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III Aplicao de pra-raios

Neste captulo sero apresentadas informaes referentes as terminologiasaplicadas aos pra-raios e a sua classificao, aspectos referentes ao princpio defuncionamento dos diferentes tipos de pra-raios, sua aplicao na proteo dossistemas e aspectos da especificao, seleo e aplicao dos pra-raios.

III.1 Terminologia aplicada aos pra-raios

III.1.1 Tenso nominal:

A tenso nominal de um pra-raios o valor de tenso de freqnciaindustrial para o qual o pra-raios projetado, sendo utilizada como umparmetro de referncia para a especificao das caractersticas deproteo e de operao dos pra-raios. Geralmente a tenso nominal olimite para as sobretenses dinmicas permissveis no sistema, sendopermitido ultrapassar este valor somente nas condies estabelecidasexplicitamente pelo fabricante do pra-raios considerado.

Em pra-raios com centelhadores, a tenso nominal definida como amxima tenso eficaz de freqncia fundamental que pode ser aplicadacontinuamente entre os terminais de um pra-raios e para o qual esse deveoperar corretamente sem modificar as suas caractersticas de operao.Com este valor de tenso aplicado a seus terminais, o pra-raios submetido ao ensaio de ciclo de operao.

Em pra-raios de ZnO sem centelhadores, a tenso nominal consiste novalor de tenso eficaz a freqncia fundamental que aplicado aosterminais do pra-raios e para o qual o pra-raios projetado para operarcorretamente e manter a sua estabilidade trmica sob condies desobretenso temporria durante 10 segundos, aps a absoro de umaenergia prvia, conforme estabelecido no ensaio de ciclo de operao.

III.1.2 Mxima tenso contnua de operao (MCOV):Consiste no maior valor eficaz de tenso de freqncia fundamental queaplicada aos terminais dos pra-raios de ZnO sem centelhadores, permiteque esse opere continuamente sem alterao das suas propriedadestrmicas e eltricas.

III.1.3 Corrente de referncia

A corrente de referncia consiste no valor de crista (em caso de assimetriao maior valor entre as duas polaridades) da componente resistiva dacorrente de freqncia fundamental utilizada para determinar a tenso de

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referncia do pra-raios. Valores tpicos para a amplitude da corrente dereferncia esto compreendidos na faixa de 1 mA a 20 mA.

III.1.4 Tenso de referncia:

A tenso de referncia consiste no valor de crista da tenso de freqnciafundamental dividida por 2 que aplicada aos terminais do pra-raiosquando por este flui a corrente de referncia. A definio da tenso dereferncia aplicada somente a pra-raios de ZnO sem centelhadores,sendo utilizado como parmetro para a especificao das caractersticas deoperao desses pra-raios.

A medio da tenso de referncia utilizada para a seleo das amostrasnos ensaios de ciclo de operao, caracterstica tenso de freqnciafundamental versus tempo e corrente suportvel de longa durao.

III.1.5 Disrupo:

Descarga disruptiva entre todos os eletrodos utilizados na montagem docentelhador srie do pra-raios.

III.1.6 Tenso disruptiva:

A tenso disruptiva de um pra-raios consiste no valor de crista da tensode ensaio, que aplicada aos terminais de um pra-raios causa a suadisrupo. A tenso disruptiva est relacionada com a freqnciafundamental, impulso atmosfrico e impulso de manobra, sendo aplicadasomente a pra-raios com centelhadores srie (SiC e ZnO comcentelhadores).

Tenso disruptiva de frequncia fundamental:

Valor da tenso de freqncia fundamental, medida como o valor de cristadividido por 2 que causa a disrupo dos centelhadores srie.

Tenso disruptiva de impulso:

Maior valor de tenso de impulso atingido antes da disrupo, quando aosterminais de um pra-raios com centelhadores aplicado um impulso detenso com forma de onda, amplitude e polaridade preestabelecidos. Esteconceito aplicvel a impulsos atmosfricos e de manobra.

III.1.7 Corrente de descarga

Consiste na corrente de impulso que flui atravs do pra-raios, sendocaracterizada pela sua forma de onda, amplitude e polaridade.

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No caso dos pra-raios com centelhadores essa corrente apareceimediatamente aps a disrupo dos centelhadores srie.

III.1.8 Corrente de descarga nominal do pra-raios:

Valor de crista da corrente de descarga com impulso de forma 8/20 s que utilizada para classificar o pra-raios. Em pra-raios com centelhadores com essa corrente que se inicia a corrente subsequente no ensaio de ciclode operao.

III.1.9 Tenso residual:

Consiste no valor de crista da tenso que aparece entre os terminais de umpra-raios durante a passagem da corrente de descarga, sendo a suaamplitude funo de dois fatores:

da forma de onda e da taxa de crescimento da corrente; da amplitude da corrente de descarga.

No caso dos pra-raios com centelhadores, a tenso residual consiste natenso total que aplicada aos terminais do pra-raios aps a descargadisruptiva dos centelhadores.

Em pra-raios sem centelhadores, a tenso residual serve para definir ascaractersticas de proteo oferecidas pelos pra-raios. Neste caso, faz-senecessrio determinar a tenso residual para impulsos de frente ngreme;para impulsos atmosfricos e para impulsos de manobra.

III.1.10 Corrente de seguimento ou corrente subseqente:

Consiste no valor de crista da corrente de freqncia fundamental que fluipelos pra-raios com centelhadores aps a passagem da corrente dedescarga, enquanto o pra-raios est solicitado pela tenso do sistema.

III.1.11 Capacidade de absoro de energia

A capacidade de absoro de energia est relacionada com a mximaquantidade de energia que um pra-raios capaz de absorver, para umadada forma de onda, durante uma sobretenso temporria ou transitria edissip-la, mantendo a sua estabilidade trmica e sem alteraessignificativas em suas propriedades trmicas e eltricas.

Um fator importante que deve ser considerado quando da anlise dacapacidade de absoro de energia de um pra-raios a relao entre acapacidade de absoro de energia e a corrente de descarga que flui pelopra-raios. A capacidade de absoro de energia dos elementos de ZnOapresenta uma dependncia com as caractersticas da corrente de

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descarga: uma menor capacidade de absoro de energia obtida para oselementos de ZnO quando da ocorrncia de impulsos de corrente commenores duraes. A anlise deste comportamento ser mostrada noCaptulo IV, e fundamental para a seleo adequada dos pra-raiosaplicados prximos a bancos de capacitores.

A capacidade de absoro de energia geralmente declarada pelofabricante em termos de kJ / kV (nominal ou da MCOV), e est associada aum impulso de corrente com forma de onda e amplitude de correntedefinidas. Para a mesma forma de onda, um aumento na amplitude dacorrente reduz significativamente a capacidade de absoro de energia deum pra-raios.

III.1.12 Estabilidade trmica do pra-raios

Um pra-raios considerado termicamente estvel se aps o ensaio deciclo de operao, a temperatura resultante nos resistores no-lineares quecompem o pra-raios decresce com o tempo, quando o pra-raios energizado na tenso de operao contnua e em condies normais deoperao. Essa terminologia aplicada a pra-raios sem centelhadores.

III.2 Classificao dos pra-raios

Segundo as normas tcnicas IEC e NBR, a classificao de um pra-raios feitabasicamente de acordo com a corrente de descarga nominal, o classe de servio eas caractersticas de proteo (os dois ltimos em pra-raios com centelhadores):

III.2.1 Pela corrente de descarga nominal:

Os pra-raios com e sem centelhadores podem ser classificados, de acordo comsua corrente de descarga nominal em:

- Pra-raios com centelhadores:

Pra-raios classe estao: 20 kA(1) 15 kA(1) 10 kAPra-raios classe de distribuio(2): 5 kAPra-raios classe secundria: 2,5 kA(3) 1,5 kA(1) Valores descritos somente na NBR 5287/88 /1/(2) A IEC define os pra-raios de 5 kA como intermedirio ou distribuio,

dependendo da sua srie.(3) Valor descrito na IEC 99.1/91 /2/Os pra-raios de 10 kA podem ser ainda classificados em dois tipos:

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Pra-raios para servio pesado:

Este tipo de pra-raios deve ter capacidade para descarregar a energiaarmazenada nas capacitncias entre os condutores e a terra de uma linha detransmisso correspondentes aos sistemas aos quais esses so destinados.

Pra-raios para servio leve:

Adequados para condies de utilizao menos severas do que asestabelecidas para o servio pesado. Os pra-raios para servio leve sousualmente empregados em redes de distribuio.

- Pra-raios sem centelhadores:

20 kA 10 kA 5 kA 2,5 kA 1,5 kA

III.2.2 Pela classe de descarga de linhas de transmisso ou corrente delonga durao

Os pra-raios com centelhadores de 20 kA, 15 kA e 10 kA servio pesado podemser de classe 1 a 5, dependendo das caractersticas de dissipar as energias dasmanobras de linhas de transmisso.

