Proteção contra sobretensão de origem atmosférica

Edição 101 – Junho de 2014
Aula prática – SPDA
Por Andrea Maria de Lima*

Como realizar a devida proteção com a ajuda de equipamentos e dispositivos instalados na parte interna ou externa das edificações.

Com a constante evolução das instalações elétricas desde o descobrimento da eletricidade, a complexidade das instalações aumentou exponencialmente e, com isso, a necessidade da realização de um maior número de funções, controle de processos e os aspectos relacionados às edificações ficaram mais complexos, exigindo equipamentos cada vez mais caros, sendo necessário prover uma proteção completa para as instalações elétricas. Pensando nas proteções, foram criados os dispositivos para proteger os equipamentos/pessoas/instalações contra distúrbios que possam aparecer na rede. São eles:

– Disjuntores para proteção contra sobrecarga e curtos-circuitos;
– Interruptores diferenciais residuais (DR) para proteção contra choques elétricos e incêndios;
– Dispositivos de proteção contra surtos (DPS) para proteção contra sobretensões.

Este artigo será dedicado à proteção contra sobretensão de origem atmosférica, enfatizando, então, a utilização do dispositivo de proteção contra surtos (DPS).

Constantemente são formadas milhares de tempestades ao redor do mundo, as quais são acompanhadas por descargas atmosféricas (raios). A descarga atmosférica é um fenômeno natural que gera sobretensões transitórias com consequências destrutivas, resultando em vítimas fatais e em bilhões de gastos com a reparação dos danos causados pelas descargas atmosféricas.

Raios também causam um grande número de incêndios, geralmente em áreas agrícolas (destruindo casas ou tornando-as inabitáveis). Edifícios altos são especialmente propensos a descargas atmosféricas.

A sobretensão nada mais é do que um pulso ou uma onda de tensão que se sobrepõe à tensão nominal da rede. A sobretensão perturba os equipamentos e produz radiação eletromagnética. Além disso, a duração da sobretensão provoca um pico de energia nos circuitos elétricos, o qual pode destruir equipamentos.  Quatro tipos de sobretensão podem perturbar as instalações elétricas e cargas: 

• Sobretensões de manobra: sobretensões de alta frequência ou causadas por uma alteração no regime estabelecido de uma rede elétrica (durante a manobra de um equipamento);
• Sobretensões de frequência industrial: sobretensões da mesma frequência da rede (50 Hz, 60 Hz ou 400 Hz) causadas por uma alteração permanente do estado da rede (segundo uma falha: falha de isolamento, falha de um condutor neutro, etc.);
• Sobretensões causadas por descarga eletrostática: sobretensões de duração muito curta (alguns nanossegundos) de frequências muito altas, causadas por descarga de cargas elétricas acumuladas (por exemplo, uma pessoa caminhando sobre um carpete com um sapato isolado está carregada eletricamente com uma tensão de diversos quilovolts);
• Sobretensões de origem atmosférica: raios produzem uma energia elétrica impulsional extremamente importante, de milhares de ampères (e milhares de volts), de alta frequência (aproximadamente um megahertz), de curta duração (de um microssegundo a um milissegundo).

Estas sobretensões possuem diferentes modos de propagação:

• Modo comum: aparecem entre os condutores vivos e a terra: fase-terra ou neutro-terra;
• Modo diferencial: aparecem entre condutores vivos: fase-fase ou fase-neutro.

Impacto do raio nas instalações elétricas

Descargas atmosféricas danificam sistemas elétricos e eletrônicos (transformadores, medidores e eletrodomésticos) em instalações elétricas residenciais e industriais. É muito elevado o custo dos reparos com os danos causados pelas descargas atmosféricas como também é difícil estimar as consequências de:

• Perturbações causadas a computadores e redes de telecomunicações;
• Falhas geradas no funcionamento dos programas dos controladores lógicos programáveis e sistemas de controle.

Além disso, o custo das perdas operacionais pode ser muito maior do que o valor do equipamento destruído. As sobretensões de origem atmosférica são eliminadas com a ajuda de alguns dispositivos de proteção específicos.

