Dispositivos de Proteção contra Surtos (DPS)

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1 Proteção 76 Dispositivos de Proteção contra Surtos (DPS) Zonas de proteção contra raios, características e aplicações do DPS do tipo I Por Sérgio Roberto Santos* Os Dispositivos de Proteção contra Surtos (DPS) são dispositivos elétricos com a finalidade de proteger instalações elétricas e os equipamentos alimentados por elas contra surtos de tensão e corrente, causados por descargas atmosféricas ou chaveamentos internos. Os DPSs são parte das medidas necessárias para a proteção de uma estrutura contra os efeitos de uma descarga atmosférica e eles deverão estar em toda instalação elétrica de baixa tensão. Por este motivo as informações sobre a utilização dos DPSs estão contidas nas normas brasileiras ABNT NBR e ABNT NBR , e as suas características são tratadas na ABNT NBR / IEC Os DPSs são divididos, de acordo com a sua aplicação, em três tipos I, II e III sendo instalados a partir da sua origem até os equipamentos que se deseja proteger. Para o projeto de um sistema de proteção contra surtos, é preciso conhecer as características necessárias para cada tipo de DPS. Este artigo não discorre sobre os três tipos de DPSs existentes ou faz uma comparação entre eles, mas trata dos principais aspectos e detalhes do DPS do tipo I. Zonas de proteção contra raios Para se especificar corretamente um Dispositivo de Proteção contra Surtos (DPS), é preciso utilizar o conceito de Zonas de Proteção contra Raios (ZPR) ver Figura 1. ZPRs são regiões eletromagneticamente definidas (Figura 2) que possibilitam determinar o valor do campo eletromagnético no seu interior criado por descargas atmosféricas. Desta forma é possível definir valores máximos de tensões e de correntes induzidas em cada uma destas zonas. O valor do campo eletromagnético criado pela descarga atmosférica se reduz ao passarmos de uma ZPR para outra de índice superior, pois na fronteira entre as ZPRs existem estruturas metálicas interligadas e equipotencializadas que formam uma blindagem, natural ou proposital, entre estes ambientes. Um equipamento está cada vez mais protegido quanto mais internamente ele se encontrar dentro das respectivas ZPRs. Existem basicamente cinco ZPRs: ZPR0A, ZPR0B, ZPR1, ZPR2 e ZPR3. Partindo de fora para dentro em uma edificação, a intensidade da indução da corrente da descarga atmosférica em

2 um condutor é máxima nas ZPR0A e ZPR0B, se reduz na ZPR1, é mínima na ZPR2 e desprezível na ZPR3. O que diferencia as ZPR 0A e 0B é o fato de na primeira um objeto ou pessoa poder ser atingido por uma descarga atmosférica direta, enquanto na segunda esta possibilidade é reduzida, pois esta zona está dentro do volume de proteção de um Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA). O que define a fronteira entre as ZPRs é a própria estrutura que constrói o ambiente, sejam as ferragens das paredes externas de uma edificação ou as internas de um apartamento ou sala, até chegar à caixa metálica de um painel. Desde que interligadas e aterradas, as ferragens de um prédio, por exemplo, constituem uma 77 blindagem metálica que define o que chamamos de fronteiras entre zonas (ZPR). Os DPSs são utilizados justamente na transição de uma ZPR para outra, de modo a impedir que uma corrente seja conduzida entre dois ambientes, já que a própria blindagem entre as ZPRs limita as tensões e correntes induzidas. A partir da proteção criada pela aplicação das ZPRs, resta então voltar para a utilização dos DPSs a fim de impedir que correntes elevadas, criadas por descargas atmosféricas, atinjam os equipamentos por meio de condutores que passem de uma ZPR para outra. Para podermos aplicar estes conceitos na prática, é preciso especificar os DPSs dos tipos I, II e III. Zonas de proteção contra raios Características Zona externa à edificação. Local passível de ser atingido por uma descarga atmosférica direta. Não ZPR0A existe nenhuma blindagem contra interferências causadas por pulsos eletromagnéticos criados por descargas atmosféricas. ZPR0B Zona sob a influência de um SPDA externo, mas ainda sem a proteção de uma blindagem. Transição ZPR0B ZPR1 DPS Tipo I ZPR1 Zona interna à edificação. A energia das descargas atmosféricas é relativamente baixa. Transição ZPR1 ZPR2 DPS Tipo II ZPR2 Zona interna à edificação. Somente podem aparecer pequenos surtos. Transição ZPR2 ZPR3 DPS Tipo II Zona interna à edificação (ou o interior de um ZPR3 armário metálico). Nenhuma corrente induzida em seu interior (causada por uma descarga) ou existência de surtos de tensão. Figura 1 Zonas de Proteção contra Raios (ZPR). Figura 2 Zonas de Proteção contra Raios (ZPR).