As normas IEC aplicadas a pra-raios com e sem centelhadores estabelecemcinco classes de descarga de linhas de transmisso. Segundo a norma IEC60099.4 / 2001 /3/, aplicada a pra-raios sem centelhadores, os pra-raios de 10kA podem ser classificados como classes 1 a 3, enquanto que os pra-raios de 20kA correspondem as classes 4 e 5.

Os pra-raios de 10 kA servio leve com centelhadores e os pra-raios de 5 kAcom ou sem centelhadores, devem ser submetidos ao ensaio de correntesuportvel de longa durao, com amplitude e forma de onda definidas em norma.

III.2.3 Pela classe de alvio de sobrepresso ou corrente suportvel de falta

A classe de alvio de sobrepresso (aplicvel a pra-raios com espaamentosinternos de ar) ou a corrente suportvel de falta (aplicvel a pra-raios semespaamentos internos de ar) de um pra-raios est relacionada a sua capacidadede suportar correntes internas de falta de alta e baixa intensidades aps umaeventual falha do pra-raios, sem que haja violenta fragmentao do invlucro oudesprendimento dos elementos de ZnO.

As normas NBR e IEC aplicadas a pra-raios com centelhadores estabelecemcinco classes de alvio de sobrepresso:

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Classe de alvio desobrepresso

Classe do pra-raios Valor eficaz mnimo dacorrente de falta (kA)

A 20 kA, 15 kA e 10 KAservios leve e pesado

40

B 10 kA servios leve epesado

20

C 10 kA servios leve epesado

10

D 5 kA 16

E 5 kA 5

A durao mnima de circulao da corrente de falta durante o ensaio deve ser de0,2 s para correntes de alta intensidade e 1 segundo para baixas correntes.

A IEC 60.099.4 / 2001 /3/, aplicvel a pra-raios sem centelhadores, estabelece osseguintes nveis eficazes de corrente presumvel de falta para os pra-raios classeestao e distribuio:

Corrente dedescarganominal

Valor eficaz da corrente de falta (kAef)Corrente de

baixaintensidade

Nominal Correntes reduzidas (Aef)20 kA ou 10 kA 80 50 25 600 200

20 kA ou 10 kA 63 25 12 600 200

20 kA ou 10 kA 50 25 12 600 200

20 kA ou 10 kA 40 25 12 600 200

20 kA ou 10 kA 31,5 12 6 600 200

20, 10 ou 5 kA 20 12 6 600 200

10 kA ou 5 kA 16 6 3 600 200

10, 5, 2,5 kAou 1,5 kA

10 6 3 600 200

10, 5, 2,5 kAou 1,5 kA

5 3 1,5 600 200

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A durao mnima de circulao da corrente de falta durante o ensaio deve ser de0,2 segundos para correntes de alta intensidade e 1 segundo para baixascorrentes.

A norma ANSI C62.11/93 /4/ estabelece duas classes de alvio de sobrepresso:

- Pra-raios estao: 40 e 65 kA- Pra-raios intermedirios: 16,1 kA

As normas ANSI aplicadas a pra-raios de SiC e ZnO com ou sem centelhadoresclassifica os pra-raios de acordo com os ensaios realizados em:

- Pra-raios tipo estao: 20 kA, 15 kA e 10 kA- Pra-raios tipo intermedirio: 10 kA e 5 kA- Pra-raios tipo distribuio servio pesado: 10 kA- Pra-raios tipo distribuio servio normal: 5 kA- Pra-raios tipo distribuio servio leve: 5 kA- Pra-raios tipo secundrio: 1,5 kA

III.3 Caracterstica de proteo dos pra-raios

Para o estudo de coordenao do isolamento necessrio conhecer ascaractersticas de proteo dos pra-raios, que dependem basicamente do tipo depra-raios utilizado e devem estar abaixo dos valores normalizados.

III.3.1 Caractersticas de proteo dos pra-raios com centelhadores

No caso de pra-raios com centelhadores as caractersticas de proteo sodefinidas pela normas IEC e NBR, pela combinao das seguintes curvascaractersticas:

Tenso disruptiva de impulso atmosfrico x tempo para disrupo

Curva que relaciona a tenso disruptiva de impulso atmosfrico ao tempo paradisrupo, obtida a partir de ensaio de tipo para uma forma de onda epolaridade definidas, porm variando-se as amplitudes.

Tenso residual x corrente de descarga 8/20 s

Curva que relaciona a tenso residual do pra-raios corrente de descargacom forma de onda 8/20 s

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Tenso disruptiva de impulso de manobra x tempo para disrupo(*).Curva que relaciona a tenso disruptiva de impulso de manobra ao tempo paradisrupo, obtida a partir de ensaio de tipo em pra-raios de 10 kA comtenses nominais superiores a 100 kV e pra-raios de 15 kA(**) e 20 kA(**).(*) No aplicvel ao projeto de norma da NBR referente a pra-raios de

ZnO com centelhadores.(**) Utilizados somente na NBR 5287/88, aplicvel a pra-raios de SiC.

O nvel de proteo para impulso atmosfrico definido pelo valor mximoentre a tenso disruptiva de impulso atmosfrico cortado na frente dividida por1,15; a tenso disruptiva de impulso atmosfrico normalizado; e a tenso residual corrente de descarga nominal do pra-raios.

O nvel de proteo para impulso de manobra definido pelo valor mximoentre a tenso disruptiva de impulso de manobra e a tenso residual para umadada corrente de descarga.

Nos pra-raios com centelhadores as caractersticas de proteo so geralmentedefinidas pelas caractersticas das tenses disruptivas de impulso do pra-raios.

III.3.2 Caractersticas de proteo dos pra-raios sem centelhadores

No caso dos pra-raios sem centelhadores as caractersticas de proteo sodefinidas pela IEC 60099-4/2001, pela combinao dos seguintes ensaios:

Tenso residual para impulso de corrente com frente ngreme de 1 s; Curva caracterstica "tenso residual x corrente de descarga 8/20 s Tenso residual para impulso de manobra

Detalhes sobre os ensaios acima descritos so apresentados na Seo V.

O nvel de proteo para impulso atmosfrico do pra-raios definido pelovalor mximo entre a tenso residual para impulso de corrente com frente ngremedividida por 1,15 e o maior valor de tenso residual corrente de descarganominal, obtidos para as amostras de ensaio durante o ensaio de tipo.

O nvel de proteo para impulso de manobra definido como o valor mximoda tenso residual para uma amplitude de corrente especificada, obtido para asamostras de ensaio durante o ensaio de tipo.

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As caractersticas de proteo dos pra-raios so apresentadas nos catlogostcnicos de diversos fabricantes. No entanto, em caso da no disponibilidadedessas informaes, pode-se considerar os valores apresentados nas TabelasIII.1 a III.3 abaixo, obtidos das normas tcnicas publicadas pela IEC /2-3/:

Tabela III.1 Nveis mximos de proteo de pra-raios com centelhadores

Tenso Forma de onda aplicadaNominal Imp. Frente ingreme Imp. atm. normalizado Tenso residualUr(kVef) 5 kA 10 kA 5 kA 10 kA 5 kA 10 kA1,2 a 10 4,15.Ur ----- 3,60.Ur ----- 3,60.Ur -----10 a 120 3,85.Ur 3,20.Ur 3,33.Ur 2,80.Ur 3,33.Ur 2,80.Ur

Tabela III.2 Nveis mximos de proteo de pra-raios sem centelhadores

Tenso Tenso residual Forma de onda aplicadaNominal

UrImpulso de frente

rpida 1/20 sImpulso atmosfrico

8/20 sImp. de manobra

30/60 s

(kVef) 2,5 kA 5 kA 2,5 kA 5 kA 2,5 kA 5 kA0,175 a 2,9 3,7 a 5,0.Ur 2,7 a 4,0.Ur 3,3 a 4,5.Ur 2,4 a 3,6.Ur ----- -----

3 a 29 4,0.Ur 2,7 a 4,0.Ur 3,6.Ur 2,4 a 3,6.Ur ----- -----30 a 132 4,0.Ur 2,7 a 3,7.Ur 3,6.Ur 2,4 a 3,3.Ur ----- -----

Tabela III.3 Nveis mximos de proteo de pra-raios sem centelhadores

Tenso Tenso residual - Forma de onda aplicadaNominal

UrImpulso de frente

rpida 1/20 sImpulso atmosfrico

8/20 sImp. de manobra

30/60 s

(kVef) 10 kA 20 kA 10 kA 20 kA 10 kA 20 kA3 a 29 2,6 a 4,0.Ur ----- 2,3 a 3,6.Ur ----- 2,0 a 2,9.Ur -----

30 a 132 2,6 a 3,7.Ur 2,6 a 3,1.Ur 2,3 a 3,3.Ur 2,3 a 2,8.Ur 2,0 a 2,6.Ur 2,0 a 2,3.Ur144 a 342 2,6 a 3,7.Ur 2,6 a 3,1.Ur 2,3 a 3,3.Ur 2,3 a 2,8.Ur 2,0 a 2,6.Ur 2,0 a 2,3.Ur360 a 756 2,6 a 3,1.Ur 2,6 a 3,1.Ur 2,3 a 2,8.Ur 2,3 a 2,8.Ur 2,0 a 2,3.Ur 2,0 a 2,3.Ur

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III.4 Princpio de operao dos pra-raios

Para que se possa entender de forma mais clara a filosofia de aplicao dos pra-raios para a proteo dos equipamentos instalados ao longo das redes dedistribuio e subestaes, torna-se necessrio entender o princpio defuncionamento dos diferentes tipos de pra-raios atualmente existentes.

