SOBRETENSÃO saiba como se proteger
O QUE É UMA DESCARGA ELÉTRICA? Descargas atmosféricas são relâmpagos que produzem uma quantidade extremamente grande de energia elétrica pulsada de milhares de ampères (e milhares de volts). São de alta frequência (aproximadamente 1 megahertz), e também de curta duração (de um microssegundo a um milissegundo).
Entre 2000 e 5000 tempestades estão se formando constantemente ao redor do mundo. Estas tempestades são acompanhadas por descargas atmosféricas que representam sério perigo para pessoas e equipamentos. Raios atingem o solo a uma média de 30 a 100 descargas por segundo, isto é, 3 bilhões de descargas atmosféricas por ano.
EFEITOS NAS INSTALAÇÕES ELÉTRICAS Descargas atmosféricas danificam sistemas elétricos e eletrônicos, especialmente transformadores, medidores e eletrodomésticos, tanto em instalações residenciais como industriais.
O custo dos reparos dos danos causados pelas descargas atmosféricas é muito alto. Mas é difícil estimar as consequências de: Perturbações causadas a computadores e redes de telecomunicações; Falhas geradas no funcionamento dos programas dos controladores lógicos programáveis e sistemas de controle. Além disso, o custo das perdas operacionais pode ser muito maior do que o valor do equipamento destruído.
IMPACTOS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Descargas atmosféricas podem afetar as instalações elétricas (e/ou comunicações) de uma edificação de duas maneiras: Pelo impacto direto da descarga atmosférica na edificação (ver Fig. J5 a); Pelo impacto indireto da descarga atmosférica na edificação.
, tanto em instalações residenciais como industriais. Uma descarga atmosférica pode cair próximo a uma linha de energia elétrica (ver Fig. J5 c). É a radiação eletromagnética da corrente da descarga atmosférica que induz uma corrente elevada e uma sobretensão na rede de alimentação de energia elétrica. Descargas atmosféricas danificam sistemas elétricos e eletrônicos, especialmente transformadores, medidores e eletrodomésticos, tanto em instalações residenciais como industriais. Nos últimos dois casos, as correntes e tensões perigosas são transmitidas pela rede de alimentação de energia elétrica. Uma descarga atmosférica pode cair próximo a uma edificação (ver Fig. J5 d). O potencial de terra ao redor do ponto de impacto aumenta perigosamente.
Raios são um fenômeno elétrico de alta frequência que causa sobretensões em todos os elementos condutores especialmente em cabos e equipamentos elétricos.
PRINCÍPIO DE PROTEÇÃO CONTRA SOBRETENSÃO O princípio básico para proteção de uma instalação contra o risco de uma descarga atmosférica é evitar que a energia da perturbação atinja equipamentos sensíveis. Para atingir este objetivo, é necessário: Capturar a corrente de descarga e canalizá-la à terra através do caminho mais direto (evitando a proximidade de equipamentos sensíveis); Efetuar a ligação equipotencial da instalação;
Esta ligação equipotencial é realizada por meio de condutores de equipotencialidade completada por Dispositivos de Proteção contra Surtos (DPS). Minimizar efeitos indiretos e induzidos por meio da instalação de DPS e/ou filtros. Para eliminar ou limitar as sobretensões são utilizados dois sistemas de proteção: são conhecidos como sistema de proteção de edificações (para a parte externa das edificações) e sistema de proteção de instalação elétrica (para o interior das Edificações).
VOCÊ SABIA? O sistema de proteção de uma edificação contra os efeitos dos raios deve incluir: Proteção das estruturas contra descargas atmosféricas diretas; Proteção das instalações elétricas contra descargas atmosféricas diretas e indiretas.
