motivação para realização deste trabalho consiste em munir o autor de conhecimentos específicos nas diversas disciplinas do tema, tornando-o capaz de expressar opinião e parecer técnico coerente sobre este assunto. Os conhecimentos adquiridos serão utilizados para auxiliar outros profissionais da área, na solução cotidiana de desafios relacionados ao tema, encontrados diariamente nas atividades de projeto de equipamentos elétricos e de instalações elétricas em geral, em um escritório de engenharia.
Motiva também o autor, torná-lo capaz de responder curiosidades pessoais relacionadas aos fenômenos das descargas atmosféricas, tais como comportamento, formação dos raios, causas das sobretensões, e como se proteger delas. A física que envolve a formação dos raios, elementos construtivos dos equipamentos de proteção. Compreender as normas elaboradas e em vigência que dá as diretrizes técnicas para a solução de problemas relacionados a este tema.
2 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS E OS SISTEMAS DE PROTEÇÃO
2.1 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS, SOBRETENSÕES E SUAS CARACTERÍSTICAS PRINCIPAIS
Tudo começa com a ação do sol, que ao aquecer a água existente na superfície terrestre, acaba por formar nuvens de tempestade (nuvens do tipo Cumulonimbus). Devido à baixa temperatura o vapor se condensa, formando gelo no seu topo. As partículas de gelo condensado, unem-se umas às outras, formando granizo, que ao mover-se colide um com o outro, trocando cargas elétricas entre si. Os cristais de gelo sobem e recebem carga elétrica, ficando cada vez mais positivo. O granizo que continua a descer, fica cada vez mais carregado negativamente. Assim toda a nuvem fica eletricamente carregada como se fosse uma pilha gigante, com o polo positivo no topo e o negativo na parte de baixo. Uma corrente elétrica enorme se forma, para neutralizar as cargas, surgindo então o raio (LUIZ, 2016).
A proteção de pessoas, animais e edificações contra descargas atmosféricas é de suma importância. As severas consequências das descargas atmosféricas, com por exemplo mortes e lesões em seres humanos e animais, incêndios, destruição de estruturas e arvores, colapsos nos sistemas de distribuição de energia elétrica, interferências na rádio transmissão e acidentes em plantas petrolíferas, queima de equipamentos eletrônicos em geral são os motivadores para a cada dia mais pensar-se em proteção.
Medições e estudos realizados recentemente no Brasil indicam que o número de ocorrência de descargas atmosféricas vem aumentando ao longo dos anos, muito possivelmente em virtude de mudanças climáticas. Números publicados pelo Grupo de Eletricidade Atmosférica do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (Elat/Inpe), apontam o Brasil como o grande campeão mundial na incidência de raios.
Tabela 1 - Incidência de raios/ano em milhões
Colocação País Incidência raios/ano em milhões
1° Brasil 57,8
2° República democrática do Congo 43,2
3° Estados Unidos 35,0
4° Austrália 31,2
5° China 28,0
Fonte: (PAULO FERNANDO COSTA, 2013, p. 115)
De acordo com o Elat/Inpe, ainda a cada 50 milhões de mortes ocasionadas por raio no mundo, uma é no Brasil (PAULO FERNANDO COSTA, 2013, p. 114).
O termo técnico utilizado para surto eletromagnético é o LEMP e significa Lightning Electromagnetic Pulse, ou Pulso Eletromagnético Instantâneo em tradução livre.
Segundo Magalhães (2015), o raio é um impulso elétrico de uma descarga atmosférica para a terra. Sua ocorrência oferece riscos para as pessoas, animais, edificações e equipamentos em geral. Para se proteger das descargas, podemos fazer uso do Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA). É uma proteção destinada a estrutura (edificação) e as pessoas em que nela se encontrarem. Protegendo dos efeitos das descargas elétricas, desviando as mesmas para a terra, mas não protege instalações elétricas nem equipamentos eletroeletrônicos. Os raios são descargas elétricas que ocorrem durante tempestades, devido ao acúmulo de cargas eletricamente negativas no interior da nuvem. As cargas elétricas se acumulam nas extremidades da nuvem, devido principalmente, ao atrito entre partículas de gelo e água presentes.
A descarga ocorre quando a intensidade do campo elétrico ultrapassa o valor da resistência dielétrica do ar, que, no caso do ar limpo e seco, corresponde a 30 kV/cm. Durante uma tempestade, devido à umidade e às partículas de poeira presentes, a resistência dielétrica do ar cai para poucos kV/cm, facilitando, assim, a descarga (FINDER, 2012).
Figura 1 - Distribuição de cargas elétricas dentro da nuvem, e percurso do campo elétrico
Fonte: (FINDER, 2012, p. 1)
De acordo com o fabricante de materiais elétricos (FINDER, 2012), as descargas atmosféricas, ou raios podem ser definidas em três famílias: raios entre nuvem, é quando a descarga ocorre entre duas nuvens vizinhas; raios intranuvem, que é quando a descarga ocorre dentro da mesma nuvem e as descargas entre nuvem e a terra, quando a descarga ocorre entre o solo e a nuvem, independentemente da origem.
O mesmo autor afirma que é possível classificar um raio entre “raio descendente” e “ascendente”. O raio descendente é aquele que parte da nuvem em direção ao solo. Já o
ascendente é o contrário, sai do solo em direção a nuvem. De modo análogo, há a classificação quanto a polaridade de um raio, sendo ela negativa ou positiva. Por convenção, a carga do raio sempre é igual a carga da nuvem. O raio classificado como negativo nuvem-terra é de certa forma o mais interessante de ser estudado, por ser o mais frequente (FINDER, 2012).
