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1Consideraes Bsicas sobre Pra-raios
Marco Polo Pereira Departamento de Planejamento de
TransmissoFurnas Centrais Eltricas S.A. Rua Real Grandeza, 219, Rio
de Janeiro, Brasil
e-mail : [email protected]
Resumo
Os equipamentos de uma instalao industrial podem ser submetidos
a sobretensesprovocadas por descargas atmosfricas ou manobras no
sistema, sendo necessrio a instalaode dispositivos de proteo para
evitar sua danificao. Apesar de sua importante misso, ospra-raios
so equipamentos de reduzido custo, simples do ponto de vista
construtivo e depequenas dimenses quando comparados aos
equipamentos que protegem. Um pra-raios constitudo de um elemento
resistivo no linear associado ou no a um centelhador em srie.Em
operao normal, o pra-raios semelhante a um circuito aberto. Quando
ocorre umasobretenso o centelhador dispara e uma corrente circula
pelo resistor no linear, impedindoque a tenso nos seus terminais
ultrapasse um determinado valor. possvel a eliminao docentelhador,
utilizando-se somente o resistor no linear, se este material
apresenta umacaracterstica suficientemente adequada para esta
finalidade.
1. Introduo
Com o objetivo de impedir que os equipamentos de um sistema
eltrico ou instalao industrialsejam danificados por sobretenses
necessrio a instalao de dispositivos de proteo,sendo os pra-raios
os equipamentos mais adequados para esta finalidade. Atuam
comolimitadores de tenso, impedindo que valores acima de um
determinado nvel pr-estabelecidopossam alcanar os equipamentos para
os quais fornecem proteo.
A Figura 1 mostra as caractersticas no lineares do ZnO e do SiC,
que so os materiaisbsicos para a construo dos blocos utilizados nos
pra-raios.
Figura 1. Caracterstica V x I para o SiC e o ZnO
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2Observa-se que o ZnO apresenta uma caracterstica no linear
superior a do SiC na regio deintensidades de correntes mais baixas.
Apesar dos fabricantes estarem voltados para aconstruo de pra-raios
ZnO, os sistemas j existentes utilizam pra-raios convencionais,
queso pra-raios construdos com resistor no linear base de carbonato
de silcio (SiC) e quenecessitam de um "gap" srie para o seu correto
funcionamento.
2. Detalhes Construtivos dos Pra-Raios
A Figura 2 apresenta, a ttulo de ilustrao, o processo evolutivo
dos dispositivos de proteo.
Figura 2. Evoluo dos Dispositivos de Proteo Contra
Sobretenses
Na Figura 2a est indicado um centelhador, que um dispositivo que
pode ser utilizado para aproteo dos equipamentos de uma subestao.
Quando uma sobretenso alcana ocentelhador h o disparo, limitando a
sobretenso nos equipamentos protegidos por aqueledispositivo. O
centelhador apresenta como grande desvantagem o estabelecimento de
umcurto-circuito, o qual deve ser eliminado pela proteo do
sistema.
Com o objetivo de evitar o estabelecimento de um curto-circuito
no sistema e seusinconvenientes, foi desenvolvido o pra-raios
mostrado na Figura 2b. Este pra-raios consistede um resistor no
linear em srie com o centelhador, de forma a limitar a corrente
dedescarga. So normalmente utilizados em sistemas de distribuio e
de alta-tenso (
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3Normalmente, os resistores no lineares tm resistncias muito
elevadas, acarretando umatenso residual elevada nos terminais do
pra-raios. Na prtica, este problema no preocupante porque os
equipamentos desta faixa de tenso so projetados com nveis
deisolamento elevados.
Com o crescimento das tenses dos sistemas de transmisso, os
pra-raios tiveram o seudesenvolvimento acelerado e os pra-raios com
gap" ativo constituram um estgioimportante deste processo. A Figura
2c apresenta, esquematicamente, este tipo deequipamento.
O seu funcionamento baseado no alongamento do arco atravs do
"gap" com o auxlio de umcampo magntico, conforme indicado,
esquematicamente, na Figura 4. Nesta figura, estomostradas as
diversas etapas no processo de conduo de um pra-raios, estando
indicadosquatro instantes distintos com relao tenso no sistema e
corrente no pra-raios.
