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

99,999

90

50

10

10,1

Corrente +

Perc

ent

100,0010,001,000,100,01

99,999

90

50

10

10,1

Corrente + - Threshold

Perc

ent

100,0010,001,000,100,01

99,99990

50

10

10,1

Corrente +

Perc

ent

100,00010,0001,0000,1000,0100,001

99,99050

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

plitu

de d

a C

orre

nte

de D

esca

rga

[kA

] Corrente(+) lognormalMédiaLim ite InferiorLim ite 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

plitu

de d

a C

orre

nte

de D

esca

rga

[kA

]

GeralNegativoPositivo

µ = 0,54 kA σ = 1,57 kA

TAXA DE FALHAS

10

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

pp: 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 A3Fabricante 2 B1 e B2Fabricante 3 C1 e C2Fabricante 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 kA 75 A

150 A 65 kA

(8 x 20 µs)

(8 x 20 µs) 2ms 2ms (8 x 20

µs)A1 0 1 0 0 0A2 0 0 0 0 0A3 0 0 0 0 0B1 0 1 0 0 3B2 0 0 0 0 1C1 0 0 0 0 0C2 0 1 0 3 0J2 0 0 0 0 1J3 0 0 0 0 1K5 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. Nunesnunesarimatea@lat-efei.org.br

Aellfclêniton M. M. Dinizmouroner@lat-efei.org.br

Manuel Luís Barreira Martinezmartinez@lat-efei.org.br

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