ATERRAMENTO E PROTEÇÃO CONTRA RAIOS EM SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO

Transcrição

1 (Artig publicad na Revista Intech Brasil de Nvembr de 2007) ATERRAMENTO E PROTEÇÃO CONTRA RAIOS EM SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO Resum A prteçã de sistemas de autmaçã cntra descargas atmsféricas e seus efeits (rais) é nrmalmente cnsiderada fra da área EMC (EMC Electrmagnetic Cmpatibility) uma vez que na área EMC bjetivams evitar interferências enquant que na prteçã cntra rais bjetivams evitar avarias de circuits. Entretant, técnicas EMC sã necessárias à prteçã cntra rais e as medidas de prteçã cntra rais têm necessariamente que estar integradas cm as demais técnicas EMC usadas para a instalaçã d sistema de autmaçã. Sb esta perspectiva trna-se evidente a imprtância d sistema de aterrament na prteçã de sistemas de autmaçã, u instrumentaçã, cntra descargas atmsféricas e seus efeits Palavras-chave EMC, Prteçã cntra rais, Aterrament, Prteçã cntra surts, Cmpatibilidade Eletrmagnética. QEMC Engenharia, Qualidade e Cmpatibilidade Eletrmagnética Brasil (Rbert Menna Barret) Caixa Pstal Ri de Janeir Tel: , Fax: menna@qemc.cm.br Prtugal (Luís Menéres) Av. D. Afns Henriques, 1196 sala Matsinhs Tel: , Fax: meneres@quemc.pt

2 ATERRAMENTO E PROTEÇÃO CONTRA RAIOS EM SISTEMAS DE AUTOMAÇÃO D 1. PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS E SEUS EFEITOS entre as diferentes fntes de perturbaçã eletrmagnética (EM) que pdem afetar a peraçã de sistemas de autmaçã, as descargas atmsféricas (rais) certamente se cnstituem numa das mais imprtante delas. Ist deve-se a fat de que, pr um lad, as cnseqüências das descargas atmsféricas representam quase sempre custs bastantes elevads, incluind a própria segurança das pessas e equipaments instalads, e pr utr lad as características destas instalações, muitas vezes lcalizadas em áreas remtas e espalhadas pr uma grande área, fazem cm que s sistemas de autmaçã se trnem bastante vulneráveis a qualquer rai que crra na regiã, nmeadamente num país cm nss cm altíssima incidência de rais. Para a prteçã de sistemas de autmaçã cntra descargas atmsféricas e seus efeits deverã ser cnsideradas tdas as pssíveis entradas de energia EM [1], incluind: Prteçã das estruturas cntra descargas diretas nde deve ser implementad um SPDA (Sistema de Prteçã cntra Descargas Atmsféricas) tend em cnsideraçã as diferentes estruturas (prédis, trres de antenas, depósits, etc.) instaladas num determinad lcal (resistividade d sl, índice ceráunic, etc.). A eficiência d SPDA implementad deve estar de acrd cm a análise de risc a ser desenvlvida tend pr referência a Nrma Brasileira sbre Prteçã de Estruturas cntra Descargas Atmsféricas (NBR 5419/05). Prteçã cntra pulss EM a prteçã cntra pulss EM (LEMP - Lightning Electrmagnetic Pulse) também deve ser bjetivada pel prjet d SPDA, muit embra uma mair parte das medidas de prteçã pssam ser realizadas pela própria tplgia d sistema. Perturbações EM ns cabs de cmunicaçã nde deve ser estimad risc de avarias levand-se em cnsideraçã as características d cab (aére u enterrad, blindad u nã, cmpriment, tip de islament, etc.) e ambiente em que está instalad (resistividade d sl, estruturas adjacentes, etc.). Uma vez identificads cab e sua instalaçã, é pssível se calcular a necessidade de medidas de prteçã, que pdem incluir us de DPS s (Dispsitiv de Prteçã cntra Surts) u utras alternativas, pr frma a garantir que cab e s equipaments interligads se apresentem dentr ds limites para risc de avarias tlerad, a ser definid pel peradr d sistema. Surts de tensã e crrente induzids pr descargas indiretas (aquelas que nã atingem diretamente as edificações nde estã instalads s equipaments d sistema de autmaçã mas que,