As redes de sinais são afetadas da mesma maneira que as instalações elétricas de baixa tensão.

Descargas atmosféricas podem afetar as instalações elétricas (e/ou comunicações) de uma edificação de duas maneiras:

• Impacto direto da descarga atmosférica na edificação, o que chamamos de descarga direta;
• Impacto indireto da descarga atmosférica na edificação, o que chamamos de descargas indiretas:
  • Uma descarga atmosférica pode atingir a rede elétrica aérea de alimentação de uma edificação. A sobretensão pode se propagar por vários quilômetros a partir do ponto de impacto;
  • Uma descarga atmosférica pode cair próxima a uma linha de energia elétrica e a radiação eletromagnética da corrente da descarga atmosférica induz uma corrente elevada e uma sobretensão na rede de alimentação de energia elétrica.

Nos últimos dois casos, as correntes e as tensões perigosas são transmitidas pela rede de alimentação de energia elétrica. Uma descarga atmosférica também pode cair próxima a uma edificação, fazendo que o potencial de terra ao redor do ponto de impacto aumente perigosamente.

Características da onda da descarga atmosférica

Analisando os tipos de ondas de corrente e tensão das descargas atmosféricas, temos:

• Onda de 10/350 μs: caracterizam ondas de corrente de uma descarga atmosférica direta;
• Onda de 8/20 μs: caracterizam ondas de corrente de uma descarga atmosférica indireta.

Estes dois tipos de onda de corrente de descarga atmosférica são utilizados para os testes dos DPSs (norma ABNT NBR IEC 61643-1) e imunidade de equipamentos a correntes de descarga atmosférica. O valor da crista de onda de corrente caracteriza a intensidade da descarga atmosférica.

• As sobretensões geradas por descargas atmosféricas são caracterizadas por uma onda de tensão de
  1,2/50 μs. Este tipo de onda de tensão é utilizado para verificar a suportabilidade de equipamentos a sobretensões de origem atmosférica (tensões de impulso de acordo com a norma IEC 61000-4-5).

Como realizar a proteção contra as descargas atmosféricas?

Para responder às diferentes necessidades nas instalações elétricas, a proteção contra os efeitos diretos e indiretos das descargas atmosféricas pode ser realizada com a ajuda de equipamentos/dispositivos a serem instalados na parte externa ou interna das edificações.

• Na parte externa pode ser adotado um Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA), que é utilizado para evitar os incêndios e as degradações que poderão ser ocasionadas por um impacto direto da descarga atmosférica sobre a edificação (para-raio, gaiola de Faraday).

• Na parte interna da edificação são utilizados Dispositivos de Proteção contra Surtos (DPS) para proteger as instalações elétricas e os equipamentos eletroeletrônicos. Vale lembrar que o DPS não protege contra sobretensões temporárias, somente transitórias. A função do DPS é escoar a sobretensão causada pela descarga atmosférica e limitar a sobretensão a um valor que não seja perigoso para a instalação elétrica e equipamentos.

Conforme o item 5.4.2 da ABNT NBR 5410, “Proteção contra sobretensões transitórias”, a proteção com DPS deve ser realizada em alguns casos:

• Instalação alimentada por linha aérea (total ou parcialmente) e situada em região de influências externas AQ2 (mais de 25 dias de trovoadas por ano – tabela 15 da ABNT NBR 5410), sujeita aos efeitos das descargas indiretas;
• Instalação em região de influências externas AQ3 (riscos pela exposição dos componentes da instalação), sujeita aos efeitos das descargas diretas.

Nota: a proteção contra sobretensões pode ser omitida se as consequências forem calculadas e assumidas, pensando na parte material, mas, caso as consequências resultem em risco direto ou indireto para a segurança e saúde das pessoas, esta proteção não deverá ser omitida.

