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ANÁLISE DE UM PROJETO DE PARA-RAIOS DE 5 kA COM BASE
NA TAXA DE FALHAS
A. M. M. Diniz, M. L. B. Martinez,E. T. Wanderley Neto, A. A. Nunes, A. M. Nóbrega
H. R. P. M. de Oliveira, J. Uchôa
SUMÁRIO
Introdução
Objetivos Taxa de falhas
Perfil das correntes Suportabilidade de corrente
Ensaios
Considerações finais
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INTRODUÇÃO
Os para-raios são equipamentos cuja principal função é proteger o sistema elétrico contra sobretensões;
Os mais modernos são formados basicamente pelo empilhamento de varistores e apresentam característica V x I altamente não-linear;
Normalmente, são produzidos para-raios com valores de corrente de descarga nominal de 5 kA, 10 kA e 20 kA;
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INTRODUÇÃO
No Brasil, é prática comum utilizar nas redes de distribuição para-raios de corrente de descarga nominal de 10 kA;
Estudos permitem afirmar que para-raios de 5 kA apresentam suportabilidade adequada para a grande maioria das redes de distribuição;
No intuito de verificar os requisitos atribuídos a suportabilidade dos varistores/módulos frente a surtos, foi realizada uma sequência adaptada de ensaios com base nas normas vigentes.
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OBJETIVOS
Apresentar o risco relacionado à utilização de para-raios de 5 kA no sistema de distribuição através da estimativa da taxa de falhas.
Estimar o número de para-raios que irá falhar;
Permitir melhor planejamento para as concessionárias de energia.
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TAXA DE FALHAS
A análise da taxa de falhas do projeto de para-raios envolveu: O perfil dos níveis das correntes de
descarga; A análise da suportabilidade de
corrente.
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TAXA DE FALHAS
Perfil das correntes:
Foram utilizados aproximadamente 9.000 para-raios de SiC com centelhadores retirados de campo;
Os para-raios foram retirados de 15 regiões de concessão da AES Sul;
Foi utilizada uma técnica denominada “etchings comparisons”.
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TAXA DE FALHAS
8
Corrente +
Perc
ent
60300
99,9
99
90
50
10
1
0,1
Corrente +
Perc
ent
100,0010,001,000,100,01
99,9
99
90
50
10
1
0,1
Corrente + - Threshold
Perc
ent
100,0010,001,000,100,01
99,9
99
90
50
10
1
0,1
Corrente +
Perc
ent
100,00010,0001,0000,1000,0100,001
99,9
90
50
10
1
0,1
Goodness of Fit Test
P-Value = *
ExponentialAD = 33,074 P-Value < 0,003
NormalAD = 41,344 P-Value < 0,005
LognormalAD = 0,668 P-Value = 0,080
3-Parameter LognormalAD = 0,539
Probability Plot for Corrente +Normal - 95% CI Lognormal - 95% CI
3-Parameter Lognormal - 95% CI Exponential - 95% CI
1 2 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 98 99Probabilidade [%]
0.01
0.1
1
10
100
Am
pli
tud
e d
a C
orr
ente
de
Des
carg
a [k
A]
Corrente(+) lognormalMédiaLimite InferiorLimite Superior
TAXA DE FALHAS
9
1 2 5 10 20 30 40 50 60 70 80 90 95 98 99Probabilidade [%]
0.01
0.1
1
10
100
Am
plit
ud
e d
a C
orr
ente
de
Des
carg
a [k
A]
GeralNegativoPositivo
µ = 0,54 kA σ = 1,57 kA
TAXA DE FALHAS
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Suportabilidade de corrente
Definição dos valores máximos de correntes impulsivas suportadas pelo para-raios;
Análise de suportabilidade em sistemas elétricos Modelo estatístico de Weibull.
Correntes suportáveis consideradas:40, 65 e 100 kA.
1ln
39,11 %50
5,01
xx
p
p: função distribuição acumulada (Weibull);x: grandeza sob análise, neste caso, a corrente de descarga;x50%: Valor crítico da grandeza sob análise;: Desvio padrão da grandeza sob análise;: Constante da distribuição de Weibull simétrica.
TAXA DE FALHAS
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Taxa de Falhas
Probabilidade de ocorrência de determinados valores de corrente de descarga Probabilidade de falha do para-raios diante de um valor específico de descarga;
Cálculo da taxa de falha:
A taxa de falhas corresponde a área definida pelo produto entre as duas funções Ocorrência de descargas e Probabilidade de falha.
dIISIDR PRPSfalha )()(Rfalha: Risco de falha do pára-raios;DPS(I): Função densidade de probabilidade das descargas elétricas;SPR(I): Função probabilidade de suportabilidade do para-raios;
TAXA DE FALHAS
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Sobreposição das curvas de probabilidade e curva correspondente ao cálculo da taxa de falhas.