SISTEMA DE PROTEÇÃO DA EDIFICAÇÃO A função do sistema de proteção da edificação é proteger contra descargas atmosféricas diretas. O sistema consiste em: Dispositivo de captura: sistema de proteção de descarga atmosférica (para-raios); Condutores de descida projetados para conduzir a corrente de descarga à terra; Aterramento: cabos condutores à terra conectados juntos tipo "pé-degalinha); Conexões entre todas as estruturas metálicas (ligação equipotencial) e os condutores de terra.
Quando a corrente de descarga atmosférica flui em um condutor, se aparecerem diferenças de potencial entre o condutor e a estrutura aterrada localizada nas proximidades, podem formar-se descargas disruptivas destruidoras.
OS TRÊS TIPOS DE SISTEMAS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGA ATMOSFÉRICA Três tipos de proteção da edificação são utilizados: O PARA-RAIOS SIMPLES O para-raios com haste é uma ponta metálica instalada no topo da edificação. É aterrado através de um ou mais condutores (geralmente de cobre) (ver Fig. J12).
OS TRÊS TIPOS DE SISTEMAS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGA ATMOSFÉRICA O sistema de proteção de uma edificação contra os efeitos dos raios deve incluir: Proteção das instalações elétricas contra descargas atmosféricas diretas e indiretas. Proteção das estruturas contra descargas atmosféricas diretas;
OS TRÊS TIPOS DE SISTEMAS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGA ATMOSFÉRICA PARA-RAIOS TMOSFÉRICA COM CABOS ESTICADOS Estes cabos são esticados sobre a estrutura que deve ser protegida. São utilizados para proteger estruturas especiais: áreas de lançamento de foguetes, aplicações militares e proteção de linhas aéreas de alta tensão (ver Fig. J13).
PARA-RAIOS COM CONDUTORES EM MALHA (Gaiola Faraday) Esta proteção consiste em multiplicar de maneira simétrica os condutores ao redor de toda a edificação (ver Fig. J14). Este tipo de proteção contra descargas atmosféricas é utilizado em edificações altamente expostas, abrigando instalações altamente sensíveis como equipamentos eletrônicos e informática. proteção da edificação não protege a instalação elétrica: portanto, é obrigatório prover um sistema de
CONSEQUÊNCIAS DA PROTEÇÃO DAS EDIFICAÇÕES PARA OS EQUIPAMENTOS DAS INSTALAÇÕES ELÉTRICAS 50% da corrente de descarga atmosférica descarregada pelo sistema de proteção das edificações retorna para as redes de aterramento da instalação elétrica (ver Fig. J15): a elevação de potencial das estruturas excede com muita frequência a capacidade de suportabilidade do isolamento dos condutores nas diferentes redes (BT, telecomunicações, cabo de vídeo, etc.). Além disso, o fluxo da corrente através dos condutores de descida gera sobretensões induzidas nas instalações elétricas.
SISTEMA DE PROTEÇÃO DAS INSTALAÇÕES ELÉTRICAS O objetivo principal do sistema de proteção da instalação elétrica é limitar as sobretensões a valores que sejam aceitáveis pelo equipamento.
O SISTEMA DE PROTEÇÃO DAS INSTALAÇÕES ELÉTRICAS CONSISTE DE: Um ou mais DPS dependendo da configuração da edificação; Ligação equipotencial: malha metálica de partes condutoras expostas.
O procedimento para proteger as instalações elétricas e de comunicação de uma edificação é o seguinte: BUSCA DA INFORMAÇÃO IMPLEMENTAÇÃO Identifique todas as cargas sensíveis e sua localização na edificação. Identifique os sistemas elétricos e eletrônicos e seus respectivos pontos de entrada na edificação. Verifique se na edificação ou nas proximidades há um sistema de proteção contra descargas atmosféricas. Familiarize-se com as normas e regulamentos aplicáveis no local da edificação. Avalie o risco de ocorrência de descargas atmosféricas de acordo com a localização geográfica, tipo de alimentação de energia, densidade de descargas atmosféricas, etc.