3 Proteção 78 Características do DPS tipo I Os DPSs do tipo I protegem toda a instalação contra os efeitos de uma descarga atmosférica direta na edificação, na rede de distribuição da concessionária ou no aterramento da instalação. Este tipo de DPS tem o objetivo de realizar a equalização de potenciais entre os condutores normalmente energizados, que entram em uma edificação e a barra de equipotencialização principal. Dessa forma, os DPSs do tipo I realizarão a equipotencialização principal dos condutores normalmente energizados, já que os outros condutores (tubulações de gás ou agua, etc.) serão ligados diretamente ao barramento de equipotencialização principal. Devido à sua aplicação, o DPS tipo I deve ser projetado, construído e ensaiado para conduzir uma parcela da própria corrente da descarga atmosférica e, por isso, deve ter uma capacidade de energia superior aos DPSs tipos II e III quando aplicados na mesma edificação. A especificação completa de um DPS, independentemente do seu tipo, deve conter principalmente sua capacidade de corrente e seu nível de proteção. Estas características em conjunto definirão o comportamento do DPS quando ele atuar para desviar as correntes de surto diretamente para o sistema de aterramento. Ao contrário dos outros dois tipos de DPSs, os do tipo I são ensaiados em laboratório com a aplicação de uma corrente com a forma de onda 10/350 µs (Figura 3). Esta corrente é denominada corrente de impulso e diferencia-se de outras correntes conduzidas pelos DPSs tipo II e III por ser uma parcela da própria corrente da descarga atmosférica e não de uma corrente, total ou parcial, induzida por ela. Mais importante do que definir a intensidade da corrente que o DPS deve conduzir é especificar o período em que esta corrente deve ser conduzida. Os DPSs tipo I conduzem a corrente de impulso por um período significativamente maior do que os dos tipos II e III conduzem a corrente de surto. Por este motivo os DPS tipo I são muitas vezes chamados de descarregadores de corrente de raio, enquanto os DPSs tipo II e III são considerados protetores contra sobretensão. Enquanto um DPS ideal deveria ter uma capacidade de condução de corrente infinita e um nível de proteção igual a zero, um DPS real com suas limitações tecnológicas, que se refletem no custo do dispositivo, deve apresentar os seguintes valores máximos: Iimp = 50 KA (10/350 µs) e Up 4 KV. A corrente máxima para um DPS tipo I é estabelecida levando-se em consideração uma corrente máxima para o projeto de um SPDA de 200 KA, corrente esta que se divide em 50% da corrente, conduzidos diretamente para o sistema de aterramento e 50% também conduzidos para o sistema de aterramento (Figura 4), mas por meio dos condutores internos da edificação atingida pela descarga. Considerando-se o pior caso em que a instalação é alimentada por apenas dois condutores de energia e nenhum condutor de sinal ou serviço (água, esgoto, gás, etc.), a parcela da corrente entrando na edificação, 100 KA (50% de 200 KA da corrente total), divide-se em dois condutores, cada um conduzindo 50 KA, que será a corrente conduzida para o sistema de aterramento pelo DPS tipo I. As considerações feitas anteriormente no tocante aos valores máximos de corrente que os DPSs tipo I devem conduzir são objeto de inúmeras controvérsias entre os profissionais envolvidos na área de proteção contra surtos, principalmente entre fabricantes de DPS, dentro e fora do Brasil. Atualmente, o maior consenso existente aponta para a utilização dos critérios supracitados. Esta filosofia está consagrada nas normas técnicas de diversos países, principalmente aqueles que utilizam normas IEC, que consideram como um parâmetro razoável utilizar estes valores para estimativa da corrente máxima na especificação de um DPS tipo I. Já o