A Finder (2012) ainda classifica um raio em cinco fases. Na primeira fase as cargas elétricas se acumulam numa área da nuvem, o campo elétrico local cresce até ultrapassar a resistência dielétrica do ar, neste instante ocorre a primeira descarga elétrica, cujo comprimento é de alguns centímetros. Esta etapa do fenômeno está representada na Figura 2.
Figura 2 - Etapas do raio: Fase 1, cargas elétricas se acumulam numa área da nuvem
Fonte: (FINDER, 2012, p. 1)
A segunda fase acontece logo na sequência, quando ocorre uma descarga que se propaga enquanto a resistência dielétrica do ar é menor do que a resistência associada às cargas elétricas. Abre-se assim um canal ionizado para outras cargas fluírem da nuvem para o solo. O campo elétrico volta a aumentar até gerar uma nova descarga, em uma nova direção. O canal do raio se propaga da nuvem para a terra, levando parte da carga elétrica da nuvem, com alterações contínuas de direção conforme a resistência dielétrica do ar. Este comportamento gera o característico percurso em ziguezague típico de um raio. Esta etapa do fenômeno está representada na Figura 3.
Figura 3 - Etapas do raio: Fase 2, propagação da descarga elétrica
Fonte: (FINDER, 2012, p. 2)
A fase três acontece quando surge no solo um canal ascendente, conhecido também como líder ascendente, que sobe ao encontro do canal que se originou na nuvem (fase 2). Quando os dois canais se encontram, estabelece-se uma corrente elétrica, conforme é representado pela Figura 4.
Figura 4 - Etapas do raio: Fase 3, surgimento do canal ascendente
Fonte: (FINDER, 2012, p. 2)
A quarta fase é o relâmpago, que nada mais é do que o efeito térmico e luminoso ocasionado em virtude da passagem de uma corrente elétrica pelo local. O trovão é a
consequência da dilatação do ar na região do raio, em virtude do aquecimento e resfriamento do ar neste ponto. Esta etapa do fenômeno está representada na Figura 5.
Figura 5 - Etapas do raio: Fase 4, o relâmpago
Fonte: (FINDER, 2012, p. 2)
Conforme informa à Finder (2012), a quinta e última fase, é a repetição em sequência de descargas, as quais ocorrem com muito mais facilidade já que há a abertura de um canal ionizado, ou seja, o caminho da descarga atmosférica para a terra, como é indicado pela Figura 6.
Figura 6 - Etapas do raio: Fase 5, descargas sucessivas
Fonte: (FINDER, 2012, p. 2)
De acordo com o fabricante de materiais elétricos Phoenix Contatc (2016), as sobretensões somente ocorrem por uma fração de segundo, possuem tempos de elevação muito
curtos (poucos microssegundos), antes de voltarem a baixar de forma relativamente lenta (100 microssegundos).
As descargas atmosféricas (Figura 7) em uma trovoada causam sobretensões transientes, extremamente elevadas. Estas, com valores muito além do que os valores resultantes de operações de comutação (Figura 8), ou de descargas eletrostáticas. Neste contexto, operações de comutação são entendidas como sendo, a comutação de máquinas de alto desempenho ou curtos-circuitos na rede de fornecimento de energia. Nestes processos, surgem nos cabos do circuito envolvido, correntes com valores de modulo elevados e em poucas frações de segundos (PHOENIX CONTACT, 2016).
Figura 7 - Descarga de raios – causa de sobretensões
Fonte: (PHOENIX CONTACT, 2016)
Figura 8 - Operações de comutação – causa de sobretensões
Ávila (2010) define em seu trabalho, transientes como sendo variações bruscas de energia, ou seja, sobretensões. As sobretensões podem se originar tanto por ocorrência de descargas atmosféricas, como por manobras em sistemas de distribuição das concessionárias, sendo as com origem em descargas atmosféricas, as com maior capacidade de destruição. Podendo ainda, classificar as sobretensões nas instalações elétricas em três familias, são elas: sobretensões de origem induzida (indireta), conforme observa-se na Figura 9, sobretensões de origem conduzida (direta) e sobretensões originadas por diferença de potencial.
Figura 9 - Transientes de origem indireta
Fonte: (AVILA, 2010, p. 11)
Sobretensões com origem conduzida (Figura 10) acontecem quando a descarga atmosférica atinge a instalação elétrica de forma direta, seja pelo o Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) ou pela própria estrutura. Todos os elementos que compõem essa edificação, inclusive o aterramento, ficam energizados de forma diferente, isto é, adquirem um potencial elétrico, ocorrendo assim fuga de corrente por todos os pontos da instalação envolvidos no fenômeno, e que possui capacidade de produzir danos elevados à instalação e aos equipamentos.
Figura 10 - Transientes de origem direta
Fonte: (AVILA, 2010, p. 12)
Transientes por diferença de potencial (Figura 11) surgem, principalmente por se negligenciar as boas práticas recomendadas, quando se trata de sistemas de aterramento e proteção em geral. As normas recomendam sempre realizar a equipotencialização dos sistemas de aterramento, mas na prática, geralmente é feito um sistema de aterramento para cada finalidade de instalação, por exemplo, um sistema para as instalações elétricas gerais (iluminação e tomadas), outro sistema para dados e telefonia, e outro sistema de aterramento para circuitos de vigilância, sem se equipotencializar os sistemas. Assim, quando a descarga atmosférica atinge o solo, e o mesmo ficar energizado por frações de segundos, um potencial é induzido e se dispersa na região, gerando induções eletromagnéticas com forma circular, as quais atingem os outros sistemas de aterramento, por não estarem estes no mesmo potencial (AVILA, 2010).