3 pr acplament resistiv u indutiv, casinam apareciment de tensões/crrentes n sistema) sã a principal causa de avarias em equipaments de autmaçã. Sistema de aterrament nde devem ser levads em cnsideraçã s requisits indicads pel prjet d SPDA cm também as necessidades (EMC) para peraçã ds váris equipaments instalads. A esse respeit deve-se bservar que a idéia de uma baixa resistência de terra nã significa prteçã cntra descargas atmsféricas - é muit mais imprtante uma cnfiguraçã aprpriada para disslver hmgeneamente as crrentes riundas de descargas atmsféricas, evitand a crrência de ptenciais de risc, que um baix valr de resistência para a terra, muit embra um baix valr deve ser bjetivad sempre que fr técnic-ecnmicamente viável. O sistema de aterrament é também principal mecanism de prteçã cntra s camps EM riginads pelas crrentes das descargas atmsféricas. Sistema de energia nde a rede de distribuiçã de energia AC deve ser cnsiderada cm uma ligaçã d sistema eletrônic a várias fntes de perturbaçã EM além da própria fnte de energia. Devem ser levads em cnta neste aspect tant as variações de tensã (sbretensã, fickers, harmónics, etc.) cm s surts de tensã/crrente (gerads pr descargas atmsféricas u chaveament de cargas indutivas). Neste trabalh é prpsta uma visã mais abrangente da prteçã de sistemas de autmaçã cntra descargas atmsféricas e seus efeits, tend pr referência a clcaçã da prteçã cntra rais dentr d âmbit da Cmpatibilidade Eletrmagnética. 2. COMPATIBILIDADE ELETROMAGNÉTICA Cmpatibilidade Eletrmagnética (EMC Electrmagnetic Cmpatibility) pde ser definida cm a capacidade de um dispsitiv, unidade de equipament u sistema, para funcinar satisfatriamente n seu ambiente eletrmagnétic sem intrduzir, ele própri, perturbações eletrmagnéticas intleráveis naquele ambiente. Uma cnfiguraçã EMC é assegurada cm certa facilidade numa instalaçã, pr exempl de telecmunicações, exigind-se que cada unidade de equipament cumpra cm nrmas EMC, as quais abrdam tant aspect de emissã ( equipament se cnstituind numa fnte de perturbaçã EM) cm de imunidade ( equipament nã send afetad pr perturbações EM n ambiente). Estas nrmas EMC (ref.: resluçã da ANATEL nº 442 de 21 de julh de 2006 Regulament para certificaçã de equipaments de telecmunicações quant as aspects de cmpatibilidade eletrmagnética) permitem assim uma certa liberdade na instalaçã ds váris equipaments, evitand a crrência de prblemas de EMI causads pr fntes internas (unidades de equipament) e mesm para a mair parte das fntes externas. Entretant, quand cnsiderams a instalaçã de equipaments eletr-eletrônics, e em particular n Brasil nde ainda nã existe uma nrmalizaçã abrangente em EMC, cmpnd um Sistema de Autmaçã em ambientes mais severs, cm pr exempl de Subestaçã Elétrica (SE), uma nva situaçã se apresenta, qual seja:

4 nível de emissã/imunidade de cada equipament nã está claramente definid, a mens que haja a cmprvaçã de cumpriment cm nrmas EMC específicas; nível de emissã/imunidade d Sistema da Autmaçã nã é necessariamente mesm nível ds equipaments que cmpõe devid, pr exempl, as cabs de intercnexã que trnam sistema mais vulnerável à influência de perturbações radiadas; e s níveis de perturbações eletrmagnéticas pdem diferir drasticamente daqueles nrmalmente usads cm referência na elabraçã das nrmas EMC (ambientes residenciais e industriais), cm pr exempl n camp, em áreas de grande incidência de descargas atmsféricas, u em ambiente de SE. Desta frma, sistemas de autmaçã instalads em ambientes cm de SE sã passíveis de sfrer prblemas de EMI, mesm quand s equipaments cumprem cm nrmas EMC. Os níveis de imunidade a serem bservads pels diverss equipaments, cnsante suas lcalizações, sã determinads bjetivand-se garantir a peraçã crreta ds equipaments instalads. Pr exempl, para as prtas AC de entrada/saída, pde ser exigid um nível de imunidade a transitóris rápids/salvas de acrd cm a nrma EN , cm amplitude de 2 kv, para equipaments a serem instalads n camp, u cm amplitude de 4 kv, para equipaments a serem instalads em subestações de alta tensã. Cas s equipaments nã satisfaçam estes requisits, u quand nível de perturbaçã eletrmagnética é superir, deverã ser entã implementadas medidas crretivas cmplementares. 3. A IMPORTÂNCIA DO SISTEMA DE ATERRAMENTO Para a implementaçã de medidas crretivas cmplementares cm bjetiv de se eliminar as eventuais interferências eletrmagnéticas tems inicialmente que identificar a fnte de perturbaçã eletrmagnética ( que está gerand as perturbações eletrmagnéticas, que tant pde ser interna cm externa a sistema), mecanism de acplament (cm que as perturbações eletrmagnética geradas sã acpladas a circuit) e receptr ( circuit que está send afetad). Entã é pssível slucinar prblema trabalhand-se num u mais destes cmpnentes para se reduzir ruíd acplad. N cas da instalaçã de Sistemas de Autmaçã pdems cnsiderar que nrmalmente nã é cnveniente, nem mesm pssível, se trabalhar n receptr e muitas vezes nem na fnte de perturbaçã eletrmagnética. Nã é cnveniente se trabalhar n receptr uma vez que equipament já estaria definid pel fabricante e pde nã ser cnveniente se trabalhar nas fntes de perturbações eletrmagnéticas, principalmente se estas já tiverem sid implementadas. Ns resta entã trabalhar n acplament!

5 Perturbações EM sã acpladas em circuits eletrônics através de três mecanisms básics: acplament capacitiv (camps elétrics), acplament indutiv (camps magnétics) e acplament pr impedância cmum (de aterrament). Praticamente tdas as técnicas que se aplicam para a eliminaçã destes mecanisms de acplament, assim cm filtragem, blindagem, balanceament, etc., estã diretamente relacinadas cm sistema de aterrament. Pr exempl, para se evitar acplament de camps magnétics em cabs de sinal, a técnica básica é a eliminaçã da área d lp definida pel flux de crrente uma blindagem pde ser usada neste sentid, prém seu us é rientad para a reduçã da área d lp, ist é, cm a blindagem é aterrada. Desta frma, a essência da cmpatibilidade eletrmagnética de um Sistema de Autmaçã, cm caracterizad acima, é seu própri sistema de aterrament. Muitas vezes sistema de aterrament é cnfundid inadvertidamente cm cnceit de malha de terra um baix valr de resistência de terra nã é relevante para EMC. 4. EMC E PROTEÇÃO CONTRA RAIOS A prteçã cntra descargas atmsféricas e seus efeits é nrmalmente clcada fra d âmbit EMC pr razões históricas, nmeadamente pr envlver nã smente EMI cm principalmente dans numa dada instalaçã. Entretant, se clcarms a prteçã cntra descargas atmsféricas e seus efeits dentr d âmbit EMC, uma vez que as descargas atmsféricas e seus efeits cnstituem também perturbações eletrmagnéticas, uma nva situaçã se