III.4.1 Princpio de operao dos pra-raios com centelhadores:

Seja um pra-raios com centelhadores conectado entre uma fase e o terra de umdeterminado sistema eltrico, e energizado com uma tenso alternada defreqncia fundamental. Em condio de regime permanente a impedncia doconjunto de centelhadores srie da ordem de centenas de Megaohms, muitomaior do que a impedncia dos resistores no-lineares, da ordem de dezenas deohms (no caso pra-raios de SiC) a alguns kilohms (no caso de pra-raios de ZnOcom centelhadores).Desta forma, a tenso do sistema estar aplicada quase que em sua totalidadesobre o conjunto de centelhadores, originando uma corrente de fuga que fluiatravs do pra-raios da ordem de dezenas de micromperes a algunsmilimperes, dependendo do projeto construtivo do centelhador utilizado. A curvacaracterstica "tenso disruptiva de impulso (atmosfrico ou de manobra) x tempopara disrupo" desse tipo de pra-raios apresentado na curva A da Figura III.1.

Figura III.1 Princpio bsico de funcionamento deum pra-raios com centelhadores

Ao ocorrer uma sobretenso de origem atmosfrica ou de manobra no sistema(curva B da Figura III.1), caracterizada por uma forma de onda, amplitude edurao, haver a disrupo dos centelhadores no instante em que a amplitude da

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sobretenso atingir o ponto da curva caracterstica tenso disruptiva de impulso xtempo do pra-raios (ponto C da Figura III.1).Neste instante flui pelo pra-raios uma corrente de descarga, cuja amplitudedepende das caractersticas do sistema e do pra-raios. Devido as caractersticasno-lineares dos blocos de SiC (ou de ZnO) a impedncia dos elementos no-lineares durante a passagem da corrente de descarga de alguns poucos ohms.

O produto da corrente de descarga que flui pelo pra-raios com a impedncia doselementos no-lineares produz uma tenso entre os terminais dos elementos. Sedesprezarmos a tenso de arco dos centelhadores essa tenso, denominadatenso residual, estar aplicada entre os terminais do pra-raios.

Pelo fato dos centelhadores do pra-raios estarem conduzindo, uma vezterminada a sobretenso fluir atravs do pra-raios uma corrente de freqnciafundamental, denominada corrente subsequente. A amplitude dessa correntedepende basicamente da amplitude da tenso de freqncia fundamental, daimpedncia dos resistores no-lineares (que tende a retornar aos valores iniciaisde regime permanente) e da polaridade da sobretenso em relao ao instante dasua ocorrncia sobre a onda de tenso de freqncia fundamental.

O pra-raios desempenhar satisfatoriamente o ciclo de servio acima descrito sehouver a extino do arco nos centelhadores e a conseqente interrupo dacorrente subsequente. Este processo ocorre geralmente aps a primeirapassagem da corrente subsequente pelo zero (no caso de pra-raios comcentelhadores parcialmente ativos) e antes do zero, no caso dos centelhadoresativos, providos de bobina de sopro magntico /5/.

Em pra-raios de SiC, a amplitude da corrente subsequente est na faixa de 50 a200 Acr para os pra-raios classe distribuio e de 100 a 250 Acr em pra-raiosclasse estao.

No caso dos pra-raios de ZnO com centelhadores, a amplitude dessa corrente geralmente da ordem de centenas de milimperes a 1Acr.

Deve ressaltada a importncia da no-linearidade dos elementos na caracterstica"tenso x corrente" para o bom desempenho dos pra-raios, os quais devemapresentar:

- uma impedncia elevada em condies de regime permanente eposteriormente a passagem do impulso de corrente, de modo a facilitar aextino do arco nos centelhadores quando da passagem da corrente deseguimento;

- uma impedncia de valor mais baixo possvel, quando da passagem doimpulso de corrente, de forma a permitir uma proteo adequada aosequipamentos.

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O ciclo de operao desse tipo de pra-raios pode ser visualizado na Figura III.2.

Figura III.2 Ciclo de operao de um pra-raios com centelhadores

Em projetos de pra-raios com centelhadores, cuidados devem ser tomados comrelao ao desempenho permanente e transitrio desses pra-raios sob condiesde ambientes poludos, e com relao aos efeitos das capacitncias nadistribuio de tenso ao longo dos centelhadores que compem os pra-raios.Em pra-raios aplicados a sistemas de Alta e Extra Alta Tenses, o efeito dascapacitncias parasitas tambm deve ser considerado /5/.

III.4.2 Princpio de operao dos pra-raios sem centelhadores:

A ausncia dos centelhadores (elementos indispensveis na montagem dos pra-raios de SiC) neste tipo de pra-raios deve-se a elevada no-linearidade nacaracterstica tenso versus corrente dos elementos de ZnO, associadas a suaestabilidade trmica e a sua elevada capacidade de absoro de energia parasobretenses temporrias e transitrias. A no utilizao dos centelhadores tornaos projetos de pra-raios de ZnO mais simplificados, alm de oferecer muitasvantagens em suas caractersticas de proteo e de operao.

No entanto, pelo fato de no possurem centelhadores os pra-raios de ZnO almde estarem permanentemente submetidos a tenso fase-terra de operao dossistemas e a condies climticas algumas vezes bastante adversas, podem sereventualmente solicitados por sobretenses temporrias ou transitrias que impeaos pra-raios uma quantidade de energia que deve ser dissipada para o meioexterno, afim de garantir a estabilidade trmica do pra-raios.

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Portanto, cuidados devem ser tomados quando da seleo do tipo e dascaractersticas dos pra-raios, em funo das reais necessidades dos sistemas.

A caracterstica "tenso x corrente" tpica de um elemento de ZnO apresentadana Figura III.3.

Figura III.3 Caracterstica tenso x corrente dos elementos de ZnO

possvel verificar da figura a existncia de trs regies bem distintas:- A regio de baixas tenses aplicadas, correspondente a regio de operao

dos pra-raios em condies de regime permanente;

- A regio altamente no-linear de tenses intermedirias, onde pequenasvariaes na tenso acarretam em grandes variaes na corrente. Para estaregio verifica-se uma pequena dependncia da temperatura;

- Regio de altas correntes, onde h a predominncia dos gros de ZnO.

A despeito das descargas atmosfricas e das solicitaes de manobra, onde ospra-raios atuam como equipamentos limitadores, esperado que os pra-raiosde ZnO apresentem uma propriedade isolante em condies de regimepermanente. Esta propriedade essencial para a extenso da vida til dos pra-raios e para a operao confivel de um sistema de potncia.

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O princpio bsico de operao de um pra-raios de xido de Zinco (ZnO) podeser entendido a partir do circuito eltrico equivalente simplificado para umelemento de ZnO, apresentado na Figura III.4.

Figura III.4 - Circuito equivalente simplificado para um elemento de ZnO

Nesta figura r representa a resistncia dos gros de ZnO, RCI a resistncia no-linear da regio intergranular e CCI a capacitncia formada pelos gros de ZnOseparados pela regio intergranular. Os valores de RCI e CCI so dependentes docampo eltrico, da freqncia e da temperatura.

Seja um pra-raios de ZnO sem centelhadores conectado entre uma fase e o terrade um sistema eltrico e energizado com uma tenso alternada de freqnciafundamental. Em condies de regime permanente a relao entre a resistividadedo material que compe a regio intergranular e a resistividade dos gros de ZnO da ordem de 1010 .cm.

Desta forma, durante a operao em regime permanente a tenso aplicada aopra-raios distribuda sobre as regies intergranulares e os elementos de ZnOapresentam uma impedncia extremamente elevada da ordem de Megohms,originando uma corrente de fuga contnua da faixa de microampres.