Figura 11 - Transientes por diferença de potencial
Fonte: (AVILA, 2010, p. 13)
2.2 DANOS DEVIDO À DESCARGAS ATMOSFÉRICAS E SOBRETENSÕES
Pode-se iniciar afirmando que, todos os aparelhos elétricos e eletrônicos são caracterizados por um valor de tensão nominal, o qual indica o nível de imunidade a surtos de tensão. Enquanto que o valor do surto de tensão (Figura 12 e Figura 13) ficar abaixo do valor da tensão nominal dos aparelhos, não há maiores problemas, agora quando o surto de tensão for superior a este valor (tensão nominal), podem ocorrer defeitos nos mesmos. No caso de valores iguais ou maiores, o isolamento dos componentes se desgasta, consequentemente reduzindo a vida útil do equipamento. Agora quando o nível de tensão do surto é muito elevado, ocorrem falhas permanentes nos aparelhos (FINDER, 2012).
Figura 12 - Distúrbio na forma de onda da tensão (surto)
Fonte: (PHOENIX CONTACT, 2014, p. 23)
220V(Un) -1000 -500 0 500 1000
Figura 13 - Distúrbios sucessivos na forma de onda da tensão (surtos)
Fonte: (PHOENIX CONTACT, 2014, p. 23)
Outro fator que influencia na dimensão do dano causado por uma descarga atmosférica, é a quantidade de energia descarregada no ponto.
Em instalações expostas ou com grandes áreas, normalmente não é possível realizar operações de manutenção preventiva nas instalações de sistemas de proteção. Assim os danos causados à instalação por uma descarga atmosferica, normalmente são percebidos através de danos subsequentes. Por este motivo, investe-se cada vez mais em sistemas que monitoram diferentes estados de funcionamento em uma instalação, comunicando os resultados diretamente a uma unidade de controle central. Isto também permite uma reação imediata a avarias, e a prevenção de danos subsequentes, bem como, evitar longos tempos de paralisação (PHOENIX CONTACT, 2016).
Entre as instalações com um elevado risco queda de raios e em localização exposta estão, por exemplo, instalações eólicas, instalações de geração de energia, instalações industriais com grandes áreas e em transportes ferroviários. Normalmente, é muito difícil, ou até mesmo impossível, implementar neste tipo de instalações uma medida completa de proteção contra raios (PHOENIX CONTACT, 2016).
Equipamentos eletroeletrônicos de uso geral devem apresentar suportabilidade adequada frente a surtos, isto é um fato, porém até o momento, não se possui no país legislação que defina os níveis admissíveis de imunidade a surtos elétricos desses equipamentos, nem sequer os fabricantes são obrigados a orientar os consumidores sobre os requisitos mínimos da sua instalação para proteger os equipamentos (PINTO, OLIVEIRA, et al.).
Desde 2003, as concessionárias de energia elétrica são responsáveis pelo ressarcimento de danos em equipamentos de seus consumidores, causados por descargas atmosféricas.
Interligações de equipamentos com sistemas operados por outras concessionárias de serviço público, como televisão por assinatura, redes de computadores e telecomunicações, elevam a suscetibilidade da instalação a defeitos por surtos
220V(Un) -1000 -500 0 500 1000
elétricos. Apesar disso, nenhuma das concessionárias orienta seus consumidores sobre o modo mais adequado de proteger seus equipamentos eletrônicos mais sensíveis (PINTO, OLIVEIRA, et al.).
Em determinados casos, o surto de tensão pode não danificar imediatamente o equipamento e, por isso, não tomarmos conhecimento de sua existência. Agora, surtos de tensão repetidos de baixa amplitude comprometem a resistência dielétrica dos isolamentos, reduzindo a sua vida útil e, portanto, a tensão de resistência do dispositivo. Caso os surtos de tensão ultrapassem a tensão de resistência do isolamento sólido (desgastado), o isolante falhará e o equipamento será permanentemente danificado.
Para exemplificar, pode-se imaginar um inversor conectado a uma linha, submetido a surtos de tensão contínuos e de valor que não o danifiquem, mas desgastam sua isolação. É adicionado outro inversor em paralelo, agora a isolação do inversor mais antigo entra em falha, e o novo contínua em operação. A falha provavelmente ocorreu, devido os repetidos surtos de tensão, pois o isolamento do primeiro inversor já estava desgastado com relação ao segundo. O desgaste permitiu a danificação permanente do aparelho. O segundo mais novo, continua em funcionamento, uma vez que o nível do surto de tensão ainda não comprometeu sua isolação. Outro aspecto relevante a ser considerado, é o fator econômico por trás da falha de um dispositivo eletroeletrônico. Não há apenas o custo da sua substituição direta, esta, muitas vezes constitui o menor dos prejuízos. O maior gasto encontra-se, na parada de uma linha de produção, mão-de-obra ociosa, causando atrasos de fabricação, prejudicando também à terceiros (FINDER, 2012).
2.3 COMO ALCANÇAR NÍVEIS ACEITAVEIS DE PROTEÇÃO
Nos últimos anos, a proteção contra surtos de tensão está se tornando uma necessidade devido ao uso cada vez mais difundido de componentes eletrônicos, sensíveis por natureza a surtos e picos de tensão. Em outras épocas, encontrávamos em sistemas elétricos produtos eletromecânicos, tais como: motores, transformadores, etc. por si mais robustos aos surtos. Neste sentido não se pode afirmar que o número de falhas aumentou, mas sim, ocorreu que as indústrias têm um número cada vez maior de equipamentos relativamente sensíveis, de modo que, a instalação de medidas de proteção contra surtos tornou-se obrigatoriedade normativa (FINDER, 2012).
