INTRODUÇÃO

A construção de subestações de energia no Brasil é cada vez maior uma vez que o país

experimenta um grande crescimento industrial e tecnológico necessitando assim de uma

expansão nos sistemas de abastecimento de energia elétrica, e essas subestações fazem

parte desse sistema assim como novas usinas de geração e linhas de transmissão.

As novas subestações construídas são dotadas de muitos equipamentos de alta

tecnologia, e essa tecnologia está sendo também implantada em subestações mais

antigas garantindo uma melhor qualidade, assim pode-se destacar a importância do

sistema de pára-raios que vem a atuar como um dispositivo de proteção do sistema em

geral, garantindo que este funcione de forma confiável e eficaz.

Os pára-raios também possibilitam a redução do isolamento dos dispositivos que

compõem uma subestação, estes pára-raios são constituídos de blocos resistores não

lineares que dissipam a energia de descargas atmosféricas quando a tensão nos seus

terminais excede o valor para qual ele foi projetado. Os pára-raios são também

responsáveis pela proteção da subestação dos surtos de tensão, que também podem ter

origem durante manobras de chaves seccionadoras e disjuntores.

O trabalho irá abordar dois tipos comuns de pára-raios comuns em subestações sendo

eles do tipo Franklin e outro do tipo resistor não-linear que por sua vez possui também

dois diferentes tipos sendo eles o carbonato de silício e o oxido de zinco, o

funcionamento de cada um bem como suas vantagens e desvantagens serão expostos a

seguir.

1. CONTEXTO DO TRABALHO.

O trabalho visa mostrar os principais aspectos de um sistema de pára-raios bem

como suas características construtivas e seu dimensionamento, que são fatores

determinantes para o bom funcionamento do mesmo e de todos os equipamentos

relacionados a este.

2. PÁRA-RAIOS.

Os pára-raios surgiram no século 18, quando o famoso cientista da época Benjamin

Franklin criou um dispositivo de proteção visando amenizar os efeitos causados pelos

raios.

Desde então este dispositivo nunca deixou de ser utilizado, pelo contrário, ele é cada

vez mais importante e assim pode se observar um avanço nas tecnologias ligadas a ele

que possibilitaram com que esses dispositivos se tornassem cada vez mais eficientes e

confiáveis.

Os pára-raios podem ser utilizados na proteção de vários equipamentos presentes em

uma subestação de potencia ou em um transformador de distribuição que é instalado em

um poste, eles são responsáveis por limitar a sobre tensão em um valor Maximo

especificado. Sendo o valor de proteção que o pára-raios oferece ao sistema.

2.1 PARA RAIOS EM SUBESTAÇÕES

Os pára-raios em subestações merecem uma atenção especial por serem

responsáveis por proteger uma gama maior de equipamentos, assim no seu projeto deve

se respeitar diversos aspectos para aumentar sua eficiência e assim funcionar o mais

próximo possível do formato ideal, que seria ter condução somente com valores de

tensão maiores que a tensão nominal, capacidade de manter a tensão nominal com

variações pequenas durante todo o tempo que permanecer o surto de tensão na rede e ter

a capacidade de parar de conduzir com valor de tensão muito próxima àquela que

começou a conduzir.

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A vida útil dos pára-raios gira em torno de 20 a 25 anos porem nos últimos anos

foram feitas analises nesses dispositivos que comprovaram a presença de algumas

alterações significativas nesses dispositivos afetando assim o seu desempenho

representando assim uma operação ineficaz de acordo com os valores pré-estabelecidos

de funcionamento e podem ocorrer falhas nesses dispositivos com menos de 15 anos de

operação pondo a prova sua confiabilidade.

Esse problema ocorre nos pára-raios devido à exposição desse dispositivo a

sobretensões temporárias, descargas elétricas de alta intensidade mesmo que por curta

duração, contaminação externa do invólucro por agentes químicos do ambiente,

circulação permanente de corrente de fuga e as variações climáticas como os raios

ultravioleta umidades elevadas.

3. CARACTERISTICAS CONSTRUTIVAS PÁRA-RAIOS A BASE DE

RESISTORES NÃO LINEARES.

