Protecção de Sobretensões. Luis Cabete Nelson Vieira Pedro Sousa

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1 Protecção de Sobretensões Luis Cabete Nelson Vieira Pedro Sousa

2 Sobretensões São as diferenças de potencial anormais que se produzem num circuito eléctrico, como consequência de diversas perturbações, sendo susceptíveis de danificar os componentes desses sistemas ou de prejudicar a sua correcta exploração, se não forem tomadas medidas de protecção adequadas.

3 Tipos de Sobretensões: Sobretensões Transversais Sobretensões Longitudinais

4 Sobretensões Transversais Quando o potencial ultrapassa o seu limite de variação normal Estas sobretensões medem-se em relação à terra ou entre condutores Provocam descargas sob a forma de arco eléctrico entre condutores ou entre condutores e terra

5 Sobretensões Longitudinais Quando o gradiente da tensão atinge valores superiores aos que se verificam em condições normais. Manifestam-se se entre espiras ou entre dois pontos próximos de um mesmo condutor resultando pequenas faíscas que provocam a perfuração dos isolantes.

6 Classificação das sobretensões de acordo com a sua origem Sobretensão Interna Sobretensão Externa

7 Sobretensão Interna Sobretensão cuja origem se situa no próprio prio sistema onde se verifica. É originada pelo estabelecimento ou pelo corte de determinados circuitos. Incluem-se as chamadas sobretensões de manobra, como as que resultam da abertura de disjuntores ou da ligação das linhas em vazio.

8 Sobretensão Externa Sobretensão cuja origem é exterior ao sistema em que se verifica. Incluem-se as sobretensões de origem atmosférica, devidas à acção do raio, bem como as sobretensões devidas à comunicação directa ou indirecta de uma instalação eléctrica com outra instalação de tensão diferente.

9 Efeitos das Sobretensões Podem colocar vidas humanas em perigo A nível n vel económico: - destruição dos equipamentos - interrupção do fornecimento de energia

10 Descargas atmosféricas Protecção contra Sobretensões

11 Estudo das Descargas Atmosféricas Nível Cerâunico é o número n de dias em que, durante o ano, se ouve trovejar na região ou no local considerado. Densidade de descargas no solo é o número n de descargas por quilómetro quadrado e por ano. Ns = Ni ( 0,1+0,35 cosα ) α representa a latitude da região considerada

12 Curvas de Nível N Cerâunico Protecção contra Sobretensões

13 Onda de Choque Normalizada 1,2/50 Protecção contra Sobretensões

14 Equipamentos para protecção contra Descargas Atmosféricas Pára-Raios - Haste de Franklin - Gaiola de Faraday Descarregadores de Sobretensões (DST) Explosores

15 Protecção contra descargas Atmosféricas 1 Interligação das massas metálicas 2 Ligação à terra com cabos curtos 3 Colocação de dispositivos de protecção contra sobretensões

16 Blindagem Em linhas fortemente expostas a descargas atmosféricas - Subestações - Linhas aéreas a de transmissão (as de distribuição não justificam devido aos custos serem elevados)

17 Caminhos de fuga Pelo condutor de terra mais próximo da descarga Correntes de descarga noutros condutores de terra Contornamento do transformador

18 Sobretensões de Origem Interna São designadas por Sobretensões de origem interna porque têm origem no próprio sistema. Neste caso o sistema eléctrico de energia. Originam sobreelevações de tensão

19 Sobretensões de Origem Interna Tipos: Sobreelevação de tensão à frequência da rede Sobretensões de manobra

20 Sobretensões de Origem Interna Sobreelevação de tensão à frequência da rede Exemplos: Disparo brusco da carga de um alternador. Efeito Ferranti. Deslocamento do neutro.

21 Sobretensões de Origem Interna Sobreelevação de tensão à frequência da rede Disparo brusco da carga de um alternador. Quando ocorre um disparo a queda de tensão interna dos alternadores e dos transformadores anula-se e a tensão aproxima-se da f.e.m. dos alternadores. Perante esta situação o alternador acelera podendo agravar a Sobreelevação da tensão que desaparece mais ou menos rapidamente em função da acção dos reguladores de tensão e de velocidade dos alternadores ou de relés de alta tensão.

22 Sobretensões de Origem Interna Sobreelevação de tensão à frequência da rede Efeito Ferranti Funcionamento em vazio de uma linha de grande dimensão. Quando é alimentada numa das suas extremidades e a outra se encontra aberta, produz-se um fenómeno de ressonância que se manifesta pelo facto de a tensão crescer ao longo da linha até à extremidade aberta.

23 Sobretensões de Origem Interna Sobreelevação de tensão à frequência da rede Deslocamento do neutro Ocorre o deslocamento do neutro quando se verifica um defeito fase-terra afectando uma das fases de uma rede trifásica, as outras duas sofrem uma variação do respectivo potencial em relação à terra que se traduz por uma sobreelevação de tensão.

24 Sobretensões de Origem Interna Sobretensões de manobra Sobretensões de manobra correspondem a fenómenos ocorridos na sequencia de uma manobra, os quais são rapidamente amortecidos ao contrário do que se passa com as Sobretensões analisadas anteriormente (Sobretensões dinâmicas ou temporárias) As modificações da configuração eléctrica de uma rede originam regimes transitórios que podem provocar sobretensões mais ou menos elevadas.

25 Sobretensões de Origem Interna Protecção contra Sobretensões

26 Sobretensões de Origem Interna Protecção contra Sobretensões

27 Sobretensões de Origem Interna Sobretensões de Manobra Em termos genéricos, uma manobra conduz à injecção na rede de um sinal que se sobrepõe ao regime permanente.