Figura 14 - Ilustração de um DPS comercial
Fonte: (PHOENIX CONTACT, 2016)
Os dispositivos de proteção contra surtos são destinados a proteção dos equipamentos eletroeletrônicos contra os efeitos diretos e indiretos causados pelas descargas atmosféricas. No geral são projetados para limitar sobretensões transitórias de origem atmosférica e desviar correntes de surto à terra, de modo a limitar a amplitude dessa sobretensão a um valor que não seja perigoso para a instalação elétrica e equipamentos (SCHNEIDER ELETRIC, 2016).
Dependendo do papel que devam desempenhar, os dispositivos de proteção contra surtos são divididos em Classe I, Classe II e Classe III. Dispositivos Classe I são destinados a limitar surtos de tensão, os quais a totalidade ou parte da corrente do raio está associada. Dispositivos Classe II destinam-se à proteção dos equipamentos contra surtos de tensão e os dispositivos Classe III desempenham um papel de terminação, impondo uma baixa tensão residual, valor este suportado pelos equipamentos eletrônicos à serem protegidos (FINDER, 2012).
Ainda, os dispositivos devem ser instalados de maneira coordenada, produzindo um efeito cascata, ou seja, primeiramente, são instalados os dispositivos de proteção contra surtos com maior capacidade de exposição aos surtos, depois os com capacidade média e, finalmente, os dispositivos mais refinados (AVILA, 2010).
O DPS é altamente recomendado em todas as instalações elétricas. Pode ser instalado nos esquemas de circuitos elétricos com sistemas de aterramento C, S, TN-C-S e TT, em conformidade com a norma ABNT NBR 5410 (SCHNEIDER ELETRIC, 2016).
2.4 DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO CONTRA SURTOS - DPS 2.4.1 Por quê proteger?
Tempestades não podem ser evitadas - mas os prejuízos causados por tempestades podem. Uma causa frequente da queima de equipamentos eletrônicos é a sobretensão, causada por descargas atmosféricas ou manobras de circuito de potência.
Vários tipos de surto ocorrem em instalações elétricas e sistemas de distribuição. Diferenciamos os mesmos por sua duração e capacidade de energia. Dependendo do agente causador, um surto de tensão pode durar milésimos de segundos, segundos, minutos ou horas. Sua amplitude pode variar de alguns milivolts a muitos quilovolts. Neste contexto a proteção contra estes efeitos é complexa, e os efeitos podem ser graves.
As irregularidades presentes em instalações elétricas são discutidas no setor elétrico a anos, principalmente devido ao grande número de acidentes registrados que envolvem eletricidade. Uma das premissas para combater as irregularidades é seguir as normas vigentes, as quais entre outras boas práticas orientam para o uso de dispositivos de proteção contra surtos na ampla maioria das instalações. Os estudos mais recentes apontam que no Brasil caem mais de 50 milhões de raios por ano, número este que ressalta a necessidade da proteção.
Do ponto de vista legal tanto a NBR 5410 (2004) quanto a NBR 5419 (2015) recomendam, mas não exigem a adoção de medidas de proteção contra surtos. Mas em um caso de litigio, por exemplo é tomada como base a norma. A NBR 5410 (2004) diz que caso não seja adotada a medida de proteção, a responsabilidade é do projetista.
2.4.2 O que são DPS e como eles funcionam
Os Dispositivos de proteção contra surtos (DPS), são utilizados para limitar as sobretensões e descarregar os surtos de corrente originários de descargas atmosféricas nas redes de energia.
Para evitar os possíveis danos causados aos aparelhos por descargas atmosféricas, utiliza-se para-raios. Sua função é proteger edifícios, atraindo as descargas atmosféricas para as suas pontas e desviando-as para o solo por meio de condutores com baixo valor de impedância. Contudo, a finalidade principal deste equipamento é proteger a edificação (parte externa ou ainda a estrutura do prédio).
Para melhorarmos a proteção, além da proteção ao prédio, há uma outra categoria de equipamentos empregados nesta tarefa. São os dispositivos de proteção contra surtos. Estes por sua vez são utilizados para limitar as sobretensões e descarregar os surtos originários de descargas atmosféricas ou manobras de circuitos nas redes de energia para a terra.
Quando há um surto de tensão, o dispositivo busca regular a tensão presente entre os terminais do circuito e à absorve, escoando os excessos para o sistema de aterramento. Funciona como um interruptor com uma de seus terminais ligado ao terra. Este interruptor se fecha na presença de um surto, desviando toda energia excedente para a terra. Por analogia, pode-se afirmar que é um equipamento elétrico, cuja impedância é extremamente alta (com tendência para o infinito). Este equipamento está inicialmente ligado entre o condutor fase e a barra de terra do circuito elétrico (FINDER, 2012).
Figura 15 - Comportamento de um DPS em situação normal
Fonte: (FINDER, 2012, p. 12)
A impedância do circuito está representada pela chave (SPD, Figura 15), na posição aberta. Em condições normais de operação o dispositivo de proteção torna-se invisível ao sistema elétrico.
A chegada de um surto de tensão faz com que esta chave (SPD, Figura 16) mude de aberto para fechado, de modo praticamente imediato, ou seja, o valor da impedância do equipamento elétrico antes com valor tendendo ao infinito, tem agora valor muito próximo à zero. Sendo assim toda a energia que estava passando inicialmente pelo circuito e que foi potencializada pelo aumento brusco no valor instantâneo da tensão – o surto – agora é drenado para a terra. Assim sendo, o restante do circuito, que se encontra a jusante do dispositivo não percebe os efeitos do surto de tensão na rede (FINDER, 2012).