Hoje em dia podem-se encontrar dois tipos diferentes de pára-raios no mercado,

construídos a base de resistores não lineares, possuindo cada um deles características

bem definidas, baseado no material em que são construídos, que são os pára-raios de

carboneto de silício que surgiram na década de 1930 e que depois de diversas

adaptações podem ser encontrados até os dias de hoje o outro tipo é o para-raio de oxido

metálico que surgiu na década de 70 e que hoje em dia após vários avanços em cima

deste produto representa a opção mais eficaz no quesito eficácia de confiabilidade.

3.1 PÁRA-RAIOS DE CARBONETO DE SÍLICIO

São pára-raios constituídos de carboneto de silício (SiC) que funciona como o

resistor não-linear do dispositivo, ele possui também outro dispositivo em série

chamado de centelha dor que é formado por vários GAPS (pequenos espaços), a

seguir serão apresentadas partes desse dispositivo com suas respectivas explicações

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Corpo de porcelana

No corpo de porcelana encontram-se os principais elementos ativos do pára-

raios, ele é constituído de uma porcelana vitrificada que de alta resistência

mecânica e dielétrica.

Resistores não lineares

Estes são blocos cerâmicos construídos a partir de uma mistura especifica da

matéria prima SiC, submetida a uma temperatura de 2000ºC. Assim são

formados cristais multicolores que são posteriormente triturados e

transformados em pó, a partir desse pó e a presença de um aglutinante

especifico os blocos de carboneto de silício são formados e empilhados no

interior do corpo de porcelana, sendo assim o resistor não linear.

Centelhador em série

Dispositivo constituído de um ou mais espaçadores (gaps) entre eletrodos,

que se ligam em série com os resistores não lineares e tem função de

assegurar sob quaisquer condições uma característica de disrupção regular e

extinguir rapidamente a corrente subseqüente.

Desligador automático

O desligador automático é constituído de um elemento resistivo em série

com uma cápsula explosiva protegida por um corpo de baquilete. Sua

principal utilidade é desligar o pára-raios defeituoso da rede através da sua

auto-explosão. Adicionalmente, serve como indicador visual de defeito do

próprio pára-raios.

Protetor contra sobrepressão

É um dispositivo destinado a aliviar a pressão interna devido a falhas

ocasionais do pára-raios e cuja ação permite o escape dos gases antes que

haja o rompimento da porcelana e provoque danos à vida e ao patrimônio.

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Figura 1 – pára-raios de carboneto de silício

3.2 PARA-RAIOS DE OXIDO DE ZINCO (ZnO)

São pára-raios que possuem como resistor não linear o oxido de zinco, estes não

possuem centelhadores em série.

Os resistores não lineares desse dispositivo são compostos por blocos cerâmicos

feitos a partir da mistura de diversos elementos como óxido de zinco, em maior

proporção, e outros óxidos metálicos, como o antimônio, o manganês, o bismuto e o

cobalto. O resultado dessa mistura é um pó que vem a ser prensado nas dimensões

desejadas e que posteriormente ira sofrer um tratamento térmico, o qual será submetido

a uma temperatura de 1.300ºC no intuito de tornar o bloco prensado em um elemento

cerâmico, e que por final terá suas superfícies planas cobertas por um elemento metálico

para ser testado.

Estes podem ter seu invólucro constituído de um material de porcelana ou

polimérico, e para os dois tipos de invólucros há diferentes concepções de projeto e

montagem, que são especificados no catalogo de seus fabricantes.

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Pára-raios com invólucro de porcelana

Foram os primeiros para-raios de oxido de zinco, como dito anteriormente

surgiu na década de 70, e já em 80 muitas empresas estrangeiras como as

européias americanas e japonesas já dominavam a fabricação desse

dispositivo para aplicação em subestações.

Figura 2- Pára-raios com invólucro de porcelana

Pára-raios com invólucro polimérico

Representam uma grande evolução dos sistemas de pára-raios, e são

encontrados no com presença ou não de espaçamentos de ar.

Pára-raios com espaços internos de ar

Os projetos são equivalentes aos projetos de pára-raios com invólucro de

porcelana. O invólucro polimérico é moldado e posteriormente o conjunto de

blocos de ZnO é inserido dentro do invólucro. De modo a garantir uma boa

sustentação mecânica para o pára-raios, o invólucro é composto de um tubo

de fibra de vidro de alta resistência mecânica sobre o qual o polímero é

injetado. Este tipo de projeto apresenta um espaçamento interno de ar entre a

parte interna do polímero e os blocos de ZnO, sendo necessária a utilização

de dispositivos de alívio de sobrepressão.