IMPLEMENTAÇÃO DA SOLUÇÃO Realize a ligação equipotencial em forma de malha na estrutura. Instale um DPS no painel BT de entrada. Instale um DPS adicional em cada painel de subdistribuição localizado nas proximidades do equipamento sensível (ver Fig. J16).
DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO CONTRA SURTOS (DPS) O Dispositivo de Proteção contra Surtos é um componente do sistema de proteção das instalações elétricas. Este dispositivo é conectado em paralelo no circuito de alimentação das cargas a serem protegidas (ver Fig. J17). Também pode ser utilizado em todos os níveis da rede de alimentação de energia. Este é o sistema de proteção contra sobretensão mais eficiente e mais utilizado.
PRINCÍPIO O DPS é projetado para limitar sobretensões transitórias de origem atmosférica e desviar correntes de surto a terra, de modo a limitar a amplitude dessa sobretensão a um valor que não seja perigoso para a instalação elétrica e para o conjunto de manobra.
O DPS ELIMINA A SOBRETENSÃO: No caso de uma sobretensão que exceda o limite operacional, o DPS: Conduz a energia à terra, em modo comum; Distribui a energia a outros condutores vivos, em modo diferencial. Em modo comum, entre fase e neutro ou terra; Em modo diferencial, entre fase e neutro.
OS TRÊS TIPOS DE DPS: DPS Classe I O DPS Classe I é recomendado para o caso específico de setores de serviço e industriais, protegidos por um sistema de proteção contra descargas atmosféricas ou uma gaiola em malha. Ele protege as instalações elétricas contra descargas atmosféricas diretas. Pode descarregar a corrente de retorno a partir da descarga, espalhando-se do condutor de terra aos condutores da rede. O DPS Classe I é caracterizado por uma onda de corrente de 10/350.
DPS Classe II O DPS Classe II é o sistema de proteção principal para todas as instalações elétricas de baixa tensão. Instalado em cada quadro de distribuição, evita a propagação de sobretensões nas instalações elétricas e protege as cargas. O DPS Classe II é caracterizado por uma onda de corrente de 8/20. DPS Classe III Estes DPS possuem baixa capacidade de descarga. Portanto, obrigatoriamente devem ser instalados como suplemento ao DPS Classe II e nas proximidades de cargas sensíveis. O DPS Classe III é caracterizado por uma combinação de ondas de tensão (1,2/50 ) e ondas de corrente (8/20 ).
PROJETO DE SISTEMA DE PROTEÇÃO DAS INSTALAÇÕES ELÉTRICAS O diagrama lógico da Figura J20 mostra esta regra de projeto. REGRAS DE PROJETO Para um sistema de distribuição elétrica, as características principais utilizadas para definir o sistema de proteção contra descargas atmosféricas e selecionar o DPS para proteger uma instalação elétrica em uma edificação são: DPS Quantidade de DPS; Classe; Nível de exposição, para definir a corrente de descarga máxima Imáx. do DPS. Dispositivo de desconexão Corrente de descarga máxima Imax; Corrente de curto-circuito Isc no ponto da instalação.
As outras características para escolha de um DPS são prédefinidas para uma instalação elétrica. número de polos do DPS; nível de proteção Up; tensão máxima em regime permanente Uc. Esta subseção J3 descreve com grandes detalhes o critério para escolha do sistema de proteção de acordo com as características da instalação, do equipamento a ser protegido e do ambiente.
ELEMENTOS DO SISTEMA DE PROTEÇÃO LOCALIZAÇÃO E CLASSE DE DPS A classe do DPS a ser instalado na origem da instalação depende da presença ou não de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas. Se a edificação possuir um sistema de proteção contra descargas atmosféricas (conforme IEC 62305), um DPS Classe I deve ser instalado. Para DPS instalado na entrada da instalação, as normas de instalação ABNT NBR 5410 estabelecem valores mínimos para as 2 características seguintes: Corrente de descarga nominal In = 5 ka (8/20) ; Nível de proteção Up (em In) < 2,5 kv.