Figura 16 - Comportamento de um DPS em situação anormal
Fonte: (FINDER, 2012, p. 12)
Para a explicação prestada, presumiu-se que o dispositivo esteja ligado à uma rede elétrica convencional, entre a fase e o terra do sistema. Nos seus terminais estará aplicada a tensão nominal de operação Un (tensão – fase neutro ou fase terra, quando o neutro não é solidamente aterrado).
Por norma, no Brasil é definido que o Valor nominal de operação (Un) pode variar 10% em torno do seu valor nominal. Por exemplo, em um sistema com tensão nominal de 220Vca (fase e neutro), o valor mínimo permitido é 198V e valor máximo permitido é 242V. Esta é uma condição normal de operação e o dispositivo de proteção deve ser fabricado, prevendo estas variações como situações normais.
O termo técnico denominada tensão de operação contínua (Uc), é definido como sendo o máximo valor de tensão que que pode ser aplicado ao DPS por tempo indeterminado, o qual não irá colocá-lo em funcionamento. O valor de tensão de operação contínua (Uc) tem valores distintos, dependendo do sistema de aterramento em que pretende se ligar o equipamento:
Para sistemas TT e TN: 𝑈𝑐 ≥ 1,1 ∗ 𝑈𝑛 Para sistemas IT: 𝑈𝑐 ≥ √3 ∗ 1,1 ∗ 𝑈𝑛
No caso de um dispositivo ideal, a impedância do mesmo é infinita. Tratando-se de componentes reais este valor de impedância é muito elevado (com tendência ao infinito). Como relacionando dois elementos elétricos fundamentais da lei de ohms (Tensão e Impedância – resistência) deve-se concluir que haverá a presença de corrente elétrica no sistema, quando o DPS for inserido ao circuito elétrico. A corrente elétrica que surge é denominada corrente de operação contínua (Ic) e em razão da impedância ser muito elevada, tipicamente tem valores muito pequenos, na ordem de microampères (µA).
Nas redes de energia ocorrem surtos de tensão temporários, este de pequena duração e que efetivamente não causam danos as instalações e equipamentos elétricos. Para estes, denominamos Surto de Tensão Temporária (Ut), os quais devem ser suportados pelo dispositivo. O surto de tensão temporário, normalmente provêm de manobras das concessionárias de energia elétrica, tais como abertura e fechamento de chaves seccionadoras de distribuição.
Durante um surto, o DPS busca desviar as correntes transientes para a terra e manter a tensão do circuito a jusante em seus valores padrões de operação. Nestas condições deve ser observado o valor da tensão residual (Ures) nos terminais do DPS. Este valor é identificado pelo nível de proteção oferecido (Up). Up é um valor de isolação com valores padrões e preestabelecidos. Para não comprometer a isolação dos circuitos e componentes elétricos do restante da instalação, deve-se sempre optar por um valor de Up inferior ao valor de isolação dos componentes e circuitos que se deseja proteger. Ainda, o valor de Up deve ser imediatamente acima do valor de Ures (FINDER, 2012).
2.4.3 Elementos construtivos de um DPS
Primeiramente deve se conhecer os tipos de fenômenos que se deseja mitigar. Para surtos de tensão, o dispositivo deve agir de modo a limitar a sobretensão em dois terminais, evitando que a isolação dos demais elementos do sistema sejam danificadas devido ao esforço exagerado da elevação do potencial.
Da mesma maneira, o surgimento de um surto de corrente deve ser drenado para a terra. Para que isto seja possível é necessário um equipamento com impedância série elevada, capaz de limitar a corrente elétrica e conduzir esta corrente por um caminho seguro. Desta forma os DPS devem possuir uma relação de tensão versus corrente não linear, e durante a incidência de transientes deve ser capaz de apresentar uma alta impedância série, ou baixa impedância paralela.
Os DPS para sistemas de energia são basicamente fabricados a partir de três elementos chaves: centelhadores, varistores e semicondutores, arranjados de maneira adequada, ou em uma combinação de ambos os elementos.
Por comutação ou disparo (Centelhador); Por Limitação (Varistor);
Por semicondutores (Diodos); Por ação combinada;
2.4.3.1 Princípio de funcionamento do Centelhador (spark gap)
Nos dispositivos da família por disparo, o elemento construtivo principal é o centelhador. O elemento centelhador é um dispositivo produzido com dois eletrodos adequadamente separados. Na presença de tensão entre os dois eletrodos, surge um arco elétrico.
O valor da tensão de ignição neste tipo de dispositivo depende da distância entre os dois eletrodos, valor da temperatura do ambiente, pressão e poluição do ar. Para garantir as condições ambientais ideais, na produção de DPS com o princípio do centelhador, os eletrodos (elementos centelhador) são encapsulados em uma ampola. Esta ampola é preenchida com gases nobres, tais como argônio e neônio. Assim, consegue-se garantir que a tensão de ignição se mantenha em valores constantes nas mais diversas condições ambientais.
Figura 17 - Representação gráfica (simbologia) para um centelhador
Fonte: (FINDER, 2012, p. 14)
Figura 18 - Representação de um centelhador
Fonte: (FINDER, 2012, p. 14)
Os eletrodos são posicionados de maneira que a condução da corrente é iniciada quando o valor da tensão nos terminais excede o valor da tensão de ignição. Neste momento, forma-se
um arco interno, produzindo um curto-circuito para a terra e desviando a energia excedente (corrente de surto) para a terra.