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Figura 3 – pára-raios com espaço interno de ar

Pára-raios sem espaços internos de ar.

Na maioria dos projetos sem espaços internos de ar, os elementos de ZnO

são envoltos em um tubo de fibra de vidro impregnado em resina epoxi. O

invólucro polimérico é geralmente aplicado sobre o tubo pelo processo de

injeção da borracha ou de moldagem.

Figura 4- pára-raios sem espaço interno de ar

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4. PÁRA-RAIOS TIPO FRANKLIN

É o aparelho utilizado para proteção de instalações elétricas contra o efeito de cargas

excessivas (sobretensões) fazendo que elas sejam descarregadas na terra e em

subestações é utilizado no topo de estruturas altas.

Esse dispositivo é dotado de um princípio conhecido como poder das pontas, segundo

este princípio, o “excesso de carga elétrica em um corpo condutor é distribuído por sua

superfície externa e se concentra nas regiões pontiagudas ou de menor raio. É nas

pontas que a energia é descarregada. Isso ocorre porque as extremidades são regiões

muito curvas e, como a eletricidade se acumula mais nessas áreas, um corpo eletrizado

dotado de pontas acumula nelas sua energia. A densidade elétrica de um corpo será

sempre maior nas regiões pontudas em comparação com as planas” [1]. 

Figura 5 – Para raio tipo Franklin Fonte:[ http://www.tel.com.br/product/captores-tipo-franklin-2-descidas/]

5. LOCALIZAÇÃO DE PÁRA-RAIOS

Para uma melhor localização dos pára-raios em relação a transformadores podemos

calcular a distancia através da seguinte formula, que oferece uma aproximação razoável

da distância correta a ser implantado esse para-raio em relação ao transformador, hoje

em dia é possível contar com a ajuda de softwares de computadores que fazem esse

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calculo levando em considerações outros aspectos garantindo maior eficiência do

sistema.

D=(Vm−VdK ) xC

Onde:

Vm - tensão máxima que se permite nos terminais do transformador, em kV, que

corresponde à tensão suportável de impulso;

Vd - tensão resultante da descarga do pára-raios, isto é, tensão residual mais a queda de

tensão nos condutores de aterramento do pára-raios;

C - constante que representa a natureza do cabo entre o pára-raios e o transformador:

Para cabos subterrâneos: C = 75

Para cabos aéreos: C = 150

K - taxa de crescimento da frente de onda, em kV/s.

6. CARACTERISTICAS PARA DIMENSIONAMENTO

Um dimensionamento levando em conta as características do sistema produz

condições mais apropriadas para a proteção dos equipamentos envolvidos e uma

melhora na relação do custo benefício.

Para uma seleção adequada do pára-raios deve se levar em considerar algumas

condições para seu dimensionamento:

A característica do pára-raios em relação às características do sistema.

A determinação do suporte de isolação.

Avaliação da coordenação de isolamento.

Atualmente os pára-raios de oxido de zinco (ZnO) são os mais utilizados na

proteção dos equipamentos, sendo que os de carboneto de silício (SiC) esta caindo em

desuso e sendo trocado pelo de oxido de zinco (ZnO).

Determinação da Tensão nominal

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A determinação da tensão nominal do pára-raios depende do tipo utilizado. Em

pára-raios com centelha a seleção da tensão nominal esta relacionada com a não

disrupção dos centelhadores para a máxima sobretensão temporária no ponto de

aplicação do pára raio e nos pára-raios de ZnO a tensão nominal escolhida é de acordo

com as características de suporte dos pára-raios a essas sobretensões.

Em pára-raios com centelhadoras a tensão nominal é calculada da seguinte

forma:

Vn ≥TOVsist

Vn: tensão nominal;

TOV: sobretensão temporária;

E em pára-raios sem centelhadoras a tensão nominal é calculada da seguinte

forma:

MCOV ≥ Umax . sist .

MCOV: Máxima tensão continua de operação.

Umax.sist.: Máxima tensão operativa do sistema.

Os pára-raios sem centelhadora apresentam um valor limite da tensão eficaz de

freqüência fundamental que pode ser aplicada de forma continua nos seus terminais sem

que haja alterações no seu desempenho, assim este valor é definido como Máxima

Tensão Continua de Operação (MCOV). Devido à capacidade de absorção dos

varistores é possível que tenha um acumulo de energia devido à sobretensões

temporárias e tenha capacidade de dissipar sem afetar seu desempenho. Para esta

característica tem definida uma curva denominada “Tensão de freqüência nominal x

tempo” que depende das propriedades dos varistores envolvidos.