apresenta, a qual deixa bastante clar tant a natureza d prblema, cm s prcediments a serem seguids. Neste cntext terems naturalmente que usar as mesmas técnicas EMC, só que agra aplicadas à prteçã cntra rais numa base prbabilística. E cm analisad anterirmente, principal trabalh a ser desenvlvid reside n mecanism de acplament, uma vez que nrmalmente nã estams apts para mdificar a fnte (as próprias descargas) nem receptr (uma unidade de equipament). Assim, sistema de aterrament assume assim papel prepnderante na prteçã de uma instalaçã de um sistema de autmaçã cntra descargas atmsféricas e seus efeits, e deve ser prjetad para: Evitar que perturbações EM de grande intensidade sejam acpladas ns circuits; Evitar que as perturbações EM acpladas ns circuits, pssam casinar surts de tensã e crrente perigss para s circuits. Muitas vezes que é feit é a implementaçã d Sistema de Aterrament baseada em smente dis u três critéris genérics, tais cm: A resistência de terra deve ser inferir

6 a 5 hms; A cnfiguraçã em estrela deve ser implementada; Deve-se evitar s lps de terra ; deve-se fazer uma equalizaçã de ptencial; etc. Via de regra estes critéris nã sã suficientes e nem mesm necessáris. A cnseqüência entã é um númer bastante elevad de prblemas sempre que crre uma situaçã de risc, assim cm aquelas riginadas pr rais, pr exempl. Entã se inicia uma busca pr prduts especiais, tal cm um super DPS (Dispsitiv de Prteçã cntra Surts) que pssa reslver prblema, quand na verdade prblema é de utra categria. 5. UMA METODOLOGIA PARA O SISTEMA DE ATERRAMENTO Numa instalaçã pdem existir diferentes Sistemas de Terra, cm sã nrmalmente chamads, assim cm: Terra AC; Terra DC; Terra de RF; Terra de prteçã; Terra de sinal; Terra d pára-rais; etc. Além diss, existem diverss pnts ( grund pints ) para serem aterrads nestes diferentes Sistemas de Terra, assim cm Terra (Massa) lógic, Terra (Massa) da carcaça, Terra (Massa) da blindagem, etc. O circuit interligand tds estes diferentes Terras, Massas, Grunds, etc., é que cnstitui chamad de Sistema de Aterrament, qual requer um prjet específic cada instalaçã de Sistema de Autmaçã tem as suas próprias particularidades! Para se respnder as bjetivs apresentads acima na prteçã de uma instalaçã de um sistema de autmaçã cntra descargas atmsféricas e seus efeits, é cnveniente a aplicaçã d cnceit de znas de prteçã para prjet e implementaçã d sistema de aterrament. Nesta abrdagem, ambientes eletrmagnétics (nde s equipaments irã perar) sã sucessivamente aprimrads cntrland-se a prpagaçã das perturbações EM geradas pr rais de uma zna para utra, através de blindagem eletrmagnética. O efeit de blindagem é btid em cada zna de prteçã através de uma cnfiguraçã aprpriada d sistema de aterrament. Eletrds de terra Muits frnecedres de sistemas de autmaçã exigem um valr máxim de resistência de terra, pr exempl, de 1 u 5 Ohms. Embra seja extremamente rar se encntrar uma justificativa teórica para suprtar essa exigência, iss tende a ser um critéri geral e é só, muit embra subsistema de eletrds de terra seja imprtante para a peraçã adequada de sistemas de autmaçã. Entretant, deve-se ter em mente que a existência de um baix valr de resistência de terra nã significa prteçã cntra rais. Na verdade, é muit mais imprtante uma tplgia capaz de disslver as crrentes ds rais n sl sem a criaçã de diferenças elevadas de ptencial d que um baix valr de resistência de terra, embra um baix valr deva ser bjetiv básic, sempre que pssível.