Neste tipo de componente geralmente acontece um afundamento momentâneo da tensão, o qual terá duração de pelo menos um ciclo da rede. Este comportamento para determinados equipamentos é indesejado, pois pode provocar seu desligamento. Em contrapartida este tipo de componente oferece alta capacidade para conduzir correntes de surto com valores elevados.
Figura 19 - Comportamento de um centelhador na presença de um surto de tensão
Fonte: (FINDER, 2012, p. 15)
Em aproximadamente 100ns ocorre a variação da impedância (de infinito para próximo à zero, ou nulo). Este comportamento é motivado pela presença do pico de tensão (surto) nos terminais do elemento centelhador.
Com base nos gráficos da Figura 19, pode-se observar que a tensão nos terminais do centelhador sobe até o valor de V1. Em seguida, muda para V2, que é a tensão de ignição. Este comportamento se mantém até o ponto A e se estingue com o avanço para o modo arco, que por sua vez permanece até se chegar ao ponto B.
Durante a operação, as tensões nos terminais do centelhador (Ures) são relativamente baixas, enquanto que o valor de corrente, é elevado.
Um efeito indesejado é observado em dispositivos construídos a base de elemento centelhador. Devido ao fato do valor de Ures, ser relativamente baixo, há casos onde este valor
é inferior a tensão nominal do circuito onde o dispositivo está instalado, pode ocorrer que o arco elétrico interno ao centelhador nunca se estinga, mantendo assim, o dispositivo sempre acionado. Isto acontece por que após cessar o surto de tensão, o dispositivo permanecerá excitado pela tensão da rede.
A corrente que circula durante o surto de tensão e depois que cessado o surto (mantendo-se o dispositivo excitado) é denominada corrente residual. Seu valor nominal coincide com o valor da corrente de curto-circuito no ponto de instalação do centelhador.
Devido as características apresentadas, os dispositivos de proteção contra surtos, a base de elemento centelhador, são indicados para o primeiro estágio de combate aos surtos (FINDER, 2012).
2.4.3.2 Princípio de funcionamento do Varistor (clamping)
Os varistores são dispositivos utilizados contra surtos de tensão. Trata-se uma resistência cujo valor nominal é uma função da própria tensão aplicada aos terminais.
Os varistores são em geral são ligados em paralelo com o circuito cuja proteção deseja-se garantir. Quando um transitório ocorre, o valor nominal da resistência reduz drasticamente, absorvendo assim eventuais picos de tensão presentes na rede (UFRGS, 2016).
Figura 20 - Partes construtivas de um varistor
Fonte: (FINDER, 2012, p. 17)
Os DPS fabricados com base em varistores são definidos como de limitação, pois tem como característica principal, manter constante a tensão nos terminais da rede durante a passagem do surto. Esta vantagem é obtida graças as características do elemento varistor.
A tensão residual nos terminais de um varistor depende principalmente da forma construtiva e da espessura da pastilha. Se esta for corretamente dimensionada, podem ser obtidos projetos de DPS com vários desempenhos e para diferentes aplicações.
Por serem fabricados de partículas de metal, estes elementos quando são submetidos a uma tensão, sempre são percorridos por uma pequena corrente elétrica, a corrente de fuga.
A presença da corrente de fuga faz com que as partículas de metal se movimentem dentro do componente, fundindo-se umas às outras. Deste modo criam-se caminhos alternativos e de menor impedância para a corrente de fuga. Como consequência, tem-se um gradual aumento da temperatura do varistor que por sua vez provoca a redução da vida útil do mesmo. Os estudos atuais mostram que estes valores são mínimos, para o caso dos componentes utilizados na fabricação de DPS e que com poucos acionamentos levam-se anos de operação para que este aumento da corrente de fuga seja expressivo.
Tratam-se, portanto, decomponentes não lineares e que apresentam resistência elevada durante o regime normal de operação. No momento em que a tensão em seus terminais aumenta, a resistência diminui, fazendo com que a tensão em seus terminais se mantenha estável. Em comparação aos elementos centelhadores a principal vantagem é não provocar o afundamento da tensão, quando entrar em operação e apresenta resposta rápida no combate ao surto.
Em contrapartida, estes elementos apresentam baixa capacidade energética, isto é, não são capazes de tolerar grandes valores de corrente elétrica, quando comparados aos elementos centelhadores, o que os torna indicado para o segundo estágio de combate aos surtos.
Figura 21 - Curva comparativa entre um varistor e um centelhador
Fonte: (FINDER, 2012, p. 19)
Na Figura 21 é possível observar que o varistor (traçado em vermelho) começa a conduzir sem que seja necessária uma sobretensão inicial (tensão de ignição, no caso do
centelhador, traçado em azul claro). Razão este pela qual este tipo de dispositivo é amplamente utilizado em instalações convencionais.
2.4.3.3 Princípio de funcionamento semicondutor
Neste tipo de dispositivo, são empregados elementos semicondutores como o diodo avalanche, diodo Zener, ou diodo para retificação. No caso dos diodos Zener e avalanche, a limitação das perturbações eletromagnéticas está relacionada a região de operação dos mesmos, no caso a região reversa de suas curvas características (curva de tensão versus corrente).
Quando o surto percorre os terminais destes semicondutores, ocorre a limitação do valor da tensão de pico, a valores suportáveis pelos equipamentos protegidos.
A grande vantagem dos dispositivos de proteção contra surto, a base de semicondutores, quando em comparação aos demais, é no tempo de resposta, que é muito maior que os demais. Outra vantagem, é quanto a sua vida útil que efetivamente não é afetada pela quantidade de vezes que entra em operação.