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Gráfico 6 – Tensão de freqüência nominal x tempo

Assim ao utilizar um pára-raios sem centelhas é preciso garantir que a Máxima

Tensão Continua de Operação (MCOV) seja igual ou superior a máxima tensão

operativa do sistema no ponto de aplicação do pára-raios, também garantir que a tensão

de freqüência nominal x tempo tem que exceder a característica da amplitude da

sobretensão temporária versus duração para o sistema.

Corrente de descarga nominal

Em subestações conectadas a linhas blindadas:

Imax=Ic=(2,4.U −Vr)/ Z

Imax: corrente de descarga que flui pelo pára-raios, em amperes.

Ic: corrente de coordenação do pára-raio.

U: tensao de disruptiva crítica de polaridade negativa

Vr: tensão residual do pára-raios para impulso atmosfericos

Z: Impedância do surto monofásica da linha, em ohms.

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Esta formula leva em consideração que a descarga disruptiva da linha aconteceu

de uma distância substancial da subestação, ou que os condutores fase são afetados sem

que haja uma descarga disruptiva na cadeia de isoladores.

Quando há uma extensão de linha sem blindagem provavelmente acontecera

uma maior corrente circulando na direção dos pára-raios, podemos levar em conta os

seguintes critérios:

A densidade de descargas para a terra da região;

Descarga que pode exceder o valor determinado;

O percentual da corrente total que descarrega nos pára-raios;

Linhas sem qualquer blindagem são geralmente limitadas a linhas com tensões

nominais mais baixas (69 kV e abaixo), e/ou linhas localizadas em áreas de baixa

densidade de descargas atmosféricas para a terra. A probabilidade dos pára-raios

instalados em subestações de baixa tensão estarem sujeitos a altas correntes e taxas de

crescimento pode ser elevada em áreas da alta densidade de descarga atmosférica para a

terra. Nestes casos, a corrente de coordenação não deve ser inferior a 20.000 A. Para

linhas localizadas em áreas de baixa densidade de descarga atmosférica para terra, as

correntes de coordenação podem ser similares àquelas para linhas completamente

blindadas em áreas de alta densidade de descargas para terra. A experiência prática tem

demonstrado que pára-raios com corrente de descarga nominal de 10 kA têm sido

freqüentemente utilizados pelas empresas concessionárias de energia em sistemas com

tensão operativa até 362 kV. Acima desse nível de tensão, tem-se utilizado somente

pára-raios de 20 kA. No caso de sobretensões de manobra, a corrente conduzida por um

pára-raios é uma função complexa das características do pára-raios e do sistema.

A impedância efetiva vista pelo pára-raios durante um surto de manobra pode

variar desde algumas centenas de ohms para uma linha aérea, até dezenas de ohms para

pára-raios conectados próximos a cabos isolados e grandes bancos de capacitores.

Nestes dois casos, a corrente do pára-raios e a energia resultante variam

significativamente para uma dada amplitude e duração de surto de manobra.

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Capacidade de absorção de energia dos pára-raios

Além de suportarem as energias provenientes das sobretensões temporárias, os

pára-raios instalados nos sistemas elétricos devem ser capazes de absorver as energias

provenientes das sobretensões transitórias que ocorrem nos sistemas, causadas por:

Energização ou religamento de linhas longas;

Abertura de bancos de capacitores ou cabos, através de disjuntores que

permitam o reacendimento (restrike);

Descargas atmosféricas diretas sobre os condutores fase das linhas aéreas de

transmissão ou de descargas sobre as estruturas próximas às subestações ou

sobre os cabos pára-raios, provocando descargas de retorno “backflashover”

Nas cadeias de isoladores.

Um fator importante que deve ser considerado quando do estudo da absorção de

energia devido a manobras de bancos de capacitores, é a relação entre a capacidade de

absorção de energia e a corrente de descarga que flui pelo pára-raios, pois a partir de

uma dada corrente de descarga (definida pelos fabricantes) há uma redução na

capacidade de absorção de energia dos pára-raios.