nível de proteção de um DPS tipo I, ou a máxima tensão que deve aparecer em seus terminais durante a condução da corrente de surto, deverá ser aquele que os componentes da instalação, equipamentos eletroeletrônicos incluídos, devem suportar no exato ponto em que os DPSs tipo I são instalados. Neste caso a tensão máxima nos terminais de um DPS tipo I não poderá ultrapassar 4 KV (pulso de tensão com a forma de onda 1,2/50 µs), sendo benéficos mas não indispensáveis valores de tensão menores que 4 KV. Este valor máximo não é uma decisão do fabricante, mas sim um valor determinado em normas, como na própria ABNT NBR Quando é necessária a instalação de DPSs tipos I e II no mesmo quadro ou quando a distância dos condutores entre estes DPSs for inferior à distância de coordenação informada pelo fabricante, é fundamental a utilização de DPSs tipo I especiais, com menor nível de

4 Proteção 80 proteção, para permitir a coordenação entre as atuações dos DPSs tipo I e II. Por conta das suas características intrínsecas, a utilização de diversas formas de centelhadores (Figura 5) foi privilegiada na construção de DPSs tipo I, a ponto de se considerar centelhador sinônimo de DPS tipo I, o que nunca correspondeu à realidade. Existem no mercado DPSs tipo I fabricados à base de varistores e ainda é possível, mas não é comum, a utilização de diodos supressores na fabricação deste tipo de DPS. Supressores de óxido metálico e de varistores apresentam um grande volume quando comparados a centelhadores para a mesma intensidade de corrente. Por isso, os DPSs para correntes acima de 10 KA (10/350 µs) são fabricados principalmente com a utilização de centelhadores. Pela sua utilização em quadros de entrada, em que o nível de curto-circuito é o mais elevado, um ponto importante a observar no comportamento de um DPS tipo I é a sua capacidade de interromper as correntes que se seguem ao surto, sejam elas as correntes de regime (60 Hz), sejam correntes de curto-circuito. Existem muitas soluções no mercado que ainda utilizam o arco de um gap aberto para interromper as correntes de seguimento. As tecnologias mais modernas utilizam centelhadores com placas de carbono ou circuitos eletrônicos de disparo para garantir menores níveis de proteção e a interrupção das correntes de seguimento. O que definirá se um DPS será tipo I, II, III ou até mesmo se será classificado simultaneamente em dois tipos, DPS tipo I + II (Figura 6), será a série de ensaios que será aplicada a eles para confirmar se o seu projeto, desenvolvimento e concepção atenderam aos requisitos definidos em norma, permitindo a instalação destes DPSs na fronteira entre as ZPRs OA e I. Figura 3 Formas de ondas características para ensaio de DPSs. Figura 4 Divisão da corrente de uma descarga atmosférica. Conclusão Os dispositivos de proteção contra surtos que conduzem uma parcela da própria corrente da descarga atmosférica para o sistema de aterramento são classificados como DPS tipo I. Estes DPSs têm características especiais, principalmente com relação à sua onda de ensaio, que devem ser observadas no projeto de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas para que este dispositivo cumpra a sua função. Figura 5 DPS Tipo I Centelhador. Glossário Capacidade de curto-circuito DPSs devem conduzir correntes de curto-circuito até que elas sejam interrompidas pelo próprio DPS ou por um Figura 6 DPS Tipo I + II Varistor de óxido de zinco. dispositivo de proteção contra sobrecorrentes internas ou externas. Corrente de Impulso (Iimp) Uma corrente