Componentes de um DPS

Os dispositivos de proteção de surto (DPS) usam diferentes tecnologias adaptadas para cada efeito de descarga atmosférica. O DPS é basicamente constituído por:

1. um ou mais componentes não lineares: a parte viva (varistor, centelhador, etc.);
2. um dispositivo de proteção térmica (desconector interno) que protege o DPS ao final da vida útil (DPS com varistor);
3. um indicador que sinaliza o fim da vida útil do DPS. Alguns DPS permitem a sinalização remota do fim da vida útil;
4. um dispositivo de proteção contra curto-circuito (DPCC) externo, que assegura sua proteção contra os curtos-circuitos (este dispositivo pode ser integrado no DPS).

Spark gap

• Tipo chaveamento de tensão: dispositivo spark gap (centelhador) é principalmente usado contra efeito de descarga direta:
  • Possui uma alta impedância quando não tem presença de sobretensão, mas altera rapidamente para um valor de impedância muito baixo em resposta a uma sobretensão elevada;
  • É principalmente usado contra descargas atmosféricas diretas;
  • É apto a chavear uma alta corrente para a terra (equivalente a um curto-circuito).

Varistor

• Tipo limite de tensão: varistor ou diodo ceifador (semicondutor) principalmente usado contra efeito de descarga indireta:
  • Tem uma alta impedância quando não tem presença de sobretensão, contudo, possui relação inversa com a corrente e tensão (redução da impedância com o aumento da corrente e tensão);
  • Limita a tensão para um valor padrão máximo (Up) para qualquer corrente < ao valor de descarga nominal (In).

O DPS pode ser construído utilizando uma ou mais tecnologias:

Os DPS são instalados em trilho DIN e no mercado podemos encontrar nas versões:

• 1P, 1P+N, 2P, 3P, 3P+N e 4P;

• Classe I, Classe II, Classe I+II em um único dispositivo e Classe III.

Existem três classes de DPS:

• Classe I – destinado à proteção contra sobretensões causadas por descargas atmosféricas diretas, com uma grande capacidade de escoamento, recomendado para instalações em locais de alta exposição a descargas atmosféricas na entrada da distribuição elétrica das edificações com SPDA.  O DPS Classe I é caracterizado por uma onda de corrente 10/350 µs;

• Classe II – com uma capacidade de escoamento menor que o da Classe I, é recomendado para proteção das instalações elétricas e equipamentos eletroeletrônicos em edificações sem SPDA, mas que podem sofrer os efeitos indiretos das descargas atmosféricas. O DPS Classe II é caracterizado por uma onda de corrente 8/20 µs;

• Classe III – os DPSs desta classe são destinados &agrav

e; proteção fina dos receptores sensíveis (computadores, etc.), possuem uma capacidade baixa de escoamento e devem ser instalados à jusante de um DPS Classe II.  O DPS Classe I é caracterizado por uma onda de corrente combinada 1,2/50 µs e 8/20 µs.

Características comuns

A norma ABNT NBR IEC 61643-1 define as características e os testes para DPS conectados a redes de distribuição de baixa tensão.

• Uc: tensão máxima em regime permanente

Esta é a tensão CA ou CC acima da qual o DPS torna-se ativo. Este valor é escolhido segundo a tensão da rede e a disposição do esquema de aterramento.

• Up: nível de proteção

Esta é a tensão máxima nos bornes do DPS, quando ativo. Esta tensão é atingida quando a corrente fluindo pelo DPS for igual a In. O nível de proteção de tensão escolhido deve ser inferior à suportabilidade das cargas a sobretensão. Na ocorrência de descargas atmosféricas, geralmente, a tensão nos bornes do DPS permanece menor do que Up.

• In: corrente de descarga nominal

Este é o valor de crista da corrente de descarga de forma de onda 8/20 μs que o DPS pode descarregar 15 vezes.

DPS Classe I

• Iimp: corrente impulsional de descarga

Equivale ao valor de crista da corrente, de forma de onda de 10/350 μs que o DPS pode escoar 5 vezes. Aplicável somente à tecnologia spark gap. Esta corrente deve ser sempre superior à corrente presumida de curto-circuito no ponto da instalação.

DPS Classe II

• Imáx: corrente máxima da descarga

Este é o valor de crista de uma corrente de forma de onda de 8/20 μs que o DPS é capaz de escoar uma vez.