Em contrapartida, a grande desvantagem destes componentes está na capacidade energética do semicondutor, esta por sua vez bem inferior aos elementos centelhadores ou a base de varistores.
Por estas razoes, os dispositivos de proteção contra surtos, são indicados para atuar no terceiro estágio de combate aos surtos.
2.4.3.4 Por ação combinada (dispositivos híbridos)
São elementos construídos de forma a agregar as vantagens dos elementos descritos anteriormente em um mesmo produto. Neste tipo de arranjo também são combinados outros elementos básicos do sistema elétrico, como capacitores e indutores.
Dispositivos híbridos geralmente são projetados em dois estágios, o primeiro com maior capacidade energética, por exemplo com base num centelhador, eliminando por aqui a maior parcela de energia incidente. O segundo elemento do conjunto é um semicondutor, que visa a proteção da carga mais sensível e obter melhor tempo de resposta.
Pelo seu ótimo desempenho, os dispositivos híbridos têm uma aplicação muito variada, sendo indicado para sistemas de telecomunicação em geral, e para equipamentos eletrônicos sensíveis.
2.4.4 Como escolher um DPS – elementos técnicos
2.4.4.1 Termos técnicos importantes
Para escolher o melhor DPS para uma dada aplicação, é necessário conhecer as normas técnicas aplicáveis, no caso do Brasil pelo menos a NBR 5410 (2004) e a NBR 5419 (2015). Além disto, tem alguns termos técnicos importantes de serem levados em consideração:
Tensão nominal de operação (Un); Tensão de operação continua (Uc); Corrente de operação contínua (Ic); Tensão residual (Ures);
Nível de proteção (Up); Tempo de resposta desejado;
Máxima corrente que o dispositivo é capaz de suportar (Isx); Corrente nominal de descarga (In);
Corrente de impulso (Iimp);
Tensão nominal de operação (Un): Indica a tensão nominal para a qual o dispositivo foi projetado para operar. Este valor deve ser compatível com a tensão nominal da rede elétrica, valor eficaz entre fase e o ponto neutro, de um sistema. No Brasil, é permitido as distribuidoras de energia variar o valor da tensão nominal de operação em 10% para mais ou para menos.
O valor de Un normalmente não aparece na plaqueta de identificação de um DPS, mesmo assim, deve ser levado em consideração (ABNT NBR 5410, 2004); (FINDER, 2012).
Tensão de operação continua (Uc): Corresponde ao valor da tensão que pode ser aplicada ao dispositivo de forma continua. Como a tensão nominal de operação pode variar (dentro dos seus limites) é preciso construir dispositivos capazes de operar de forma normal, dentro dos limites de variação. O dispositivo de proteção contra surtos deve ser especificado para o próximo valor de Uc, imediatamente acima de Un, isto é, Un < Uc (ABNT NBR 5410, 2004); (FINDER, 2012).
A Tabela 2, indica o valor mínimo de Uc em função do sistema de distribuição envolvido.
Tabela 2 - Valor mínimo para Uc com relação ao sistema aterramento
DPS ligado entre Esquema de aterramento adotado
TN TT IT (com neutro) IT (sem neutro)
Fase – Neutro 1,1 ∗ 𝑈𝑛 1,1 ∗ 𝑈𝑛 1,1 ∗ 𝑈𝑛 𝑁ã𝑜 𝑠𝑒 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎 Fase – Terra 1,1 ∗ 𝑈𝑛 1,1 ∗ 𝑈𝑛 𝑈𝑙 𝑈𝑙 Neutro – Terra 𝑈𝑛 𝑈𝑛 𝑈𝑛 𝑁ã𝑜 𝑠𝑒 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎 Fase – PEN 1,1 ∗ 𝑈𝑛 𝑁ã𝑜 𝑠𝑒 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎 𝑁ã𝑜 𝑠𝑒 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎 𝑁ã𝑜 𝑠𝑒 𝑎𝑝𝑙𝑖𝑐𝑎 Fase – Fase 1,1 ∗ 𝑈𝑙 1,1 ∗ 𝑈𝑙 1,1 ∗ 𝑈𝑙 1,1 ∗ 𝑈𝑙 Fonte: (FINDER, 2012, p. 20)
Corrente de operação contínua (Ic): No caso de um dispositivo real, o mesmo constantemente é atravessado por uma pequena corrente de fuga, na ordem dos microampères. É sempre recomendável observar estes valores, a fim de que o valor da corrente de fuga não venha a interferir no funcionamento de equipamentos eletrônicos mais sensíveis (ABNT NBR 5410, 2004); (FINDER, 2012).
Tensão residual (Ures): Corresponde ao valor da tensão residual medida entre os terminais do DPS durante seu acionamento. Este valor está relacionado ao nível de proteção que se deseja obter. A tensão residual deverá ser imediatamente inferior ao valor comercial de Up (ABNT NBR 5410, 2004); (FINDER, 2012).
Nível de proteção (Up): Define a capacidade de o dispositivo limitar as sobretensões para valores aceitáveis pelas cargas elétricas sensíveis. Expressa o valor máximo da tensão que permanecera no dispositivo durante a sua operação. Por exemplo: se o DPS for caracterizado como Up≤1,2kV, significa que o surto de tensão será limitado em 1,2kV, inicialmente. A Tabela 3 indica o nível de proteção à ser adotado dado o tipo de componente a proteger na instalação. Quando o nível de proteção exigido não puder ser atendido com um só conjunto de proteção, deverão ser providos dispositivos suplementares, devidamente coordenados (ABNT NBR 5410, 2004); (FINDER, 2012).