Com a finalidade de melhor ilustrar as diversas etapas do
processo de conduo no pra-raios,as grandezas eltricas esto
mostradas fora de escala e os seus componentes estoapresentados de
forma esquemtica. Por exemplo, a corrente de controle est
ampliada(somente poucos mA), a corrente de descarga (vrios kA) est
reduzida e a durao das ondasde surto de tenso e da corrente de
descarga est ampliada.
Figura 4 Operao de um pra-raios de gap ativo
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4Os principais componentes e grandezas, mostrados na Figura 4,
so os seguintes:
is corrente de controle ia corrente de descarga (surge
current)
in corrente subsequente a 60 Hz (follow current)Ra resistores no
lineares
Rb resistores de by-pass Rs resistores equalizadores (grading
resistors)
B bobina de sopro magntico (blow out coil)E eletrodos dos
centelhadores (spark gap electrode)
K cmara de extino do arco A ponto de incio do arco
M linhas de fluxo magntico L arco eltrico
UL tenso desenvolvida no arco URa tenso nos resistores no
lineares
Np nvel de proteo Ua tenso de disparo
Up tenso residual Us surto de tenso
U tenso normal de operao
Na Figura 4b, est indicada a operao do pra-raios em condies
normais. Nesta situao acorrente que circula pelo pra-raios somente
de poucos miliampres, sendo limitada pelosresistores no lineares Ra
e pelos resistores equalizadores. Esta pequena corrente assegura
quea tenso do sistema aplicada aos terminais do pra-raios se
distribua uniformemente atravsdos gaps" e demais componentes do
equipamento.
Durante o processo de conduo propriamente dito (Figura 4c), a
corrente de descarga circulapelos "qaps" e resistores de "by-pass",
uma vez que as indutncias das bobinas de sopromagntico impedem a
circulao desta corrente com alta taxa de crescimento. Este processo
iniciado quando a tenso nos terminais do pra-raios ultrapassa o
valor da tenso de disparo ea corrente circula inicialmente na parte
do "gap", onde a distncia a menor.
Aps o surto inicial de corrente, tal como indicado na Figura 4c,
os "gaps" encontram-sealtamente ionizados e uma corrente provocada
pela tenso do sistema (corrente subseqente a60 Hz) pode fluir no
pra-raios. Inicialmente esta corrente funo somente da tenso
dosistema e dos resistores no lineares. Sendo uma corrente com
pequena taxa de variao, o seucaminho natural ser pela bobina de
sopro magntico, uma vez que nestas condies a suaindutncia ser de
valor reduzido, deixando, portanto, de circular pelo resistor de
"by-pass". Apassagem de corrente nesta bobina cria um forte campo
magntico, com tendncia a expandir acorrente atravs do "gap",
formando um arco eltrico alongado. Este alongamento do arcoprovoca
o aumento da tenso nos terminais do pra-raios, ajudando a limitar a
corrente at asua completa extino. Aps a extino da corrente a situao
a indicada na Figura 4e,retomando o pra-raios a sua condio normal
de operao.
A Figura 2d apresenta o estgio atual de desenvolvimento dos
pra-raios, sendo utilizadosapenas blocos de resistores no lineares
na sua construo.
Considerando-se a expresso I=kVn para a caracterstica do
resistor no linear, pode serverificado que o SiC tem o expoente da
ordem de 4 enquanto que o ZnO apresenta umexpoente n na ordem de
25. Esta alta no linearidade do ZnO permitiu o abandono do
"gap"anteriormente necessrio para os pra-raios convencionais,
simplificando tremendamente aconstruo dos pra-raios e aumentando
bastante a confiabilidade destes equipamentos.
3. Caractersticas de Proteo dos Pra-raios
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53.1 Caractersticas Eltricas dos Pra-raios Convencionais
- Tenso nominal
A tenso nominal de um pra-raios o valor de tenso na freqncia
fundamental para a qual opra-raios foi projetado e em relao ao qual
todas as demais caractersticas estorelacionadas. Com este valor de
tenso aplicado a seus terminais, o pra-raios submetido aoensaio de
ciclo de trabalho, que um dos mais importantes ensaios previstos
nas normas.Geralmente, a tenso nominal o limite para as sobretenses
dinmicas permissveis nosistema.