DPS Classe III

• Uoc: tensão de curto-circuito aplicada durante testes de classe III.

Os três tipos de classe não são comparáveis, cada uma possui sua particularidade.

Onde instalar e como selecionar?

A classe do DPS a ser instalada na origem da instalação depende da presença ou não de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA). Se a edificação possuir um SPDA (conforme IEC 62305), um DPS Classe I deverá ser instalado.

Conforme item 6.3.5.2.1 – “Uso e localização dos DPSs”, da norma ABNT NBR 5410, existem alguns critérios a serem seguidos:

“a) quando o objetivo for a proteção contra sobretensões de origem atmosférica transmitidas pela linha externa de alimentação, bem como a proteção contra sobretensões de manobra, os DPSs devem ser instalados com o ponto de entrada da linha na edificação ou no quadro de distribuição principal, localizado o mais próximo possível do ponto de entrada; ou

b) quando o objetivo for a proteção contra sobretensões provocadas por descargas atmosféricas diretas sobre a edificação ou em suas proximidades, os DPSs devem ser instalados no ponto de entrada da linha na edificação.”

• Quando existir SPDA na edificação, deverão ser instalados DPSs Classe I (efeitos diretos) e Classe II (efeitos indiretos) no quadro principal e DPS Classe II nos quadros terminais.

• Quando não existir SPDA na edificação, deverá ser instalado o DPS Classe II nos quadros de distribuição e se existir equipamentos sensíveis instalados a mais de 30 m do quadro que contém o DPS Classe II, deverá ser instalado um DPS Classe III o mais próximo possível ao equipamento sensível.

O número de DPSs adicionais a serem instalados é determinado por:

• Tamanho do local e a dificuldade de assegurar a equipotencialidade. Em locais grandes, é essencial instalar um DPS na entrada de cada quadro terminal;
• Distância que separa cargas sensíveis a serem protegidas pelo dispositivo de proteção de entrada. Quando as cargas estiverem situadas a mais de 30 m do dispositivo de proteção de entrada Classe II, será necessário prover proteções finas o mais próximo possível das cargas sensíveis;
• Risco de exposição. No caso de um local muito exposto, deve ser instalado um DPS Classe I e um DPS Classe II.

Os DPSs devem estar em conformidade com a norma ABNT NBR IEC 61643-1 e selecionados conforme descrito no item 6.3.5.2.4 “Seleção dos DPS” da norma de instalações de baixa tensão, que menciona as seguintes características:

• Nível de proteção U_p

A seção 5.4.2.3 da norma ABNT NBR 5410, “Seleção dos componentes da instalação sob o critério de suportabilidade às sobretensões transitórias”, auxilia na seleção do nível de proteção Up para DPS em função das cargas a serem protegidas.

De acordo com o item 6.3.5.2.4, “Seleção dos DPS”, da mesma norma, alínea “a) nível de proteção (Up) – O nível de proteção do DPS deve ser compatível com a categoria II de suportabilidade a impulsos indicada na tabela 31. No caso de conexões conforme o esquema 3, o nível de proteção exigido refere-se ao nível global, isto é, entre fase e PE. Quando o nível de proteção exigido, qualquer que seja o esquema de conexão, não puder ser atendido com um só conjunto de DPS, devem ser providos DPSs suplementares, devidamente coordenados, de modo que o nível de proteção requerido seja satisfeito”

• Máxima tensão de operação contínua Uc

Dependendo da disposição do esquema de aterramento, a tensão máxima de operação contínua Uc do DPS deve ser igual ou superior aos valores exibidos na tabela 49 da norma ABNT NBR 5410.

• Número de polos:

Dependendo do esquema de aterramento, é necessário prover uma arquitetura de DPS que garanta proteção em modo comum (MC) e modo diferencial (MD).

• Corrente nominal de descarga e corrente de impulso (Iimp)

Segundo o item 6.3.5.2.4 da norma ABNT NBR 5410, a corrente de impulso Iimp não deve ser inferior a
12,5 kA (forma de onda 10/35 µs) para cada modo de proteção.