Pára-raios instalados na entrada das subestações podem ser submetidos a

maiores níveis de energia quando do aumento da isolação das linhas. O nível de

proteção do pára-raios é normalmente avaliado pelo nível de proteção contra impulso

atmosférico. Sua avaliação é feita de acordo com a tensão residual enquanto a corrente

nominal de descarga esta fluindo.

Com um fator de segurança (Ks) para que o pára-raios atue de forma eficaz é

necessário que atue com no mínimo 1,15 entre o padrão de tensão suportável de impulso

atmosférico do equipamento a ser protegido e a maior sobretensão proveniente de

descargas atmosféricas previstas que ocorra nos seus terminais.

Quando o pára-raios está próximo de dispositivos que serão protegidos, um nível

adequado de tensão residual é calculado através da razão entre o padrão de tensão

suportável de impulso atmosférico do equipamento a ser protegido é 1,4.

A tensão residual proveniente do impulso de manobra normalmente é um valor

de 75% a 90% da tensão residual do impulso atmosférico de 10kA.

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As características de proteção dos pára-raios devem ser definidas em função dos

níveis de suportabilidade dos equipamentos a serem protegidos; do grau de importância

dos equipamentos e das linhas onde os pára-raios serão aplicados e do tipo de instalação

do pára-raios em relação ao equipamento a ser protegido. Isto visa garantir uma

proteção adequada aos equipamentos contra surtos atmosféricos e de manobra. Os

níveis de proteção oferecidos pelos pára-raios são apresentados nos catálogos dos

fabricantes. Pode-se dizer que praticamente todos os pára-raios de ZnO, sejam de

invólucro polimérico ou de porcelana, apresentam seus níveis de proteção dentro da

faixa de valores máximos sugerida pela IEC 60099.4/01. Estes níveis garantem, via de

regra, uma proteção adequada aos equipamentos protegidos tomando-se os cuidados

necessários com os efeitos dos cabos de ligação entre os pára-raios e os equipamentos

protegidos, principalmente em regiões onde há a possibilidade da incidência de

correntes de elevadas amplitudes e/ou elevadas taxas de crescimento. Quanto aos pára-

raios com centelhadores ainda hoje em operação e comercializados, não se tem uma

garantia absoluta dos seus níveis de proteção, apesar dos limites definidos em norma.

Casos mais críticos são observados em pára-raios com tempos de instalação superiores

há 10 anos.

Condições ambientais

Devemos considerar as seguintes condições ambientais de níveis de poluição,

aplicados a invólucros de porcelana, são definidos pela norma técnica IEC 60.815,

abrangendo quatro níveis:

Nível de poluição leve: distância de escoamento de 16 mm / kVfase-fase

Nível de poluição moderado: distância de escoamento de 20 mm / kVfase-

fase

Nível de poluição alto: distância de escoamento de 25 mm / kVfase-fase

Nível de poluição muito alto: distância de escoamento de 31 mm / kVfase-

fase.

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CONCLUSÃO

Após a apresentação do trabalho foi possível entender melhor o funcionamento

dos pára-raios em subestações e também sua importância para proteção dos

equipamentos ali presentes.

Através da analise de todos os componentes presentes no pára-raios foi possível

também observar que se trata de um dispositivo complexo e que merece bastante

atenção para seu dimensionamento em um projeto de subestação.

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REFERÊNCIAS

[1] [http://para-raio.info/mos/view/O_Poder_das_Pontas/ Acesso dia 04/05/13]

ELETROBRAS - Norma técnica – Especificações técnicas de pára-raios de oxido de zinco

SUBESTAÇÃO – Gilmario dos A. Lima – Pesqueira PE Janeiro 2007

ENSAIOS E AVALIAÇÃO ELETRICA DE UM NOVO PROJETO DE PÁRA-RAIOS PARA SISTEMA DE

DISTRIBUIÇÃO EM MÉDIA TENSÃO – Programa de pós-graduação em engenharia Elétrica

Universidade Federal de Itajubá – Aellfclêniton M. M. Diniz.

CELG D -Norma técnica – Pára-raios a Óxido Metálico sem Centelhadores – Especificação

NTC13 – Revisão 4

NBR 5309 – Pára-raios de resistor não linear a carboneto de silício (SiC) para circuitos de

potência de corrente alternada

COLETÂNEA SOBRE DIMENSIONAMENTO DE COMPONENTES DE UMA SUBESTAÇÃO E ESTUDO

DE CASO – Universidade Federal de Goiás - Igor Lopes Mota – Goiânia 2010

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