A corrente de fuga total que flui internamente pelos pra-raios de ZnO possui duascomponentes: a componente capacitiva, predominante na tenso de operao dopra-raios e com forma de onda senoidal, sendo pouco influenciada pelo efeito datemperatura; e a componente resistiva, responsvel pelas perdas no pra-raios,caracterizada por apresentar distores harmnicas face s caractersticas nolineares das regies intergranulares e cuja resistividade varivel e fortementedependente do campo eltrico aplicado, da temperatura e da freqncia.

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A corrente de fuga total que flui pelo pra-raios para uma dada tenso aplicadaser, portanto, o somatrio das componentes capacitiva e resistiva, tomadasinstantaneamente. Uma vez que esta corrente apresenta caractersticas nosenoidais, pode-se utilizar a Srie de Fourier para a determinao de suascomponentes e do contedo de harmnicos presentes.

Aplicando-se a Srie de Fourier aos pra-raios, tem-se:

onde i(t) corresponde a corrente de fuga total que flui pelo pra-raios.

Assumindo-se que a corrente de fuga que flui pelo pra-raios apresenta umacaracterstica tal que as formas de onda dos ciclos positivos e negativos sejamsimtricas, o termo I0/2 ser nulo e a srie de Fourier dessa funo contersomente harmnicos mpares.

Considerando-se a tenso com forma de onda v(t) = Vm .sen(wt), os termos emseno correspondem a componente resistiva da corrente, enquanto que acomponente capacitiva definida pelos termos em coseno. Assim ascomponentes resistiva e capacitiva da corrente apresentam as seguintescaractersticas:

Os termos A1.sen(wt) e B1.cos(wt) constituem a componente fundamental dacorrente total (tambm denominada de 1o harmnico), enquanto que An.sen(nwt) eBn.cos(nwt) constituem o n-simo termo e correspondem ao n-simo mltiplointeiro da freqncia fundamental.

A caracterstica tpica da corrente total que flui pelo pra-raios de ZnO quando daaplicao da mxima tenso de operao contnua do pra-raios apresentadana Figura III.5 /6/. Na figura, a componente resistiva da corrente corresponde aamplitude da corrente no instante em que a tenso atinge a sua amplitudemxima.

Pra-raios novos geralmente apresentam, para a tenso operativa do sistema,uma componente resistiva com amplitude da ordem de 10% a 20% da correntetotal, dependendo das caractersticas dos elementos de ZnO.

Cos(nwt)B(nwt)senA............wt)3(cosBwt)3(senA(wt)cosB(wt)senA2

Ii(t)nn

33110

++

+++++=

(nwt)senA...........wt)5(senAwt)3(senA(wt)senA(t)i n531RES ++++=

(nwt)cosB...........wt)5(cosBwt)3(cosB(wt)cosB(t)i n531CAP ++++=

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Figura III.5 Corrente total dos pra-raios

Um exemplo da variao da componente resistiva da corrente e da corrente totalcom o campo eltrico aplicado e a temperatura apresentado na Figura III.6, paraum dado tipo de elemento de ZnO.

Figura III.6 - Variao da componente resistiva da correntecom o campo eltrico e a temperatura

0,00

0,50

1,00

1,50

2,00

2,50

3,00

3,50

1,0 10,0 100,0 1000,0 10000,0

Corrente de fuga (uAcr)

Tens

o a

plic

ada

(kVef)

Itotal-20Itotal-60Itotal-100Iresistiva-20Iresistiva-60Iresistiva-100

53

Verifica-se na figura uma forte dependncia da temperatura e do campo eltricosobre a componente resistiva da corrente na regio de operao do pra-raios (noexemplo, para tenses de 2,0 a 2,5 kV).Para pequenos valores de tenses aplicados at as proximidades da mximatenso contnua de operao observa-se uma caracterstica aproximadamentelinear para os elementos de ZnO, com uma variao da componente resistiva dacorrente aproximadamente constante em relao a corrente total, ou seja, aresistividade da camada entre gros se mantm aproximadamente constante.Para tenses acima deste valor, observa-se um aumento da componente resistivada corrente em relao a corrente total, fato que pode ser entendido pela reduoda resistividade das camadas entre gros com o aumento do campo eltrico. Oaumento da componente resistiva da corrente em relao a corrente total pode serbem visualizado para tenses prximas a tenso de referncia dos elementos deZnO, onde h uma predominncia da componente resistiva para a corrente total,devido a uma reduo significativa da resistividade das camadas entre gros.

Com relao a temperatura, observa-se o efeito do coeficiente de temperaturanegativo para a resistncia. Um aumento de temperatura atravs dos elementosde ZnO acarreta em um aumento na componente resistiva da corrente que circulaatravs desses elementos. A variao da componente resistiva da corrente com atemperatura para um elemento de ZnO, quando da aplicao da mxima tensocontnua de operao, pode ser melhor visualizada na Figura III.7.

Figura III.7 Variao da componente resistiva da corrente com atemperatura, para um elemento de ZnO dimetro de 75 mm

Observa-se da figura uma variao exponencial da componente resistiva dacorrente com a temperatura.

0,1

1

10

0 20 40 60 80 100 120 140Temperatura (graus Celcius)

Corr

ente

resi

stiv

a (m

Acr)

54

O comportamento da componente resistiva da corrente em funo da temperatura de fundamental importncia para a avaliao e o diagnstico corretos dos pra-raios instalados nos sistemas. O aumento da corrente resistiva que flui pelos pra-raios, para uma dada solicitao de tenso, acarreta em um aumento das perdas,reduzindo a capacidade de absoro de energia dos pra-raios, fato que podeconduzir sua instabilidade trmica (incapacidade de dissipar uma determinadaquantidade energia proveniente de uma sobretenso temporria ou transitria),que leva a falha completa do pra-raios.

De forma a se detectar pra-raios degradados ou em fase de incio dedegradao, empresas concessionrias de energia eltrica e grandesconsumidores industriais tm estabelecido procedimentos para mediesperidicas da componente resistiva da corrente de fuga ou de seus componentesharmnicos, associado a um diagnstico confivel das informaes obtidas emcampo. Estes procedimentos possibilitam, em muitas das vezes, a deteco depra-raios envelhecidos e a retirada programada desses pra-raios de servioantes da ocorrncia da falha.

Quando da ocorrncia de uma sobretenso de origem atmosfrica ou de manobracaracterizada por uma forma de onda, amplitude e durao, haver a conduo dopra-raios no instante em que a amplitude da sobretenso atingir o ponto da curvacaracterstica "tenso residual x corrente de descarga".

Nesse instante, a resistncia das regies intergranulares se reduz abruptamente avalores da ordem de alguns poucos ohms, fluindo uma corrente de descarga cujaamplitude funo basicamente das caractersticas do sistema e do pra-raios.

A tenso residual que aparece nos terminais do pra-raios consiste no produto dacorrente de descarga pela impedncia elementos de ZnO.

Uma vez terminada a sobretenso, os terminais dos pra-raios ficaro novamentesubmetidos a tenso do sistema. Com a reduo da tenso aplicada sobre osterminais dos pra-raios os elementos de ZnO retornam imediatamente a umacondio de elevada impedncia.

No entanto, para que este tipo de pra-raios desempenhe satisfatoriamente o seuciclo de servio necessrio que os elementos de ZnO utilizados na montagemdos pra-raios sejam capazes de dissipar as energias absorvidas durante assobretenses temporrias e transitrias e manter-se termicamente estveis,quando da aplicao de tenso alternada de freqncia fundamental,posteriormente a ocorrncia da sobretenso. Diz-se que um pra-raios de ZnO termicamente estvel se aps um ciclo de operao, responsvel pela elevaode temperatura do pra-raios, a temperatura dos elementos de ZnO decresce como tempo, quando o pra-raios energizado a uma tenso contnua de operaoespecificada e para uma dada condio de temperatura.

55

Conforme descrito anteriormente, os pra-raios de ZnO estaro submetidospermanentemente a uma tenso de servio fase-terra, alm de eventuaissolicitaes devido s sobretenses temporrias e aos surtos atmosfricos ou demanobra. Tais solicitaes podem provocar uma degradao progressiva naestrutura fsico-qumica dos elementos de ZnO, que pode vir a afetar a suaestabilidade trmica. Portanto, a estabilidade trmica consiste em um ponto deespecial ateno nos projetos de pra-raios sem centelhadores.Existe uma temperatura crtica, que depende do projeto do pra-raios, datemperatura ambiente, das caractersticas trmicas do invlucro e da tensoaplicada, acima da qual os elementos de ZnO apresentam dificuldades de dissiparo calor gerado por efeito Joule. Ao absorver uma quantidade de energia elevada atemperatura dos elementos de ZnO aumenta rapidamente, com uma reduo nasua resistncia (decorrente do efeito do coeficiente de temperatura negativo paraa resistncia). Verifica-se ento um aumento da componente resistiva da correntede fuga com o aumento da temperatura pelos elementos de ZnO. Se o calorgerado pelos elementos de ZnO exceder a capacidade de dissipao de calor dopra-raios, ocorrer uma avalanche trmica, resultado de uma realimentaopositiva dada por: aumento de temperatura aumento da componente resistivada corrente aumento do calor gerado aumento da temperatura.