O número de DPS adicionais a serem instalados é determinado por: Tamanho do local e a dificuldade de assegurar a equipotencialidade. Em locais grandes, é essencial instalar um DPS na entrada de cada quadro terminal. Distância que separa cargas sensíveis a serem protegidas pelo dispositivo de proteção de entrada. Quando as cargas estiverem situadas a mais de 30 m do dispositivo de proteção de entrada será necessário prover proteções finas o mais próximo possível das cargas sensíveis. Risco de exposição. No caso de um local muito exposto, o DPS de entrada não pode garantir um fluxo grande de corrente de descarga e um nível de proteção de tensão suficientemente baixo. Geralmente um DPS Classe I é acompanhado por um DPS Classe II. - A tabela na Figura J21 mostra a quantidade e classes de DPS a serem instalados com base nos dois fatores definidos acima.
DPS EM CASCATA A associação em cascata de vários DPS permite que a energia seja distribuída entre diversos DPS, conforme mostrado na Figura J22, na qual as três classes de DPS são fornecidas para: CLASSE I: quando a edificação possui um sistema de proteção contra descargas atmosféricas e localizado na entrada da instalação, absorve uma quantidade muito grande de energia; CLASSE II: absorve sobretensões residuais; CLASSE III: se necessário, fornece proteção fina aos equipamentos mais sensíveis localizados muito próximos às cargas.
O desempenho do Up "instalado" deve ser comparado com a suportabilidade a impulsos das cargas. O DPS possui um nível de proteção Up intrínseco, isto é, definido e testado independentemente da instalação. Na prática, para a escolha do desempenho de Up do DPS deve ser considerada uma margem de segurança que leve em conta as sobretensões inerentes à instalação do DPS (ver Fig. J27).
NOTA: Se o nível de proteção da tensão estipulado não pode ser atingido pelo DPS de entrada, ou se os equipamentos sensíveis são remotos (ver seção 3.2.1), DPS adicionais coordenados podem ser instalados para atingir o nível de proteção necessário.
NÚMERO DE POLOS Dependendo da disposição do esquema de aterramento, é necessário prover uma arquitetura de DPS que garanta proteção em modo comum (MC) e modo diferencial (MD).
NOTA: SOBRETENSÃO DE MODO COMUM Uma forma básica de proteção é instalar um DPS em modo comum entre fase e o condutor de PE (ou PEN), qualquer que seja o tipo de esquema de aterramento utilizado. SOBRETENSÃO DE MODO DIFERENCIAL Nos esquemas TT e TN-S o aterramento do neutro resulta em uma assimetria devida a impedâncias de terra, que conduzem ao aparecimento de tensões de modo diferencial, mesmo que a sobretensão induzida por uma descarga atmosférica seja de modo comum. DPS 2P, 3P e 4P (ver Fig. J29) Estes são adaptados aos esquemas de aterramento TT e TN-S. Eles fornecem proteção somente contra sobretensões de modo comum.
SELEÇÃO DE UM DPS CLASSE I CORRENTE DE IMPULSO LIMP Onde não há normas nacionais ou normas específicas para o tipo de edificação a ser protegida: a corrente de descarga impulsional Iimp deve ser no mínimo de 12,5 ka (forma de onda de 10/350 ) por ramal de acordo com a norma ABNT NBR 5410-6.3.5.2.4. Onde houver regulamentação: a norma IEC 62305-2 defi ne 4 níveis: I, II, III e IV A tabela na Figura J31 mostra os diferentes níveis de Iimp no caso da norma.
CORRENTE SUBSEQUENTE AUTOEXTINGUÍVEL LFI Esta característica aplica-se somente a DPS com tecnologia spark gap. A corrente subsequente autoextinguível Ifi deve sempre ser superior do que a corrente presumida de curto-circuito Isc no ponto da instalação. Seleção de um DPS Classe II Corrente de descarga máxima Imax A corrente de descarga máxima Imax é definida de acordo com o nível de exposição estimado relativo à localização da edificação. O valor da corrente de descarga (Imax) é determinado através de análise de risco (ver tabela à Figura J32).