28 Sobretensões de Origem Interna Classificação de Manobras Manobras voluntárias Ligação (fecho) ou corte de um elemento da rede Manobras involuntárias Ruptura de um condutor ou curto-circuito

29 Sobretensões de Origem Interna Sobretensões de manobra podem ser criadas por manobras De fecho De corte

30 Sobretensões de Origem Interna Manobras de fecho Ligação e reengate de linhas em vazio. Colocando sob tensão transformadores abertos. Colocação sob tensão baterias de condensadores. Reengate sobre um defeito permanente

31 Sobretensões de Origem Interna Manobras de corte Correntes capacitivas (linhas em vazio, baterias de condensadores). Pequenas correntes indutivas (transformadores em vazio). Correntes muito elevadas (eliminação de defeitos).

32 Sobretensões de Origem Interna Comutação de uma bateria de condensadores

33 Sobretensões de Origem Interna Onda de tensão (carga) Onda de corrente (gerador)

34 Equipamentos de protecção: Visam limitar a tensão à entrada dos equipamentos a proteger, por outro lado localizar o ponto de escoamento a terra da corrente de descarga (recorrendo à criação intencional pontos fracos no isolamento). A localização deste aparelhos deve ser feita o mais próxima possível dos equipamentos a proteger.

35 Equipamentos de protecção: Dispositivos protectores, com função de eliminar as sobretensões provenientes de descargas atmosféricas (curta duração) e manobra no sistema eléctrico. Como estes estão permanentemente ligados aos circuitos que se destinam a proteger, devem obedecer às s condições: - não permitir, em condições normais o escoamento de corrente eléctrica para a terra. - quando descarregada para a terra a corrente, deverá voltar à sua condição de isolamento.

36 Pára-raiosraios Hastes de Franklin Haste metálica que se destina a captar descargas atmosféricas. Mais simples e mais visível. vel. Mais barato. Menos eficiente.

37 Pára-raiosraios Haste de Franklin A área protegida por um párap ra-raios raios pode ser calculada de modo aproximado pela modelo eletrogeométrico trico. d = 9,4*I 2/3 Onde d é a distância de escorvamento que é função do valor de crista da corrente de descarga (KA)

38 Pára-raiosraios Gaiola de Faraday Consiste num sistema de vários v receptores que são colocados nos extremos dos edifícios (formando um gaiola). Mais segura e mais eficiente. Oferecem protecção contra raios que caiam directamente na região protegida. Constituído por um conjunto de condutores fixados exteriormente ou interiormente, dispostos na cobertura e nas paredes do edifício a proteger e por um conjunto de eléctrodos de terra, sendo este parte integrante da terra de protecção do edifício.

39 Pára-raiosraios Gaiola de Faraday

40 Explosores Constituído por dois eléctrodos metálicos separados pelo ar um ligado ao elemento a proteger e outro ligado à terra. Distância entre eléctrodos determina nível de protecção. As várias v formas que podem tomar em antena, ou mais elaborados com anéis de forma a eliminar efeitos de coroa.

41 Explosores Vantagens: Simplicidade Robustez Mais económico de todos os equipamentos contra sobretensões

42 Explosores Desvantagens: Origina um curto-circuito à terra em que arco não se extingue espontaneamente. Desaconselhável para sobretensões de manobra. Depende de parâmetros tais como ionização do ar, condições atmosféricas, sujidade dos eléctrodos. Escorvamento origina onda cortada. Sensíveis condições externas: aves, animais, queda de ramos neve. Níveis de isolamento mais elevados

43 Descarregadores Criados com objectivo de ultrapassar os inconvenientes dos explosores. Limitam amplitude e duração da corrente que os percorre, sem que os disjuntores actuem. Escoam para terra uma onda de corrente, quando atingidos por uma sobretensão. Constituídos por vários v explosores ligados em série s com uma ou várias v resistências não lineares, no interior de um invólucro isolante e estanque.

44 Descarregadores Resistências não lineares: São elementos que não obedecem lei de ohm, quando estão à tensão nominal funcionam como isolante, à medida que tensão sobe este começa a comportar-se como curto-circuito. circuito.

45 Descarregadores Óxido de Zinco (ZnO): São os descarregadores mais utilizados Funcionam com resistência não linear, dai a necessidade da terra onde se ligam os aparelhos apresentar um valor o mais baixo possível, inferior a 20Ω.

46 Descarregadores Características Técnicas: Tensão estipulada. Tensão máxima m xima de serviço o em regime permanente. Tensão residual máxima m ou nível n de protecção. Corrente nominal de descarga. Comprimento da linha de fuga. Capacidade de absorção de energia.

47 Descarregadores Vantagens: Segurança a de pessoas e equipamentos. Redução de avarias. Melhoria da qualidade de serviço. Redução da energia não fornecida.

48 Descarregadores Protecção contra Sobretensões

49 Cabos de guarda Como o escorvamento dos isoladores duma linha de fase tem grande probabilidade de ocorrer, tenta-se obter a protecção colocando por cima destes cabos de guarda, esta protecção depende fortemente da qualidade da terra.

50 Coordenação de isolamento Localizar as descargas em pontos predefinidos de forma a minimizar os danos na instalação. Normalmente existem três níveis: n Baixo explosores e descarregadores de sobretensões. Intermédio isoladores e distância livre no ar entre pólo p e terra. Elevado transformadores, cabos, condensadores, distância entre contactos abertos e diferentes fases de aparelhos corte.

51 Coordenação de isolamento A coordenação de isolamentos entre linhas e subestações é geralmente inferior nas subestações e superior nas linhas, diminuindo as perturbações nas linhas e deixando que as descargas inevitáveis veis se verifiquem em locais determinados junto às s subestações, onde existem os aparelhos de protecção, até porque as sobretensões vão amortecendo ao longo das linhas.

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