- Tenso de "Reseal"
A tenso de "reseal" a maior tenso para a qual o pra-raios tem
condies de interromper acorrente subseqente, isto , ocorrido o
disparo devido a um surto de tenso o pra-raios deveinterromper a
corrente de disparo, inclusive a corrente subseqente, e no deve
conduzirnovamente no primeiro meio ciclo seguinte de tenso. Esta
caracterstica no definida deforma explcita nas normas de pra-raios
e a prpria definio para a tenso nominal abrangeesta caracterstica,
uma vez que o valor utilizado nos ensaios de ciclo de operao.
- Tenso Mxima de Disparo para Onda Escarpada (kV pico).
A tenso mxima de disparo para onda escarpada ou tenso de disparo
na frente de onda atenso de disparo do pra-raios quando submetido a
um surto de tenso com uma inclinaouniforme e alta taxa de
crescimento.
- Tenso Mxima de Disparo para Impulso Atmosfrico (kV pico).
A tenso mxima de disparo para impulso atmosfrico o maior valor
de tenso de disparo dopra-raios quando submetido a impulsos do tipo
1.2 x 50 ms.
- Tenso Mxima de Disparo para Impulso de Manobra (kV pico).
A tenso mxima de disparo para impulso de manobra o maior valor
de tenso de disparo dopra-raios quando submetido a impulsos
considerados como sendo caractersticos das ondastipo impulso de
manobra. Geralmente, os tempos para frente de onda esto na faixa de
30 a2000 ms.
- Nvel de Proteo a Impulso de Manobra (kV pico).
O nvel de proteo a impulso de manobra a maior tenso que pode
aparecer nos terminaisde um pra-raios para impulsos do tipo
manobra, seja a tenso de disparo ou ento a tensoresidual.
- Tenso Residual (kV pico).
A tenso residual a tenso que aparece no pra-raios quando da
passagem de uma correntede impulso na forma 8 x 20 ms. Normalmente,
os ensaios so realizados para impulsos decorrente de valor 1.5, 5,
10, 15, 20 e 40 kA.
- Tenso Mnima de Disparo Freqncia Industrial (kV RMS)
A tenso mnima de disparo freqncia industrial o maior valor de
tenso na freqncia dosistema que o pra-raios pode suportar sem
disparar. O pra-raios no tem condies de
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6interromper o processo de conduo se for solicitado a disparar
por um valor de tenso nafreqncia fundamental acima da tenso mnima
de disparo freqncia industrial. O disparodo pra-raios nestas
condies no necessita de um surto de tenso para o incio da
conduo.
- Capacidade de Absoro de Energia
A capacidade de absoro de energia do pra-raios de grande
importncia nos sistemas deEAT e UAT, onde a energia disponvel muito
elevada. Normalmente, a capacidade deabsoro de energia dos
pra-raios providos de centelhadores no consta dos catlogos,devendo
ser obtida diretamente dos fabricantes. Esta capacidade de energia
abrange acapacidade do resistor no linear e a do centelhador, e,
geralmente, da ordem de 5 kWs porkV de tenso nominal do
pra-raios.
3.2 Caractersticas Eltricas dos Pra-raios de xido de Zinco
- Tenso Nominal (kV RMS)
A tenso nominal de um pra-raios o valor mximo RMS da tenso na
freqncia industrialaplicada aos seus terminais no ensaio de ciclo
de servio, para a qual o pra-raios foi projetadoe tem condies de
operar satisfatoriamente, durante o ensaio. O valor da tenso
nominal utilizado como um parmetro de referncia para a especificao
de suas caractersticas deoperao.
- Tenso Mxima de Operao em Regime Contnuo (kV RMS)
A tenso mxima de operao em regime contnuo o maior valor de tenso
para o qual opra-raios projetado de modo a operar continuamente com
esta tenso aplicada a seusterminais.
- Capacidade de Sobretenso Temporria
A capacidade de sobretenso temporria definida em funo da
caracterstica desuportabilidade tenso x durao, onde indicada a
quantidade de tempo para a qual permitida a aplicao de uma tenso
superior tenso mxima de operao em regimecontnuo nos terminais do
pra-raios. A Figura 5 apresenta esta caracterstica para ospra-raios
ZnO fabricados pela ASEA.