ESCOLHA DO DISPOSITIVO DE PROTEÇÃO CONTRA CURTO-CIRCUITO (DPCC) EXTERNO RISCOS A SEREM EVITADOS NO FINAL DA VIA ÚTIL DOS DPS DEVIDO AO ENVELHECIMENTO No caso de fim de vida natural devido a envelhecimento, a proteção é do tipo térmico. DPS com varistores devem possuir um desconector interno que desative o DPS. Nota: fim de vida devido a descontrole térmico não se aplica a DPS com tubo de descarga de gás ou spark gap encapsulado. DEVIDO A UMA FALHA As causas de fim de vida útil devido a falhas de curto-circuito são: Capacidade de descarga máxima excedida. Esta falha resulta em curto-circuito forte. Uma falha devida aos sistemas de distribuição (alternância neutro/fase, desconexão do neutro). Deterioração gradual do varistor. As últimas duas falhas resultam em curto-circuito impedante.
A instalação deve estar protegida de danos resultantes destes tipos de falhas: o desconector interno (térmico) definido acima não tem tempo para se aquecer e, portanto, de operar. Deve ser instalado um dispositivo especial denominado "Dispositivo de Proteção contra Curtos-circuitos" externo (DPCC externo), capaz e eliminar curtos-circuitos. Pode ser implementado por disjuntor ou fusíveis.
Os dispositivos de proteção (térmicos e de curtocircuito) devem estar coordenados com o DPS para garantir operação confiável, isto é: garantir a continuidade do serviço; suportar as ondas de corrente das descargas atmosféricas; não gerar tensão residual excessiva. garantir proteção efetiva contra todos os tipos de sobrecorrentes: sobrecarga em seguida a descontrole térmico do varistor; curto-circuito de baixa intensidade (impedante); curto-circuito de alta intensidade.
CARACTERÍSTICAS DO DPCC EXTERNO O DPCC externo deve estar coordenado com o DPS. É projetado para satisfazer duas restrições: Suportabilidade a corrente de descarga atmosférica: A suportabilidade a corrente de descarga atmosférica é uma característica essencial dos DPS externos. O dispositivo deve ser capaz de manter os seguintes ensaios normalizados: - não disparar em 15 correntes impulsionais sucessivas a In, -disparar com Imax (ou Iimp) sem ser deteriorado. Suportabilidade às correntes de curto-circuito A capacidade de interrupção é determinada pelas normas de instalação (norma ABNT NBR 5410): O DPCC externo deve possuir uma capacidade de interrupção igual ou superior do que a corrente de curto-circuito presumida Isc no ponto da instalação (de acordo com a norma ABNT NBR 5410).
PROTEÇÃO DA INSTALAÇÃO CONTRA CURTOS- CIRCUITOS O curto-circuito impedante, em particular, dissipa uma grande quantidade de energia e deve ser eliminado o mais rapidamente possível para evitar danificar a instalação e o DPS. A associação correta entre o DPS e seu DPCC externo deve ser fornecida pelo fabricante (em catálogos).
MODO DE INSTALAÇÃO DO DPCC EXTERNO O DPCC é descrito "em série" (ver Fig. J33) quando a proteção é realizada pelo dispositivo de proteção geral da rede a ser protegida (por exemplo, disjuntor de conexão a montante de uma instalação).
Dispositivo "em paralelo" O DPCC é descrito como "em paralelo" (ver Fig. J34) quando a proteção é realizada especificamente por um dispositivo de proteção associado com o DPS. O DPCC externo é denominado "disjuntor de desconexão" se a função é realizada por um disjuntor. O disjuntor de desconexão pode ou não estar integrado ao DPS. Nota: No caso de um DPS com tubo de descarga de gás ou spark gap encapsulado, o DPCC permite que a corrente seja interrompida imediatamente após o uso.