7 A cntribuiçã da cablagem para sistema de aterrament N que se refere as cabs interns (dentr de uma edificaçã, definind uma zna de prteçã) de um sistema de autmaçã, a mair dificuldade reside em lidar cm as crrentes em md cmum, uma vez que flux de crrente nã é tã fácil de ser identificad já que depende de um grande númer de variáveis assim cm freqüência, dispsiçã física ds cmpnentes, camps eletrmagnétics, etc. [2]. A implementaçã de diferentes caminhs alternativs para a circulaçã de crrentes é uma das medidas que pderã ser adtadas uma vez que as crrentes irã sempre seguir s caminhs ns quais flux abrangid é mínim. Para cntrle d acplament de crrentes n md cmum (cm aquelas nrmalmente induzidas pr rais) é entã bastante cnveniente rteament ds cabs de energia e sinal próxims a um cndutr aterrad. Este cndutr de terra em paralel, pr exempl uma bandeja para a passagem de cabs aterrada em ambs s extrems, irá desviar crrentes em md cmum ds circuits em md diferencial, cabs u sua blindagem. N que se refere as cabs externs (fra de uma edificaçã), DPS s (Dispsitivs de Prteçã cntra Surts) sã nrmalmente usads em tds s cabs que entram na edificaçã, tais cm cabs de energia, linhas de telefne, cabs de antenas, etc., cm bjetiv de garantir que nível ds surts de tensã e crrente seja menr que nível de resistibilidade ds equipaments. Dispsitivs de prteçã cntra surts (DPS) O us de DPS s (Dispsitivs de Prteçã cntra Surts) é, na verdade, um recurs de aterrament a ser usad quand, devid às características da instalaçã, é passível a crrência sbretensões transitórias cm amplitude superir as níveis de resistibilidade ds equipaments. O dispsitiv de prteçã cntra surts (DPS) é um cmpnente usad para limitar tensões transitórias e desviar as crrentes de surt para fra ds equipaments prtegids. Esse tip de dispsitiv pde ser usad em tds s cabs que entram nas edificações (znas de prteçã), tais cm cabs de energia, linhas de telefne e cabs de antenas, cm bjetiv de garantir que nível das sbretensões/sbrecrrentes, cm aquelas acpladas pr rais, seja menr que nível de resistibilidade ds equipaments. A instalaçã e a especificaçã d DPS sã dis fatres fundamentais a se ter em cnta na prteçã de sistemas de autmaçã. N que diz respeit à instalaçã desses cmpnentes, deve-se lembrar que as crrentes de surt desviadas sempre vã para algum lugar n circuit. Elas simplesmente nã desaparecem. O sistema de aterrament é destin dessas crrentes. Cm cnseqüência, é extremamente imprtante que sejam frnecids caminhs de baixa impedância para as crrentes de surt desviadas, evitand-se assim desenvlviment de tensões elevadas n sistema de aterrament.