Figura 5 - Capacidade de sobretenso temporria
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7- Nvel de Proteo a Impulso de Manobra (kV pico)
O nvel de proteo a impulso de manobra depende da corrente de
conduo no pra-raios, aqual aumenta a medida que o valor do impulso
de tenso aumenta. Com o intuito de definir onvel de proteo a
impulso de manobra, deve ser estabelecido um valor para a corrente
decoordenao. Geralmente, o valor de 3 kA adotado na ausncia de
estudos especficos, umavez que este valor dificilmente ser
ultrapassado na prtica.
- Tenso Residual (kV pico).
A tenso residual a tenso que aparece no pra-raios quando da
passagem de uma correntede impulso na forma 8 x 20 ms. Normalmente,
os ensaios so realizados para impulsos decorrente de valor 1.5, 3,
5, 10, 15, 20 e 40 kA. A tenso residual depende da forma de onda
doimpulso aplicado e, geralmente, os fabricantes fornecem informaes
relacionando a tensoresidual com a frente de onda do impulso
aplicado, tal como indicado na Figura 6 (extrada docatlogo da
GE).
Figura 6 - Tenso residual em funo da frente de onda da corrente
de conduo
A Figura 7 apresenta a variao da tenso residual em funo da
corrente para diversos tiposde impulsos para os pra-raios ZnO da
ASEA.
Figura 7 - Tenso residual em funo da corrente de conduo
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8- Capacidade de Absoro de Energia
A capacidade de absoro de energia do pra-raios de grande
importncia nos sistemas deEAT e UAT, onde a energia disponvel muito
elevada e devido possibilidade de repartiode energia entre
pra-raios de uma subestao. Os catlogos dos fabricantes,
normalmente,indicam a capacidade mxima de energia em kWs por kV de
tenso nominal, sendo estacapacidade funo da tenso nominal e da
corrente de conduo do pra-raios. Geralmente, ospra-raios utilizados
em sistemas de EAT tm uma capacidade de absoro de energia na
faixade 7 a 8 kWs por kV de tenso nominal. A Figura 8 apresenta a
variao da capacidade deabsoro de energia dos pra-raios fabricados
pela GE, em funo da corrente de conduo.
Figura 8. Energia Mxima Permitida em Funo da Corrente de
Conduo
4. Aspectos Relacionados com a Seleo de Pra-raios
A seleo de um pra-raios para a correta proteo de um equipamento,
ou de um grupo deequipamentos, deve levar em considerao uma srie de
fatores, tais como: tenso mxima nafreqncia industrial, sobretenses
temporrias, sobretenses atmosfricas e de manobra,efeito-distncia,
caractersticas de proteo, isolamento dos equipamentos e margens
deproteo. Normalmente, estes fatores envolvem aspectos conflitantes
e um processo passo apasso , geralmente, necessrio para a seleo
definitiva da tenso nominal de um pra-raios.
4.1 Tenso Mxima na Freqncia Industrial
A tenso nominal de um pra-raios convencional deve ser igual ou
superior maiorsobretenso na freqncia industrial que pode ocorrer no
sistema, para evitar que o pra-raiosseja submetido a disparos
consecutivos e, eventualmente, se danifique.
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9As causas mais freqentes para a ocorrncia de sobretenses
temporrias so as seguintes:faltas fase-terra, rejeio de carga,
ferro-ressonncia, induo em circuitos paralelos e perda deconexo a
terra em sistemas, normalmente, aterrados. No caso de pra-raios
ZnO, devido asua caracterstica peculiar, estabelecido que a tenso
mxima em regime contnuo no podeultrapassar a 80% do valor da tenso
nominal do pra-raios. As caractersticas desuportabilidade para
sobretenses temporrias devem ser utilizadas de acordo com
asinformaes especficas para cada fabricante.
4.2 Classes de um Pra-raios
Normalmente, trs classes de pra-raios so utilizadas em sistemas
de alta-tenso: estao,intermediria (subtransmisso) e distribuio. As
diferenas entre os trs tipos esto nos nveisde proteo, nos ensaios
de durabilidade, na existncia ou no de dispositivos de alvio
depresso e nas tenses do sistema para as quais foram projetados. Os
pra-raios tipo estaocobrem todas as classes de tenso, os do tipo
intermedirio destinam-se s tensesnormalmente utilizadas nos
sistemas de subtransmisso (
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pra-raios. Geralmente, so fornecidas as caractersticas para onda
escarpada, para tensoresidual e para impulso de manobra, alm de
informaes sobre a variao da tenso residualem funo da frente de
onda.