GARANTIA DE PROTEÇÃO O DPCC externo deve estar coordenado com o DPS, testado e garantido pelo fabricante do DPS em conformidade com a norma ABNT NBR IEC 61643-1. Também deve ser instalado de acordo com as recomendações do fabricante. Quando este dispositivo está integrado, a conformidade com a norma ABNT NBR IEC 61643-1 garante naturalmente a proteção.
RESUMO DAS CARACTERÍSTICAS DOS DPCC EXTERNOS Uma análise detalhada das características é fornecida na seção J6.4. A tabela na Figura J36 mostra, em um exemplo, um resumo das características de acordo com os diversos tipos de DPCC externos.
TABELA DE COORDENAÇÃO ENTRE DPS E DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO A tabela na Figura J37 mostra a coordenação entre disjuntores (DPCC externos) para DPS Classe I e Classe II da Schneider Electric para todos os níveis de corrente de curto-circuito. A coordenação entre DPS e seus disjuntores de desconexão, indicada e garantida pela Schneider Electric assegura proteção confiável suportabilidade a onda de descarga atmosférica, proteção reforçada contra correntes de curto-circuito impedantes, etc.) Método de escolha simples e efetivo: Você precisa instalar um DPS em um painel de distribuição
TABELA DE COORDENAÇÃO ENTRE DPS E DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO Método de escolha simples e efetivo: Você precisa instalar um DPS em um painel de distribuição.
TABELA DE COORDENAÇÃO ENTRE O DPS
TABELA DE COORDENAÇÃO ENTRE O DPS...e seu disjuntor de desconexão
INDICAÇÃO DE FIM DE VIDA ÚTIL Indicadores de fim de vida útil estão associados com o desconector interno e externo do DPCC do DPS para informar ao usuário que o equipamento não está mais protegido contra sobretensões de origem atmosférica. Indicação local Esta função geralmente é exigida pelas normas de instalação. A indicação de fim de vida útil é fornecida por um indicador (luminoso ou mecânico) ao desconector interno e/ou DPCC externo. Quando o DPCC externo é implementado por um dispositivo fusível, é necessário prover fusíveis com um pino percussor e uma base equipada com um sistema de disparo para garantir esta função. Disjuntor de desconexão integrado O indicador mecânico e a posição da alavanca permitem a indicação natural do fim de vida útil.
Indicação local e relatório remoto O DPS iquick PRD da Schneider Electric é do tipo "pronto para conectar" com disjuntor de desconexão integrado. Indicação local O DPS iquick PRD (ver Fig. J48) é equipado com indicador mecânico de estado: o indicador mecânico (vermelho) e a posição da alavanca do disjuntor de desconexão indicam o desligamento do DPS; o indicador mecânico (vermelho) em cada cartucho indica o fim da vida útil do cartucho.
RELATÓRIO REMOTO (ver Fig. J49) O DPS iquick PRD é equipado com um contato de indicação que permite o relatório remoto de: fim da vida útil do cartucho; um cartucho faltante e quando foi recolocado; uma falha na rede (curto-circuito, desconexão do neutro, inversão de fase/neutro); comutação manual local. Como resultado, o monitoramento remoto da condição de operação dos DPS instalados torna possível garantir que esses dispositivos de proteção que estão em standby estejam sempre prontos para operar.
MANUTENÇÃO NO FINAL DA VIDA ÚTIL Quando o indicador de fim de vida útil indica desativação, o DPS (ou o cartucho correspondente) deve ser substituído. No caso do DPS iquick PRD a manutenção é facilitada: O cartucho ao final da vida útil (a ser substituído) é facilmente identificável pelo departamento de manutenção. O cartucho ao final da vida útil pode ser substituído em completa segurança porque um dispositivo de segurança proíbe o fechamento do disjuntor de desconexão se estiver faltando um cartucho.