8 N que diz respeit à especificaçã d DPS, existem diferentes cmpnentes que sã usads ns circuits de prteçã, assim cm dispsitivs de tubs de gás, spark gaps, varistres, dids avalanche, filtrs, enlaces óptics e transfrmadres. Cada tip de dispsitiv tem vantagens e desvantagens cm relaçã a uma aplicaçã em particular. Para a especificaçã adequada d dispsitiv de prteçã cntra surts (DPS) as seguintes questões devem ser respndidas: qual a freqüência das perturbações (rais)?; quais s parâmetrs esperads dessas perturbações?; qual a máxima tensã residual para cada frma de nda que equipament prtegid pde suprtar? DPS s sã nrmalmente instalads junt as equipaments que estariam send prtegids, mas esta nã é necessariamente a cndiçã para tdas as instalações. Em muitas aplicações s DPS s sã instalads a lng ds cabs de cmunicaçã pr frma a dividir cmpriment d cab e assim reduzir a amplitude das sbretensões acpladas. Prcediments de manutençã Cmpletand prjet e instalaçã das medidas de prteçã referenciadas acima, é sugerida a implantaçã de prcediments interns que favreçam a cnslidaçã d prjet e a absrçã da tecnlgia em EMC e a sua aplicaçã nas diferentes áreas da empresa a lng d temp. A implantaçã destes prcediments EMC deverá ser precedida pr ações de frmaçã em EMC, realizadas em diferentes níveis de detalhament para as equipes de manutençã, e pderá cntemplar as seguintes atividades: Registrs EMC - cmpreende cnjunt de medições e registrs a serem realizads a lng d an, pdend incluir a verificaçã das cntinuidades elétricas, a mediçã da qualidade de energia, registr de avarias, a mediçã periódica ds valres de resistência de terra nas várias instalações, etc. Diretrizes EMC - cmpreende a elabraçã de dcuments relativs à área EMC para efetivaçã da cultura técnica neste dmíni, s quais pderã se classificar cm: Métds EMC, caracterizand-se pela definiçã das metdlgias a serem adtadas (pr exempl, a mediçã da qualidade da energia elétrica n lcal); Especificações EMC, caracterizand-se pela definiçã ds requisits de prjet e/u prduts a serem brigatriamente bservads (pr exempl, nível de imunidade ds equipaments para perturbações n sistema de energia); e Relatóris Técnics, caracterizand-se pela definiçã das técnicas a serem usadas (pr exempl, s requisits para a rede de terra). Análise EMC - cmpreende Levantament das diversas instalações existentes (identificaçã d Sistema de Aterrament, características elétricas ds equipaments e cabs assciads, medidas de prteçã instaladas, etc.), seus Histórics de Avarias e a Identificaçã das situações críticas (seja em terms da necessidade de se garantir a

9 peraçã crreta d subsistema pela sua imprtância estratégica, seja em terms d históric de avarias apresentad, e custs assciads). Prjets EMC cmpreende a identificaçã das causas das avarias para as situações críticas identificadas, abrdand Prjet de Medidas Crretivas, a Instalaçã de prduts e materiais para este fim e a Verificaçã ds resultads btids. 6. CONCLUSÃO A prteçã de sistemas de autmaçã cntra rais é, basicamente, um sinônim para EMC, e EMC é, essencialmente, um sistema de aterrament adequad. A utilizaçã de Dispsitivs de Prteçã cntra Surts (DPS s) é uma prática bastante utilizada para a prteçã de equipaments eletrônics. Embra tdas as nrmas nacinais e internacinais apntem numa utra direçã, nme crret para este tip de dispsitiv deveria ser DAT Dispsitiv de Aterrament Transitóri, prque esta é a funçã dele, e nã simplesmente DPS Dispsitiv de Prteçã cntra Surts, prque esta é a finalidade cm a qual é usad, deixand-se talvez até malicisamente uma margem para se imaginar que fat de se usar um DPS basta em si mesm. Atualmente, ainda nã existe uma metdlgia geral para suprtar prjet de sistemas de aterrament de frma a se garantir uma cnfiguraçã EMC, devid às muitas variáveis envlvidas. A aplicaçã das diretrizes apresentadas neste trabalh pderá nrtear a implantaçã e a manutençã de sistemas de aterrament aprpriads à prteçã de sistemas de autmaçã cntra descargas atmsféricas e seus efeits. 7. REFERÊNCIAS [1] R. Menna Barret, The prtectin f telecmmunicatin systems, Prceedings f the 5th h Internatinal Sympsium n Lightning Prtectin, pp , Sã Paul, Brazil, Mai [2] R. Menna Barret, EMC fr telecmmunicatin system earthing, Prceedings f the Internatinal Cnference n Grunding and Earthing, pp , Bel Hriznte, Brasil, Janeir [3] R. Menna Barret, Grunding fr telecmmunicatins systems, ITEM 2001 The Internatinal Jurnal f EMC, pp , USA, Janeir 2001.