Efeitos dos esforços causados pelas descargas atmosféricas em componentes de um DPS

Edição 120 – Janeiro de 2016
Por Jobson Modena

Basicamente, esses esforços dependem do tipo de DPS considerado, com atenção especial à presença ou ausência de certos componentes.

Quando um centelhador compõe o DPS, ele está sujeito basicamente a dois tipos de fenômenos que levarão este componente ao fim de sua vida útil devido aos efeitos relacionados com os principais parâmetros da corrente da descarga atmosférica: a erosão dos eletrodos que formam o gap, causada por aquecimento, e os esforços mecânicos oriundos da onda de choque do raio. Neste caso espera-se que um DPS com centelhador seja ensaiado pelo fabricante de maneira que o centelhador seja solicitado mais próximo possível dos parâmetros mais críticos de corrente impulsiva, isto é, todos os parâmetros adequados devem ser aplicados por meio de um estresse elétrico único.

São cinco os parâmetros que devem ser considerados: o valor de pico, a carga, a duração, a energia específica e a taxa de subida do impulso de corrente.

– O valor de pico de corrente determina a severidade da onda de choque. Os valores numéricos a serem considerados são aqueles pertinentes à primeira componente positiva do raio.

– A carga determina a entrada de energia no arco. A energia do arco é responsável por aquecer, fundir e possivelmente vaporizar parte do material do eletrodo no ponto de contato do arco. Os valores numéricos a serem considerados são aqueles pertinentes à descarga atmosférica completa. Entretanto, a carga da componente de longa duração da corrente pode ser desprezada em muitos casos, dependendo da configuração do esquema de aterramento (TN, TT ou IT) utilizado no circuito onde o DPS está instalado.

– A duração do impulso de corrente controla o fenômeno de transferência de calor para a massa do eletrodo e a consequente propagação da frente de onda de fusão.

– A energia específica do impulso de corrente determina a auto compressão magnética do arco e a física dos jatos de plasma no eletrodo desenvolvidos na interface entre a superfície do eletrodo e o arco (os quais podem expelir uma significante quantidade de material fundido). Os valores considerados são pertinentes à primeira componente positiva do raio.

Já se o DPS contém varistores de óxido metálico, os esforços causados pelas descargas atmosféricas podem ser divididos em duas categorias principais: sobrecarga e descarga disruptiva. Cada categoria é caracterizada pelos modos de falha gerados por diferentes fenômenos e envolvidos com diferentes parâmetros. A falha de um varistor de óxido metálico é relacionada com as suas características mais fracas, sendo, portanto, improvável que ocorra simultaneidade entre diferentes esforços danosos, assim, é aceitável realizar ensaios separados para verificar o comportamento em cada condição de falha.

– Sobrecargas são causadas por uma quantidade de energia absorvida que excede a capacidade do dispositivo. O excesso de energia considerado aqui é relacionado aos próprios esforços impostos pela descarga atmosférica. Entretanto, para DPS conectado aos sistemas de fornecimento de energia, a corrente subsequente injetada no dispositivo pelo sistema de potência imediatamente após a passagem da corrente impulsiva pode também contribuir para a queima do varistor.

– A instabilidade térmica sob a tensão aplicada relativa ao coeficiente de temperatura negativo das características volt-ampère dos resistores é a segunda causa de dano. Para a simulação de sobrecarga de varistores de óxido metálico, o parâmetro principal a ser considerado é a carga, a qual determina a entrada de energia no bloco do resistor de óxido-metálico, considerando a tensão residual constante. Descargas disruptivas e trincas são causadas pela amplitude dos impulsos de corrente que excederem as capacidades dos resistores.

Para a simulação do fenômeno da descarga atmosférica, dois parâmetros principais devem ser considerados: o valor máximo e a duração do impulso de corrente.

– O valor máximo do impulso de corrente determina, por meio do nível de tensão residual correspondente, se o esforço dielétrico máximo na isolação do resistor é excedido. Os valores numéricos a serem considerados são aqueles pertinentes à primeira componente positiva do raio.

– A duração dos impulsos de corrente determina a duração da aplicação dos esforços dielétricos na isolação do resistor.