A compreenso do comportamento dos pra-raios de ZnO quanto a estabilidadetrmica e o efeito de degradao fsico-qumica dos elementos no-lineares deZnO feita com base na Figura III.8.

Figura III.8 Caractersticas potncia consumida por um elemento de ZnO epotncia dissipada pelo invlucro

56

Como pode ser observado na figura, existem dois pontos de interseo entre ascurvas de perdas eltricas nos elementos de ZnO e a capacidade de dissipaode calor pelo invlucro: o ponto de operao a baixa temperatura, denominadoponto de operao estvel; e o limite de estabilidade, denominado ponto de limiarda estabilidade. Em ambos os pontos h a condio de equilbrio trmico, ou seja,a potncia gerada nos elementos de ZnO igual a potncia dissipada para o meioexterno. Porm este equilbrio estvel somente no ponto de operao estvel.

Se a potncia gerada pelos elementos de ZnO exceder a capacidade dedissipao de potncia pelo invlucro haver um excesso de energia sobre oselementos de ZnO com o aumento progressivo da temperatura, causando ainstabilidade trmica e a danificao do pra-raios, se a temperatura estiver acimado limite de estabilidade. Se a temperatura estiver abaixo do ponto de operao,haver uma tendncia de sua elevao at o ponto de operao. Por outro lado,se a potncia dissipada pelo invlucro exceder a potncia gerada peloselementos, a temperatura atravs do elemento de ZnO diminuir com o tempo,tendendo a atingir a temperatura correspondente ao ponto de operao.

Para assegurar a estabilidade trmica estando o pra-raios de ZnO operando noseu ponto de operao (ponto de equilbrio estvel), a elevao de temperaturados elementos de ZnO, aps uma solicitao temporria ou transitria(correspondente a uma sobretenso atmosfrica ou de manobra), dever serinferior a variao de temperatura entre os pontos de operao e de limite deestabilidade. Este conceito est diretamente relacionado a capacidade deabsoro de energia do pra-raios.

A degradao fsico-qumica acarreta em um aumento da potncia gerada peloselementos de ZnO para uma determinada condio de tenso e temperatura.Como conseqncia, h um deslocamento na curva de potncia gerada peloselementos de ZnO, estabelecendo-se novos pontos de operao e de limiar deestabilidade. Este deslocamento da curva, provoca uma reduo na mximaelevao de temperatura permitida para assegurar a estabilidade trmica do pra-raios.

Comparando os princpios de funcionamento dos pra-raios com e semcentelhadores, pode-se verificar uma srie de vantagens para os pra-raios semcentelhadores, entre os quais destacam-se:

- A simplicidade da construo, devido a ausncia dos centelhadores, queaumenta a confiabilidade dos pra-raios;

- Caractersticas de proteo bem definidas devido a ausncia doscentelhadores;

- Ausncia de tenses disruptivas, eliminando os efeitos bruscos sobre osenrolamentos de transformadores e reatores;

- Ausncia de correntes subsequentes;

57

- Melhor desempenho sob contaminao, proveniente de uma melhordistribuio de tenso ao longo do pra-raios;

- Maior capacidade de absoro de energia, com a possibilidade da utilizao depra-raios em paralelo;

- Os pra-raios de ZnO entram e saem de conduo suavemente.

III.5 Critrios para seleo e aplicao dos pra-raios na proteo dossistemas eltricos

Como j descrito anteriormente, os pra-raios ao serem instalados nos sistemaseltricos tem por finalidade proteger os equipamentos dos sistemas contrasobretenses atmosfricas ou de manobra. Quando aplicados na proteo deredes de distribuio ou linhas de transmisso, a funo principal a proteocontra descargas atmosfricas.

Vrios aspectos devem ser considerados para a proteo dos equipamentos,entre os quais as caractersticas de proteo dos pra-raios (seo III.3 CaptuloIII), e o nvel de suportabilidade dos equipamentos a serem protegidos (seo I.2 Captulo I). Apesar da proteo coordenada ser importante para toda asubestao, esta proteo mais importante para os transformadores, devido aoseu custo e a complexidade do seu isolamento interno.

A seguir so apresentados os passos a serem seguidos para um estudo deseleo e aplicao dos pra-raios visando a coordenao do isolamento pelomtodo determinstico.

(1) Determinar a mxima tenso eficaz fase-terra a frequnciafundamental, a ser considerada no ponto de instalao do pra-raios:Esse parmetro servir como referncia e corresponde a 1,0 pu.

(2) Seleo da tenso nominal do pra-raios:O critrio de seleo da tenso nominal do pra-raios depender do tipo de pra-raios utilizado:

A aplicao dos pra-raios com centelhadores requer a garantia de que em casoda ocorrncia de uma sobretenso temporria no sistema, no ir ocorrer adisrupo dos centelhadores srie evitando, desta forma, a absoro de umaenergia que o pra-raios no possui condies de dissipar e que resultaria em suafalha.

Neste caso, para se evitar a falha do pra-raios devido a uma sobretensotemporria, a seleo da tenso nominal do pra-raios (Un) deve ser igual ousuperior a mxima sobretenso temporria no ponto de aplicao do pra-raios.

58

No caso da aplicao de pra-raios sem centelhadores, a escolha da tensonominal ser baseada em duas condies, descritas a seguir:

(a) Os pra-raios sem centelhadores apresentam um valor limite de tensoeficaz de freqncia fundamental que pode ser aplicado continuamenteentre os seus terminais sem alteraes no seu desempenho eltrico. Estevalor de tenso definido como a Mxima Tenso Contnua de Operao(MCOV) do pra-raios.

(b) Devido a elevada capacidade de absoro de energia dos elementos deZnO possvel que esses elementos absorvam, por um determinadotempo, uma quantidade de energia proveniente de sobretensestemporrias, e tenha condies de dissipa-la sem afetar as suascaractersticas de operao e de proteo. Essa caracterstica do pra-raios definida pela curva Tenso de freqncia fundamental x tempo(TOVPR) e depende basicamente das caractersticas dos elementos de ZnOutilizados.

Desta forma, quando da utilizao de um pra-raios sem centelhadores, deve-segarantir que:

A MCOV do pra-raios seja igual ou superior mxima tenso operativado sistema no ponto de aplicao do pra-raios e que,

Quando da ocorrncia de uma sobretenso temporria, a caractersticatenso de freqncia fundamental versus tempo do pra-raios deveexceder a caracterstica amplitude da sobretenso temporria versusdurao para o sistema.

Uma curva tpica tenso de freqncia fundamental versus tempo, bem como osprocedimentos para a seleo da tenso nominal de pra-raios aplicados emsubestaes so apresentadas no captulo IV.

Como uma aproximao, a amplitude e a durao das sobretenses temporriascom duraes entre 0,1 s e 100 s, podem ser convertidas para uma amplitudeequivalente - Ueq, com uma durao de 10 s (correspondente ao tempo deaplicao da tenso nominal no ensaio ciclo de operao):

Ueq Amplitude da sobretenso temporria equivalente de 10 s;Ut Amplitude da sobretenso temporria;Tt Durao da sobretenso temporria em s;m Expoente que descreve a caracterstica tenso em freqncia fundamental

versus tempo de um pra-raios. Para diferentes projetos de pra-raios esteexpoente varia entre 0.022 e 0.018. Valor mdio considerado 0.02.

m

tteq 10

TUU

=

59

(3) Estimar a intensidade e a forma de onda da mais severa corrente dedescarga do pra-raios:

Como regra geral, a corrente de descarga nominal de um pra-raios pode serselecionada considerando-se:

- A importncia e o grau de proteo desejado: os nveis de proteodeterminados por correntes de maiores amplitudes e taxas de crescimentoaumentam com a confiabilidade da proteo;

- Nmero de linhas conectadas quando da operao do pra-raios: devido areflexes de ondas trafegantes, a corrente de descarga do pra-raios dependeda impedncia de surto de linhas e cabos conectados em paralelo;

- O nvel de isolamento da linha: as correntes de descarga atmosfricaprospectivas aumentam quando as linhas so providas de um maior nvel deisolamento (postes de madeira totalmente isolados), a menos que a descargaocorra to prxima ao pra-raios que a impedncia e o isolamento da linha nopossam influenciar o surto;

- A probabilidade de ocorrncia das descargas atmosfricas de amplitudeelevada: a amplitude das correntes de descarga atmosfricas varia dentro deuma ampla faixa de valores. As linhas construdas em reas de alta densidadede descarga para a terra possuem uma maior chance de serem atingidas porcorrentes de amplitude elevada;

- Desempenho da linha e as condies ambientais: as correntes de descargaatmosfrica e suas taxas de crescimento so funes das taxas de ocorrnciadas descargas de retorno e das taxas de falha de blindagem das linhas (outaxas de disrupo quando de linhas no blindadas) que esto dentro dealguma distncia limite das subestaes. Taxas de falha mais altas (maisbaixas) aumentam (diminuem) a provvel amplitude e taxa de crescimento dacorrente de descarga do pra-raios.