TAXA DE FALHAS
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Resultados:
Para raios de 5 kA Suportabilidade de 40 kA:
1,56 %;
Para-raios de 5 kA Suportabilidade de 65 kA:
0,67 %;
Para-raios de 10 kA Suportabilidade de 100
kA: 0,23 %.
ENSAIOS
Foram realizados ensaios em varistores e módulos (parte ativa) dos para-raios;
Os varistores foram organizados de acordo com a seguinte tabela:
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Fabricantes e modelos dos varistores
Fabricantes Modelos dos
varistoresFabricante 1 A1, A2 e A3
Fabricante 2 B1 e B2
Fabricante 3 C1 e C2
Fabricante 4 D1, D2 e D3
ENSAIOS
Sequência de impulsos realizada nos varistores e nos módulos:
(i)Varistores: 1,5 kA, 2,5 kA, 5,0 kA e 10 kA; Módulos: 1,5 kA, 3,0 kA, 5,0 kA e 10 kA.
(ii)Varistores: 75 A e 150 A; Módulos: 150 A e 250 A.(iii)Ensaio realizado apenas nos varistores.
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Ordem Medição Características
01(i) Impulsos 8 x 20 µs Cinco impulsos: 1,5 kA, 2,5 kA, 3,0 kA, 5,0 kA e 10 kA.
02 Impulsos 4 x 10 µs Dois impulsos de 40 kA.
03(ii) Impulsos de longa duração (2 ms)
Cinco impulsos: 75 A, 150 A e 250 A.
04(iii) Impulso 4 x 10 µs Dois impulsos de 65 kA.
RESULTADOS DOS ENSAIOS
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Amostras
Número de varistores que falharam
10 kA 40 kA75 A
150 A 65 kA
(8 x 20 µs)
(8 x 20 µs) 2ms 2ms
(8 x 20 µs)
A1 0 1 0 0 0
A2 0 0 0 0 0
A3 0 0 0 0 0
B1 0 1 0 0 3
B2 0 0 0 0 1
C1 0 0 0 0 0
C2 0 1 0 3 0
J2 0 0 0 0 1
J3 0 0 0 0 1
K5 0 1 0 0 0
RESULTADOS DOS ENSAIOS
17
20
40
60
100 1.000 10.000
Tens
ão r
esid
ual (
kV)
Corrente (A)
15 A
15 B
15 C
15 D
15 E
Característica Tensão versus Corrente em módulos de para-raios a óxido metálico (fabricante 4)
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CONSIDERAÇÕES FINAIS
Os resultados deste trabalho puderam ser usados como justificativa para desenvolver de forma adequada um projeto de para-raios de 5 kA e avaliá-lo através de uma sequência adaptada de ensaios;
Através dos impulsos de curta duração foi possível avaliar a suportabilidade dos varistores assim como nível de proteção contra impulsos atmosféricos. Foram obtidos valores de tensão residual entre 27 kV e 56 kV;
CONSIDERAÇÕES FINAIS
Através dos impulsos de longa duração foi possível avaliar a capacidade de absorção de energia dos varistores. Foram obtidos valores iguais a 28 kV e 32 kV.
O número de falhas causadas por impulsos de longa duração foi superior ao número de falhas causadas pelos impulsos de curta duração;
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CONSIDERAÇÕES FINAIS
Não foram verificados indícios de descarga disruptiva externa, trincas ou perfurações nos varistores do fabricante 4 após a sequência de ensaios;
No que se refere a taxa de falhas, foi observado que o aumento do risco referente ao para-raios de 5 kA e suportabilidade 40 kA é compensado pelo custo associado ao investimento na compra dos para-raios, assim como no grande número de substituição de para-raios de 10 kA retirados do sistema por operação do desligador automático, mas ainda em boas condições operacionais.
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CONSIDERAÇÕES FINAIS
Além disso, esse risco é significativo apenas para correntes de descarga elevadas, em torno de 40 kA.
Para valores inferiores de corrente, a degradação do para-raios ocorre de maneira contínua, levando à atuação do desligador antes da sua falha completa.
Estes resultados são indicativos da suportabilidade do projeto que está sendo desenvolvido e, portanto, garante a viabilidade da instalação de para-raios de 5 kA no sistema de distribuição do Brasil.
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OBRIGADO PELA ATENÇÃO!!!
Arimatéa A. [email protected]
Aellfclêniton M. M. [email protected]
Manuel Luís Barreira [email protected]
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