5 padronizada na forma de onda 10/350 μs referente a um impulso de corrente. Seus parâmetros são: valor de pico, carga, energia específica. Ela simula o stress causado pela corrente do próprio raio. O DPS tipo I deve ter a capacidade de desviar estas correntes determinadas vezes sem se destruir. Corrente de seguimento (If) A corrente de seguimento é a corrente conduzida pelo DPS após uma descarga, cuja fonte é a rede elétrica à qual o DPS está conectado. A corrente de seguimento é diferente da corrente nominal do sistema e depende das impedâncias existentes no circuito. A corrente de seguimento é diferente da corrente nominal do sistema e depende das impedâncias existentes no circuito. Corrente nominal de descarga (In) Valores de pico da corrente conduzida por um DPS com a forma de onda 8/20μS. Essa corrente é usada para ensaio dos DPSs tipo II e III. DPS tipo I DPS cujo projeto o possibilita desviar correntes de impulso causadas por descargas atmosféricas diretas na instalação. DPS tipo II DPS cujo projeto o possibilita desviar correntes de surto causadas por descargas atmosféricas indiretas ou surtos de manobra. DPS tipo III DPS cujo projeto o possibilita desviar correntes de surto causadas por eventos internos à instalação, incluindo a atuação de DPSs tipo I e II. Ligação equipotencial Uma conexão elétrica de baixa impedância que une partes metálicas de uma instalação, incluindo condutores externos à edificação, eliminando ou reduzindo a diferença de potencial entre elas. Ligação equipotencial para proteção contra descargas atmosféricas Medida essencial para minimizar os perigos de fogo e explosão em cômodos ou edifícios a serem protegidos. Esta ligação é obtida por meio de condutores de equipotencialização ou DPSs que são conectados ao SPDA externo da edificação, unindo o SPDA, a estrutura metálica do prédio ou cômodo e os condutores de energia ou sinal que entram ou saem da edificação. Nível de proteção (Up) O mais alto valor de tensão atingido nos terminais de um DPS antes que ele atue. Tempo de resposta (Tr) O tempo de resposta caracteriza o tempo necessário para o elemento de proteção usado no DPS começar a atuar. O tempo de resposta pode variar dentro de certos limites dependendo da inclinação da função dv/dt do surto de tensão ou di/dt do surto de corrente. Tensão Nominal (Vn) A tensão nominal é a tensão para qual um dispositivo é projetado. Ela pode ser a tensão DC ou o valor RMS de uma tensão alternada senoidal. Tensão residual (Vr) O valor de pico da tensão residual que aparece nos terminais do DPS durante a condução da corrente de surto. Zona de proteção contra raios (ZPR) O termo zona de proteção contra raios refere-se àquelas áreas na qual o ambiente eletromagnético causado pelo raio pode ser definido e controlado. Referências ABNT NBR Instalações elétricas de baixa tensão. ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas. ABNT NBR Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas. ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas. ABNT NBR IEC :2007 Dispositivos de proteção contra surtos em baixa tensão. Parte 1: Dispositivos de proteção conectados a sistemas de distribuição de energia de baixa tensão. ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas. SANTOS, S. R. S. Os dispositivos de proteção contra surtos. Portal Abracopel. Disponível em: <http://www. abracopel.org.br>. SANTOS, S. R. S. Zonas de proteção contra raios. Portal Abracopel. Disponível em: <http://www.abracopel.org.br>. SANTOS, S. R. S. Especificação de um dispositivo de proteção contra surtos (DPS). Portal Abracopel. Disponível em: <http://www.abracopel.org.br>. SANTOS, S. R. S. Segurança e confiabilidade em sistemas fotovoltaicos. Revista O Setor Elétrico. São Paulo, p , 30 nov TBS, Dispositivos de Proteção contra Sobretensões DPS; OBO Bettermann. *Sérgio Roberto Santos é engenheiro eletricista especializado em proteção de equipamentos eletrônicos contra surtos de tensão. Atualmente é gerente de vendas na OBO Bettermann do Brasil Ltda.

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