As correntes de coordenao apropriadas para surtos atmosfricos dependemfortemente da eficincia da blindagem da linha.

Como visto anteriormente, no caso de linhas completamente blindadas o seudesempenho frente s descargas atmosfricas baseada nas suas taxas defalhas de blindagem e de descarga de retorno. Se a posio do(s) cabo(s) pra-raios em relao aos condutores fase tal que a linha possa ser consideradaefetivamente blindada (protegida por descargas diretas), ento o nmero de falhasda linha devido descargas diretas nos condutores de fase desprezvel, sendoento as descargas de retorno o mecanismo predominante de descarga sobre aisolao da linha. Em ambos os casos a amplitude da corrente de descarga dopra-raios pode ser estimada por:

60

IMAX Corrente de descarga que flui pelo pra-raios, em ampres.IC Corrente de coordenao do pra-raiosUCF0 Tenso disruptiva crtica de polaridade negativa da linha , em voltsVr Tenso residual do pra-raios para impulso atmosfrico (para o valor

estimado da corrente de coordenao), em volts.Z0 Impedncia de surto monofsica da linha, em ohms.

Esta relao assume que a descarga disruptiva da linha ocorra uma distnciaconsidervel da subestao, ou que os condutores fase so atingidos sem queisso resulte em uma descarga disruptiva. De outra forma, a poro da corrente dedescarga total descarregada atravs do pra-raios pode variar consideravelmenteem funo de todos os parmetros envolvidos.

Quando a blindagem no abrange toda a extenso da linha, torna-se provveluma maior corrente de descarga nos pra-raios. Neste caso, necessrioconsiderar:

(1) A densidade de descargas para terra;(2) A probabilidade de descargas na linha que excedem um valor determinado;(3) O percentual da corrente de descarga total que descarrega atravs do pra-

raios.

Para redes de distribuio e no caso de pra-raios instalados no final de linha umaestimativa da intensidade mxima de corrente de descarga que flui pelo pra-raiospode ser determinada pela seguinte equao:

IMAX Corrente de descarga que flui pelo pra-raios, em ampres.E0 Corresponde a 1,2 vezes o nvel de isolamento para impulso atmosfrico da

linha, em volts.Vr Tenso residual do pra-raios para impulso atmosfrico, em volts.Z0 Impedncia de surto da linha, em ohms.

A experincia indica que um grau de proteo satisfatrio obtido se as seguintesrecomendaes forem observadas.

( )0

rCFOCMAX Z

VU4,2II ==

( )0

r0MAX Z

VE2I =

61

Faixa 1 - acima de 1 kV (Seo I.2): Pra-raios de 5 kA, 10 kAou 20 kA

- Em sistemas da faixa 1, nos quais as distncias entre os pra-raios sopequenas (menos de 5 km), os pra-raios dos transformadores de distribuioprojetados para uma corrente de descarga nominal de 5 kA tm se mostradosuficientemente confiveis, mesmo quando no caso dos transformadoresconectados a linhas com postes de madeira e cruzetas no aterradas.

- Em sistemas com tenses at 72,5 kV, pra-raios projetados para umacorrente de descarga nominal de 5 kA podem ser adequados em reas combaixa densidade de descargas para a terra e quando de linhas areasefetivamente blindadas e com baixa impedncia de p de torre. Os pra-raioscom uma corrente de descarga nominal de 10 kA so mais adequados parainstalaes importantes particularmente em reas com alta densidade dedescargas para a terra ou de elevada resistncia de aterramento.

- Em sistemas com tenses superiores 72,5 kV, pra-raios com corrente dedescarga nominal de 10 kA so geralmente recomendados.

Faixa 2: Pra-raios de 10 kA ou 20 kA

- Para sistemas com tenses menores ou iguais a 420 kV, pra-raios comcorrente de descarga nominal de 10 kA geralmente so suficientes.

- Sistemas com tenses superiores a 420 kV, podem requerer pra-raios comcorrente de descarga nominal de 20 kA.

(4) Determinar a capacidade de absoro de energia dos pra-raios:Alm de suportarem as energias provenientes das sobretenses temporrias, ospra-raios de ZnO devem ser capazes de absorver as energias provenientes dassobretenses transitrias que ocorrem nos sistemas, causadas por :

- Energizao ou religamento de linhas longas;

- Abertura de bancos de capacitores ou cabos, atravs de disjuntores quepermitam o reacendimento (restrike);

- Descargas atmosfricas diretas sobre os condutores fase das linhas areas detransmisso ou descargas sobre as estruturas prximas s subestaes ousobre os cabos pra-raios, provocando descargas de retorno backflashovernas cadeias de isoladores.

62

Estudos especficos envolvendo simulaes computacionais devem serrealizados, de modo a se obter as mximas energias a serem absorvidas pelospra-raios. A partir desses estudos, definida a capacidade mnima de absorode energia dos pra-raios, que deve ser maior do que as energias mximasobtidas nos estudos. No caso de pra-raios aplicados a sistemas de Extra AltaTenses deve-se avaliar principalmente as energias absorvidas devido ssobretenses de frente lentas, geralmente oriundas de manobras nos sistemas.

Em muitas das vezes, a realizao de estudos computacionais mais especficosno de fcil implementao. Neste caso, conhecidos os nveis de proteo dospra-raios, as energias absorvidas por esses podem ser estimadas pelasequaes abaixo, apresentadas no Guia de Aplicao de pra-raios refernciaIEC 99.5 /7/.

(4.1) Descargas atmosfricas:

EPR Energia absorvida pelo pra-raios durante a descarga atmosfrica (joules);Upl Nvel de proteo para impulso atmosfrico do pra-raios ( V );UCFO Tenso disruptiva crtica (polaridade negativa) do isolamento da linha ( V );Z0 Impedncia de surto monofsica da linha ( );N Nmero de linhas conectadas ao pra-raios;Td Durao equivalente da corrente de descarga atmosfrica (em segundos),

incluindo a primeira descarga e as subsequentes. Valor tpico: 300 s.

A equao acima obtida da integrao de uma sobretenso com decaimentoexponencial.

(4.2) Energizao e religamento de linhas:

Ups Nvel de proteo para impulso de manobra do pra-raios ( V );UL Amplitude da sobretenso ao longo da linha ( V );Z0 Impedncia de surto monofsica da linha ( );Td Tempo de transito ao longo da linha, igual ao comprimento dividido pela

velocidade de propagao da onda na linha ( segundos ).

0

dpl

pl

CFOplCFOPR Z

TUU

U2ln1UNU2E

+=

( )0

dpsLpsPR Z

TUUU2E =

63

(4.3) Manobra de bancos de capacitores ou cabo:Os bancos de capacitores atualmente instalados em empresas concessionrias deenergia eltrica e consumidores industriais variam de poucas dezenas a vriascentenas de MVAR, sendo atualmente conectados tanto em Delta como emEstrela, podendo ser neste caso em estrela aterrada ou isolada.Apesar de que uma parcela significativa dos disjuntores atualmente instalados solivres de restrike, em muitos dos casos estes bancos so chaveados vriasvezes ao dia, aumentando a probabilidade da obteno de transitrios elevadosresultantes dessas manobras.

Alm disso, os procedimentos para a verificao do comportamento do disjuntorde restrike-free inclui um nmero limitado de aplicaes e ensaios. Desta forma,a utilizao de pra-raios na proteo de bancos de capacitores no somentefornece proteo ao banco em caso de ocorrncia de reacendimento restrike,como tambm reduz a probabilidade de ocorrncia de restrikes uma vez que acarga residual armazenada sobre os capacitores reduzida.

A aplicao de pra-raios na proteo de bancos de capacitores pode serjustificada por uma srie de fatores, sendo os principais descritos a seguir /8/:- Evitar as falhas nos capacitores em caso da ocorrncia de reacendimento

restrike ou falha nos disjuntores;- Reduzir a probabilidade da ocorrncia de restrikes mltiplos em disjuntores;- Prolongar a vida til dos capacitores instalados, atravs da reduo dos

elevados valores de sobretenses resultantes dos chaveamentos dos bancos;- Proteger os bancos de capacitores conectados s linhas contra sobretenses

transitrias de origem atmosfrica.