Tabela 3 - Suportabilidade a impulso exigível dos componentes da instalação
Fonte: (ABNT NBR 5410, 2004, p. 71)
Tempo de resposta desejado: Refere-se ao tempo que o dispositivo leva para entrar em operação, após identificar o surto. Este tempo de resposta obrigatoriamente deve ser milhares de vezes mais rápido que o período do surto, a fim de garantir a proteção adequada (ABNT NBR 5410, 2004); (FINDER, 2012).
Máxima corrente que o dispositivo é capaz de suportar (Isx): Corresponde a suportabilidade à corrente de curto-circuito. Trata-se da máxima corrente que o dispositivo é capaz de suportar e extinguir, até o primeiro cruzamento por zero, do semi-ciclo. É um valor de corrente, ao qual o DPS é capaz de extinguir de maneira autônoma. Se o valor de Isx, for inferior ao valor da corrente de curto-circuito no ponto de instalação, faz-se necessário proteger o dispositivo com fusíveis, por exemplo. Agora, se o valor da corrente de curto-circuito for inferior ao valor de Isx, a proteção do dispositivo pode não ser possível. Para os dispositivos conectados entre neutro e terra a capacidade de interrupção de corrente subsequente deve ser de no mínimo 100A (ABNT NBR 5410, 2004); (FINDER, 2012).
Corrente nominal de descarga (In): Condiz a capacidade de corrente elétrica que o dispositivo é capaz de conduzir durante sua operação. Quando o DPS for destinado a proteção contra sobretensões de origem atmosférica ou manobras, transmitidos pela linha de alimentação, In não deve ser inferior a 5kA, para cada modo de proteção (In≥5kA). Todavia In não deve ser inferior a 20kA (In≥20kA) em redes trifásicas, ou 10kA (In≥10kA) em redes
monofásicas, quando utilizado entre neutro e terra (PE) (ABNT NBR 5410, 2004); (FINDER, 2012).
Corrente de impulso (Iimp): Quando o dispositivo for destinado a proteção contra sobretensões provocadas por descargas atmosféricas diretas sobre a edificação ou próximas, Iimp deve ser preferencialmente calculada. Quando Iimp não puder ser calculada, deverá no mínimo ser inferior a 12,5kA para cada modo de proteção (In≥12,5kA). Todavia Iimp não deve ser inferior a 50kA (In≥50kA) em redes trifásicas, ou 25kA (In≥25kA) em redes monofásicas, quando utilizado entre neutro e terra (PE) (FINDER, 2012).
Tabela 4 - Valores máximos dos parâmetros das descargas atmosféricas correspondentes aos níveis de proteção (NP)
Fonte: (ABNT NBR 5419-1, 2015, p. 17)
A melhor alternativa consiste em determinar a intensidade dos surtos em determinado ponto da instalação. De acordo com Sueta (2016), a corrente da descarga atmosférica, quando conduzida para terra, divide-se entre o sistema de aterramento, as partes condutoras externas e as linhas externas, diretamente ou através de DPS conectados a elas.
Figura 22 - Corrente de descarga atmosférica conduzida para terra
Fonte: (SUETA, 2016, p. 25)
Sendo 𝐼𝑓 = 𝑘𝑒∗ 𝐼 a fração da corrente de descarga atmosférica em cada parte condutora ou linha externa, o fator 𝑘𝑒 dependerá de (ABNT NBR 5419-1, 2015):
Número de caminhos paralelos;
Impedâncias convencionais de aterramento para as partes enterradas ou suas resistências de aterramento para as partes aéreas, onde estas partes se conectem com outras partes enterradas;
Impedância convencional de aterramento (conventional earthing impedance) do subsistema de aterramento, isto é, a relação entre os valores de pico da tensão e da corrente do eletrodo de aterramento, os quais, em geral, não acontecem simultaneamente (SUETA, 2016).
Para instalação enterrada:
𝑘𝑒 = 𝑍
𝑍1+ 𝑍 ∗ (𝑛1+ 𝑛2 ∗𝑍𝑍1 2)
Para instalação aérea:
𝑘𝑒 = 𝑍
𝑍2+ 𝑍 ∗ (𝑛2+ 𝑛1∗𝑍𝑍2 1)
(1)
Onde:
Z= Impedância convencional de aterramento do subsistema de aterramento;
Z1= Impedância convencional de aterramento das partes externas ou linhas externas enterradas; Z2= Resistência de terra do arranjo de aterramento que conecta a linha aérea à terra;
n1= Número total de partes externas ou linhas instaladas enterradas; n2= Número total de partes externas ou linhas instaladas aéreas;
I= Corrente da descarga atmosférica pertinente ao nível de proteção (NP) considerado.
Os valores de Z1 são obtidos com o auxílio da Tabela 7. Quando não se conhecer a resistência de terra do ponto de aterramento (Z2), o valor de Z1 pode ser utilizado, levando em conta a resistividade do solo no ponto de aterramento, ver Tabela 7.
O valor da corrente da descarga atmosférica pertinente ao nível de proteção (NP) considerado é obtido da através da Tabela 5, para sistemas de baixa tensão em redes aéreas, e da Tabela 6, para linhas de sinais aéreas. No caso de sistemas de baixa tensão enterrados e de linhas de sinais subterrâneos, os valores informados podem ser divididos por dois (ABNT NBR 5419-1, 2015).
Tabela 5 - Surtos devido às descargas atmosféricas previsto em sistemas de baixa tensão
Tabela 6 - Surtos devido às descargas atmosféricas previstos em sistemas de sinais
Fonte: (ABNT NBR 5419-1, 2015, p. 63)
Tabela 7 - Valores de impedância convencionais de aterramento Z e Z1