4.4 Nveis de Isolamento dos Equipamentos
O nvel de isolamento de um equipamento o conjunto de valores de
tenses suportveisnominais, aplicadas ao equipamento durante os
ensaios e definidas em normas especficas paraesta finalidade, que
define a sua caracterstica de isolamento. A NBR-6939 estabelece
que,para os equipamentos com tenso mxima inferior a 300 kV, o nvel
de isolamento definidopelas tenses suportveis nominais de impulso
atmosfrico e freqncia industrial. Paraequipamentos com tenso igual
ou superior a 300 kV, consideram-se as tenses suportveisnominais de
impulsos de manobra e atmosfrico. Os nveis de proteo dos pra-raios
devemser selecionados considerando-se as suas caractersticas de
proteo e os nveis de isolamentodos equipamentos.
4.5 Efeito Distncia
Quando o pra-raios no se encontra conectado diretamente nos
terminais do equipamento aser protegido, possvel que oscilaes
provoquem tenses superiores ao nvel de proteo dopra-raios, devido
separao entre o equipamento e o pra-raios. A avaliao da elevao
datenso nos terminais dos equipamentos deve ser efetuada atravs da
utilizao de programasdigitais de transitrios, sendo esta elevao
funo da taxa de crescimento da onda de tenso,do comprimento dos
barramentos e das conexes situadas entre o pra-raios e o
transformadore das capacitncias dos equipamentos.
4.6 Margens de Proteo
A coordenao de isolamento efetuada considerando-se determinadas
relaes entre o nvelde isolamento dos equipamentos e o nvel de
proteo dos pra-raios. Geralmente, recomendada uma margem mnima de
15% na regio de impulsos de manobra e de 20% naregio de impulsos
atmosfricos. A finalidade principal para a adoo destas margens
estrelacionada com possveis deterioraes das caractersticas de
proteo dos pra-raios, devido poluio e envelhecimento, alm da
amplificao da tenso, devido impossibilidade de seconectar o
pra-raios exatamente nos terminais do equipamento a ser protegido.
Quandoestudos especficos so realizados e as sobretenses nos
terminais dos equipamentos socalculadas, esta elevao de tenso j est
includa nas sobretenses resultantes, no havendo,portanto,
necessidade de se adotarem margens de proteo elevadas para a regio
de impulsosatmosfricos.
5. Pra-raios de xido de Zinco
O desenvolvimento de resistores no lineares, baseado no xido de
zinco (ZnO), modificouinteiramente a tecnologia de construo de
pra-raios, devido a sua caracterstica no linearpermitir a fabricao
de pra-raios desprovidos de centelhadores" de qualquer espcie.
Oprocesso de conduo de corrente nos pra-raios ZnO inteiramente
diverso daquele referenteaos pra-raios convencionais, modificando
sensivelmente o procedimento tradicionalempregado nos estudos de
sobretenses. O interesse nas sobretenses no est somente na
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identificao de elevadas amplitudes, mas, principalmente, nas
sobretenses de longa durao.Outro aspecto importante que todos os
pra-raios submetidos a uma determinadasobretenso conduzem
simultaneamente, dividindo a absoro de energia. As
principaisvantagens dos pra-raios ZnO em relao aos pra-raios
convencionais so as seguintes:
- simplicidade na construo aumenta a confiabilidade;
- o nvel de proteo mais bem definido por causa da ausncia de
gaps;
- melhor desempenho sob contaminao;
- maior capacidade de absoro de energia;
- possibilidade de dividir a energia entre os diversos pra-raios
instalados na subestao;
- entra e sai de conduo suavemente.
A seleo de um pra-raios ZnO deve ser efetuada considerando-se a
tenso normal deoperao, as sobretenses de longa durao e as
sobretenses do tipo manobra, sendo a tensonormal de operao,
geralmente, a solicitao que prevalece na determinao da tensonominal
do pra-raios. As sobretenses de longa durao e as sobretenses de
manobra estomais associadas quantidade de colunas do pra-raios. A
energia absorvida por um pra-raiosde ZnO muito dependente das
caractersticas do pra-raios e dos detalhes do sistema
eltrico,inclusive, das caractersticas de outros pra-raios
conectados nas proximidades do ponto deaplicao destes pra-raios, e
s pode ser adequadamente determinada atravs de um estudode surtos
de manobra bastante criterioso.
Bibliografia
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