A referncia /7/ apresenta a seguinte equao para a determinao da energiaabsorvida pelos pra-raios durante manobras de bancos de capacitores:

C Capacitncia do banco de capacitores ou do cabo ( F );Uo Tenso de operao fase-terra, valor de crista ( kV );UR Tenso nominal do pra-raios, valor eficaz ( kV ).

A equao acima considera a situao mais crtica, correspondente a ocorrnciade reacendimento em disjuntores restrike durante a manobra do banco decapacitores.

( ) ( ) = 2r2sisPR V2V3C21E

64

Um fator importante que deve ser considerado quando do estudo da absoro deenergia devido a manobras de bancos de capacitores, a relao entre acapacidade de absoro de energia e a corrente de descarga que flui pelo pra-raios. De acordo com as referncias /8/ e /9/, a capacidade de absoro deenergia dos elementos de ZnO apresenta uma dependncia com ascaractersticas da corrente de descarga: uma menor capacidade de absoro deenergia obtida para os elementos de ZnO quando da ocorrncia de impulsos decorrente com menores duraes.

A energizao de um banco de capacitores ocasiona a circulao de correntestransitrias (correntes de inrush) de amplitudes elevadas e de curta durao,cuja freqncia depende basicamente da capacitncia do banco de capacitores edas indutncias do circuito. A amplitude e os efeitos dessas correntes podem serreduzidos por meio da utilizao de equipamentos de manobra com pr-inserode resistores srie, ou reatores em srie com os bancos, ou ainda umacombinao de ambos.

Geralmente a durao das correntes de descarga que fluem pelos pra-raiosresultantes das manobras de bancos de capacitores, muito menor do que asduraes das correntes transitrias obtidas durante o ensaio de descarga delinhas de transmisso, definido pela norma tcnica IEC 60.099-4 / 2001 /3/. Poroutro lado, a amplitude das correntes provenientes de descargas de bancos decapacitores geralmente so maiores do que a amplitude das correntesrepresentativas de manobras de linhas de transmisso estabelecidas na IEC.

Desta forma, para se definir a capacidade de absoro de energia requerida paraos pra-raios, quando da proteo de bancos de capacitores, torna-se necessriodeterminar, alm das energias a serem absorvidas, as caractersticas dascorrentes de descarga que fluem pelo pra-raios, resultantes das manobras dobanco de capacitores.

Uma estimativa da corrente que flui pelo pra-raios durante a manobra de umbanco de capacitores conectado em estrela aterrada, proposta na referncia /9/:

IA Corrente que flui pelo pra-raios ( kA );Vsis Tenso nominal do sistema ( kV valor eficaz fase-fase );VR Tenso residual para surto de manobra do pra-raios corrente IA ( kV );IF Corrente de falta do sistema no ponto de localizao do pra-raios ( kA );C Capacitncia monofsica do banco de capacitores ou do cabo ( F ).

( )( ) ( )sis

F2

sisR2

sisA V39

CIV82,0VV6,2I

=

65

Para capacitores shunt instalados em um banco trifsico aterrado, a capacitnciamonofsica do banco pode ser dada por:

C Capacitncia monofsica do banco de capacitores ( F );Qbc Potncia reativa trifsica do banco de capacitores ( MVar );Vsist Tenso nominal do sistema - valor eficaz fase-terra ( kV );

Uma relao entre a capacidade de absoro de energia do pra-raios em funoda corrente de descarga que flui por esse apresentada na Figura III.9 /9/.Verifica-se na figura uma reduo na capacidade de absoro de energia dospra-raios a partir de uma amplitude de corrente de descarga estabelecida,quando da aplicao de impulsos de corrente de manobra com freqncias maisaltas.

Figura III.9 Relao entre a capacidade de absoro de energia ea corrente de descarga que flui pelo pra-raios

A curva apresentada na figura especfica para um determinado fabricante /9/. recomendvel que os fabricantes apresentem informaes referentes aos seuspra-raios, para uma anlise mais criteriosa e precisa do comportamento dospra-raios quando da manobra de bancos de capacitores. No entanto, na ausnciadessas informaes, pode-se considerar vlida a aplicao da relaoapresentada na figura acima.

2sis

6bc

V310QC

=

0,50

0,60

0,70

0,80

0,90

1,00

1,00 1,50 2,00 2,50 3,00 3,50Corrente (pu da corrente de descarga mx.)

Capa

cida

de d

e ab

sor

o d

e En

ergi

a (pu

)

66

A referncia /8/ sugere considerar a capacidade de absoro de energia do pra-raios para descargas de bancos de capacitores equivalente a 80% do valor para aenergia de um impulso, apresentado em seus catlogos tcnicos.

Outro fator importante conhecer a mxima corrente de descarga, a partir da qualpoder ocorrer uma reduo na capacidade de absoro de energia do pra-raios.

Detalhes especficos quanto a determinao da capacidade de absoro deenergia dos pra-raios aplicados em redes de distribuio e subestaesencontram-se nos Captulos IV e V, respectivamente.

Uma vez determinada as energias mnimas requeridas pelos pra-raios para osdiferentes eventos e conhecendo-se a tenso nominal do pra-raios utilizado, possvel obter-se a energia necessria para os pra-raios, em kJ / kV da tensonominal.

Outros casos podem resultar em grande absoro de energia pelo pra-raioscomo por exemplo, a utilizao de fusveis limitadores de corrente, ou quando dainstalao de pra-raios com baixo nvel de proteo.

As Figuras III.10 a III.12 abaixo, apresentam informaes baseadas em ensaiosexperimentais. realizados em laboratrio quanto s energias especficasabsorvidas pelos pra-raios em kJ / kV nominal em funo da relao entre atenso residual do pra-raios e a sua tenso nominal /10/.

Figura III.10 Energia especfica ( kJ / kV nominal) em funo da relaoentre a tenso residual (Ua) e a tenso nominal (Ur)

Parmetro: Descarga de linhas de transmisso

67

Figura III.11 Energia especfica ( kJ / kV nominal) em funo da relaoentre a tenso residual (Ua) e a tenso nominal (Ur)

Parmetro: Impulso de corrente elevada 4/10 s. O nvel de proteo vlidopara a amplitude da corrente considerada.

Figura III.12 Energia especfica ( kJ / kV nominal) em funo da relaoentre a tenso residual (Ua) e a tenso nominal (Ur)

Parmetro: Impulso de corrente 8/20 s. O nvel de proteo vlido para aamplitude da corrente considerada.

68

(5) Definio da corrente suportvel de falta:De modo a evitar riscos a pessoas e aos demais equipamentos instalados nassuas proximidades, os pra-raios devem ser projetados para suportarmecanicamente os efeitos das correntes de curto-circuito, em caso de suaeventual falha.

Em pra-raios com invlucro de porcelana ou polimricos que apresentemespaamentos internos de ar entre os elementos ativos e a parte interna doinvlucro o dispositivo de alvio de sobrepresso deve atuar, de modo a evitar afragmentao ou exploso do invlucro. No caso de pra-raios polimricos semespaamentos internos de ar, esses devem suportar mecanicamente os esforosda corrente de curto-circuito sem liberao ou desprendimento de sua parte ativa.

No caso de uma eventual falha do pra-raios flui atravs desse uma correntecorrespondente a corrente prospectiva de curto-circuito do sistema, que pode serdeterminada por:

IFALTA Corrente de curto-circuito do sistema no ponto de instalao ( kAef );PCC Potncia de curto-circuito do sistema no ponto de instalao ( MVA );Vn Tenso nominal do sistema ( kV ).

Conhecendo-se a corrente de curto-circuito do sistema possvel estabelecer acorrente de alvio de sobrepresso (para pra-raios de porcelana) ou a correntesuportvel de falta (para pra-raios polimrico). Desta forma, os pra-raios devemser dimensionados em funo da mxima corrente de curto-circuito do sistema, noponto de instalao do pra-raios.

(6) Condies de servio (ambientais):Quando da especificao de um pra-raios deve-se levar em considerao ascondies ambientais em relao ao ponto de instalao do pra-raios.

Os nveis de poluio, aplicados a invlucros de porcelana, so definidos pelanorma tcnica IEC 60.815, de acordo com 4 nveis:

- Nvel de poluio leve: distncia de escoamento de 16 mm / kVfase-fase- Nvel de poluio moderado: distncia de escoamento de 20 mm / kVfase-fase- Nvel de poluio alto: distncia de escoamento de 25 mm / kVfase-fase- Nvel de poluio muito alto: distncia de escoamento de 31 mm / kVfase-fase

( )n

CCFALTA V3

MVAPI

=

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O usurio deve especificar a distncia mnima de escoamento em funo dascaractersticas da regio onde os pra-raios sero instalados. Pra-raios cominvlucro de porcelana apresentam geralmente distncias de escoamento naordem de 20 mm / kVfase-fase, enquanto que os pra-raios com invlucro polimricoapresentam valores geralmente superiores a 25 mm / kVfase-fase

(7) Determinar as caractersticas de proteo do pra-raios escolhido:Uma vez definida as caractersticas do pra-raios o prximo passo obter os seusnveis de proteo para impulsos atmosfrico e de manobra.