• Corrente nominal de descarga (In)

Segundo o item 6.3.5.2.4 da ABNT NBR 5410, a corrente nominal de descarga In não deve ser inferior a 5 kA (8/20 µs) para cada modo de proteção.

• Lembrando que, para determinar a intensidade do DPS destinado à proteção de uma instalação elétrica contra os efeitos das descargas atmosféricas (baixo risco, médio risco e alto risco), é necessário levar em conta os critérios próprios do local e as características dos equipamentos a serem protegidos. Temos de avaliar:
  • a probabilidade de queda de raios no local;
  • a natureza da rede;
  • a presença de para-raio na instalação;
  • o custo e a sensibilidade dos equipamentos;
  • o custo da parada do equipamentos.

Conexão

Conexões de um DPS às cargas devem ser as mais curtas possíveis, de modo a reduzir o valor do nível de proteção (Up instalada) nos bornes do equipamento protegido. O comprimento total das conexões do DPS à rede e ao bloco de bornes de terra não deve exceder 50 cm.

Uma das características essenciais para proteção do equipamento é o nível de proteção máxima da tensão (Up instalada) que o equipamento pode suportar nos seus bornes. Consequentemente, um DPS deve ser escolhido com um nível de proteção Up adaptado para proteção do equipamento. O comprimento total dos condutores de conexão é L = L1+L2+L3 (Figura 7).

Para correntes de alta frequência, a impedância por unidade de comprimento é de aproximadamente 1 μH/m. Portanto, aplicando a lei de Lenz a esta conexão: ΔU = L di/dt. A corrente de forma de onda 8/20 μs normalizada, com uma amplitude de corrente de 8 kÂ, cria, consequentemente, um aumento de tensão de 1.000 V por metro de cabo.

ΔU = 1 x 10-6 x 8 x 103 / 8 x 10-6 = 1.000 V

Como resultado, a tensão entre os bornes do equipamento, Up instalada, é:

Up instalada = Up + U1 + U2

Se L1+L2+L3 = 50 cm e a forma de onda é 8/20 μs com amplitude de 8 kÂ, a tensão entre os bornes do equipamento será de Up + 500 V.

Seção do condutor

A ABNT NBR 5410 recomenda a seção mínima na entrada da instalação de acordo com os critérios a seguir:

• Se o DPS for instalado no ponto de entrada da linha elétrica da edificação ou em suas proximidades: no mínimo 4 mm²;
• Se o DPS instalado for para proteção contra as descargas diretas na edificação: mínimo 16 mm².

Dispositivos de desconexão dos DPSs

Um dispositivo de desconexão (disjuntor) é necessário para garantir a segurança da instalação. Cada DPS deve obrigatoriamente ser associado a um dispositivo de desconexão à montante em série.

Este dispositivo assegura:

• Continuidade de serviço quando o DPS chegar ao fim de sua vida;
• Isolar facilmente o DPS, quando for substituído preventivamente.

Após determinado o tipo de DPS adaptado à instalação, é necessário escolher um dispositivo de desconexão (disjuntor) apropriado. A capacidade de interrupção deve ser compatível com a capacidade de interrupção no ponto da instalação e também totalmente coordenado com o DPS. O fabricante deve garantir esta coordenação e fornecer uma lista de escolha para os quais os testes foram realizados.

Indicação de fim de vida útil

Indicadores de fim de vida útil estão associados aos desconectores interno e externo do DPCC do DPS para informar ao usuário que o equipamento não está mais apto a proteger a instalação contra sobretensões de origem atmosférica.

A indicação de fim de vida útil é fornecida por um indicador (luminoso ou mecânico) no frontal do DPS. Esta função geralmente é exigida pelas normas de instalação. 

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Referências bibliográficas 

• ABNT NBR 5410: Instalações elétricas de baixa tensão.
• Electrical installation guide, Technical collection, Schneider Electric, 2010.
• Catálogo “Acti9 – A eficiência que você merece”, Schneider Electric, 2010.

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*Andrea Maria de Lima é engenheira de aplicação da Schneider Electric.

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