A caracterstica de proteo dos pra-raios depende basicamente do tipo de pra-raios utilizado, devendo estar abaixo dos valores normalizados.

(8) Localizar o pra-raios o mais prximo possvel do equipamento a serprotegido:

Os pontos de aterramento dos pra-raios e dos equipamentos devem, se possvel,ser interligados eletricamente.

(9) Determinar a tenso na isolao a ser protegida, que resultar dalimitao imposta ao pra-raios, levando em conta as distncias deseparao e outros fatores aplicveis ao ponto de utilizao.

No Captulo I, foram apresentadas informaes sobre os princpios bsicos decoordenao do isolamento no sendo considerados, naquele momento, osefeitos dos cabos de conexo e da distncia de separao entre os pra-raios eos equipamentos protegidos.

No entanto, de forma a otimizar a proteo dos equipamentos devido assobretenses, deve-se determinar a tenso nos terminais dos equipamentosprotegidos considerando os efeitos dos cabos de conexo e da distncia deseparao.

As correntes de descarga ao flurem atravs da indutncia dos cabos de ligaodos pra-raios provocam uma queda de tenso (VL = L . di / dt) que deve seradicionada a tenso residual do pra-raios correspondente a amplitude dacorrente de descarga. O comprimento total desses cabos medido do ponto noqual realizada a conexo da linha ao terminal de alta tenso do pra-raios at oponto em que feita a interconexo do ponto de neutro pra-raios com o terra doequipamento protegido.

Um valor de tenso usualmente utilizado de 5,25 kV / metro de cabo de ligao,para uma taxa de crescimento da corrente de 4 kA / s.

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Embora as tenses nos cabos de ligao dos pra-raios desenvolvidas nos nveisde coordenao do isolamento de 10 kA e 20 kA com forma 8/20 s sejamaproximadamente um quarto e metade do valor de 5,25 kV / metro,respectivamente, importante manter os comprimentos to curtos quantopossvel. O efeito do comprimento dos cabos de conexo mais crtico em redesexpostas a descargas diretas e localizadas em regies com elevada incidncia dedescargas atmosfricas, onde impulsos de corrente atmosfricos podemapresentar amplitudes e taxas de crescimento bem superiores aos usualmenteutilizados. Por exemplo, para uma taxa de crescimento da corrente de 10 kA/s, oacrscimo de tenso devido aos efeitos de conexo ser de 13 kV/m de conexo.Comprimentos excessivos dos cabos de ligao podem eliminar o fator desegurana definido para a margem de proteo para impulsos atmosfricos.

Os pra-raios de distribuio so utilizados freqentemente para proteo de umnico equipamento e, portanto, devem ser conectados to prximo quantopossvel do equipamento protegido o que reduz os efeitos da distncia deseparao.

J os pra-raios classe estao apresentam geralmente uma distncia deseparao em relao aos equipamentos protegidos, distncia esta que provocauma tenso que deve ser adicionada a tenso residual dos pra-raios quando dadeterminao da tenso nos terminais dos equipamentos protegidos. Como regrageral, a tenso no equipamento protegido maior que a tenso residual do pra-raios. Por conseguinte, sempre recomendvel a reduo da distncia deseparao entre o pra-raios e o equipamento protegido a um valor mnimopossvel.

Detalhes quanto aos procedimentos para a determinao do efeito da distncia deseparao so apresentados no Captulo IV.

(9). Determinar as tenses suportveis nominais de impulso da isolao aser protegida (seo I.2 Captulo I).

(10). Verificar se as margens de proteo esto adequadas:A margem de proteo para surtos atmosfricos ou de manobra definida comoa diferena entre o nvel mnimo de suportabilidade do equipamento e o nvelmximo de proteo do pra-raios para as sobretenses acima, acrescidos dosefeitos dos cabos de conexo e da distncia de separao, quando necessrio.

Quanto maior for a margem de proteo, menores riscos de danos porsobretenses tero os equipamentos protegidos.

A proteo adequada de um equipamento pode ser realizada com base emcomparaes de pontos distintos da curva tenso x tempo.

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Existem trs relaes de proteo em uso que comparam os nveis de proteocom os nveis de suportabilidade correspondentes, conforme apresentado naseo I.3.2, adicionando-se os efeitos dos cabos de conexo e da distncia deseparao.

TSIACF Tenso suportvel de impulso atmosfrico cortado na frenteNPFO Nvel de proteo do pra-raios para frente de ondaV Tenso a ser adicionada ao nvel de proteo do pra-raios devido

aos efeitos dos cabos de conexo e da distncia de separao entreo pra-raios e o equipamento protegido.

Para isolamento em leo, em ar e slidos de origem inorgnica a tensosuportvel de impulso atmosfrico cortado na frente pode ser considerada comosendo igual a 1,15 vezes a tenso suportvel nominal de impulso atmosfrico.Para isolamento slido de origem orgnica a tenso suportvel de impulsoatmosfrico cortado considerada como sendo igual a tenso suportvel nominalde impulso atmosfrico.

TSNIA Tenso suportvel nominal de impulso atmosfricoNPIA Nvel de proteo do pra-raios para impulso atmosfricoV Tenso a ser adicionada ao nvel de proteo do pra-raios devido

aos efeitos dos cabos de conexo e da distncia de separao entreo pra-raios e o equipamento protegido.

TSNIM Tenso suportvel nominal de impulso de manobraNPIM Nvel de proteo do pra-raios para impulso de manobra

Equipamentos aplicados em sistemas de Alta e Extra Alta tenses apresentam ascaractersticas de suportabilidade para surtos de manobra definidas (Tabela A.3 Seo I.2 Captulo I).

( )tVNPFOTSIACFMP1 +

=

( )tVNPIATSNIAMP2 +

=

NPIMTSNIMMP3 =

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J no caso dos equipamentos aplicados a sistemas de distribuio e detransmisso com mximas tenses operativas at 245 kV (Tabela A.2 Seo I.2 Captulo I), no se dispe geralmente das informaes referentes asuportabilidade a surtos de manobra. Neste caso, considera-se a suportabilidadepara surtos de manobra como sendo equivalente a 83% da tenso suportvelnominal de impulso atmosfrico.

Como regra geral, as margens de proteo MP1 e MP2 devem ser no mnimo de20%. Todavia, na prtica, tem-se observado a existncia de sistemas de proteocom margens de proteo (MP) muito acima de 20%. Quando os pra-raios soconectados diretamente ao equipamento protegido os efeitos de separao e doscabos de conexo so minimizados. Neste caso, a margem de proteo MP1usualmente pode ser desprezada.

III.6 Referncias bibliogrficas

/1/ NBR 5287, "Pra-raios de resistor no-linear a Carboneto de Silcio (SiC)para circuitos de potncia de corrente alternada Especificao, 1988.

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/3/ IEC 60099-4 Surge Arresters - Part 4: "Metal-Oxide surge arresters withoutgaps for a.c. systems", 2001.

/4/ ANSI C62.11, "IEEE Standard for Metal-Oxide surge arresters for AC powercircuits", 1993.

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/6/ Draft IEC 37/195/CDV, Surge Arresters Section 6: Diagnostic indicatorsof metal-oxide surge arresters in service, Amendment 1 to IEC 99-5, 1998

/7/ IEC 99-5, Surge arresters Part 5: Selection and applicationrecommenndations, First Edition, 1996.

/8/ ABB Technical information Guidelines for Selection of surge Arresters forShunt Capacitor Banks.

/9/ Ohio Brass Co., Application Guide DynaVar Metal-Oxide SurgeArresters, Bulletin EU-HR 10/90.

/10/ Strenstron L., Proposal for a test procedure to determine the arresterenergy capability as function of the duration of current flow, SC33-92(WG11) IWD.

/11/ Djuz, Ary. Et alii, Equipamentos Eltricos Especificao e Aplicao emSubestaes de Alta Tenso, Furnas Centrais Eltricas, UniversidadeFederal Fluminense / EDUFF, 1985

/12/ CEPEL / ELETROBRS, Curso sobre Pra-raios de Distribuio, Estaoe Linhas de Transmisso CPAR, Outubro 1977.

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/13/ Martinez, M. L. B., Pra-raios para sistemas de Mdia Tenso Caractersticas Tcnicas e Aplicao a Sistemas de Potncia; Dissertaode Mestrado, EFEI, Dezembro 1992.

/14/ De Franco, J. L., Curso sobre pra-raios, CEPEL, Novembro 1986./15/ ANSI IEEE Std C62.22, IEEE Guide for the Application of Metal-Oxide

surge Arresters for Alternating-Current Systems, 1991.