TENSÃO ELÉTRICA


Definição, causas e tipos de sobre tensões

Uma sobre tensão é qualquer tensão superior ao valor nominal da rede. As sobre tensões dividem-se em dois tipos:
  • Permanentes: a sobretensão tem uma duração superior a um semi-período, >10 ms a 50 Hz;
  • Transitórias: a sobretensão tem uma duração inferior a um semi-período, <10 ms a 50 Hz.
As principais causas de sobre tensões permanentes são a ruptura do neutro ou problemas na rede de distribuição que provocam um fornecimento de tensão superior à tensão nominal, já as sobre tensões transitórias são geradas por fatores atmosféricos como relâmpagos, na comutação de cargas (switching) em centrais e equipamentos elétricos, e acoplamentos de outros cabos de potência adjacentes.
Para neutralizar os efeitos de uma sobre tensão permanente, a única opção seria desligar a instalação até que a tensão recupere os níveis normais, à medida que para contrabalancear os efeitos de uma sobre tensão transitória devem ser instalados mecanismos e dispositivos de proteção que, ao detectar a sobre tensão, direcionem esta potência diretamente ao terra, evitando que danifique a instalação.

Regulamento

A análise dos riscos deve ser efetuada por um especialista em proteção contra raios e sobre tensões, e a partir de critérios como a frequência, exposição, finalidade do edifício/construção, altura, probabilidade e tipos de danos, entre outros, é determinado o nível de proteção contra raios que deve ser respeitada.
Tendo esta análise como ponto de partida, o edifício é classificado com um dos quatro níveis de proteção contra raios (LPL). Dependendo do nível de LPL devem ser projetados sistemas de proteção que suportem um valor máximo do raio, os atraindo e interceptando com um valor mínimo. Estes quatro níveis são os seguintes:

Valores máximos (dimensionado)
LPL
Valor máximo
Corrente Raio
Probabilidade
I
200 kA
99%
II
150 kA
98%
III
100 kA
97%
IV
100 kA
97%

Valores mínimos (intersecção)
LPL
Valormínimo
Corrente Raio
Probabilidade
>Valor mínimo
Raio
Esfera Rolante
I
3kA
99%
20 m
II
5kA
97%
30 m
III
10kA
91%
45 m
IV
16kA
84%
60 m
Quadros 1 e 2. Níveis de proteção contra raios (LPL)


Medidas externas e internas contra sobre tensões

Para conseguir a proteção requerida são necessários dois tipos de medidas:
  • Medidas externas e estruturais - Protegem contra as descargas diretas e indiretas de raios e que são necessárias para a proteção física das pessoas. Tais medidas precisam ser projetadas e desenvolvidas por um especialista em sobre tensões e pela construtora responsável pelo edifício, segundo a análise de riscos normatizados e os códigos de construção e normas locais em vigor. Estas medidas incluem os seguintes pontos:
     
    • Captadores - Para-raios;
    • Cabos Condutores - A ligação entre o para-raios e a ligação ao terra;
    • Pontos de Terra - Ponto onde há a descarga da sobre tensão captada;
    • Isolamento - Distância de separação entre os equipamentos anteriores e os indivíduos;
    • Compensação de potencial - Garante a equipotencialização.
       
  • Medidas internas - Fazem parte da instalação interna e protegem os equipamentos e instalações elétricas contra descargas.Mesmo com o desenvolvimento e instalação correta de um sistema externo de proteção contra sobre tensões, não é possível evitar por completo os efeitos das descargas de raio nas instalações internas, e da mesma forma, outras causas que geram sobre tensões como o chaveamento ou switching, acoplamento, entre outros podem danificar a instalação elétrica, eletrônica e de telecomunicações, e não estar totalmente protegida pelo sistema externo. Estas razões obrigam à implementação de um sistema interno de proteção contra raios e sobre tensões.
     

Protetores de sobre tensões

Os equipamentos de proteção contra sobre tensões transitórias são dispositivos que se encarregam de “pôr em derivação”, criando um curto-circuito ao terra durante o tempo curto que dura a sobre tensão, para que esta se derive e não danifique a instalação e os equipamentos.
Um protetor contra sobre tensões, também conhecido como DPS, é basicamente, um dispositivo que está ligado em paralelo com a alimentação/sinal para que durante o funcionamento normal se comporte como um curto-circuito com derivação ao aterramento. O protetor deve garantir que a tensão e a corrente na saída sejam muito inferiores à da sobre tensão de entrada e, desta forma, não coloquem em risco o equipamento ou a instalação que protegem.
Devem-se verificar principalmente as normas IEC61643-11 e IEC6164-21, que determinam os procedimentos mais adequados no que diz respeito à concessão e teste destes componentes.

Estrutura de um protetor contra sobre tensões

Os componentes mais comuns utilizados para a concessão de protetores de sobre tensão são os seguintes:
  • Centelhador ou descarregador de arco ou a gás: dois elétrodos localizados numa determinada distância e separados por material dielétrico. Quando a diferença de potencial entre ambos atinge um determinado valor é descarregado e cria um arco voltaico. O tipo mais comum e utilizado é um isolamento hermético que contém um gás inerte (árgon, neon) e que tem o nome de descarregador a gás. As suas principais vantagens são o seu elevado poder de descarga e um isolamento adequado, uma vez que quando o protetor está em funcionamento normal (sem atuar/ há uma desconexão completa entre os dois eletrodos). As desvantagens são o seu preço e o tempo de reação elevados.
     
  • Varistores: é um elemento semicondutor prensado (grãos de óxido de zinco) cuja resistência interna varia em função da tensão aplicada nos seus bornes. A sua principal vantagem é o preço e o tempo de reação muito baixo, e possui um poder de descarga médio. A sua desvantagem é que com o desgaste e o passar do tempo, o seu isolamento deixa de ser ideal e pode levar a correntes de fuga ao terra.
     
  • Diodo supressor: são diodos similares aos Zener. A sua vantagem é uma elevada capacidade de reação com tempos muito baixos e um custo muito reduzido, apesar da sua potência de descarga ser muito baixa.
Figura 1. Centelhador a gás (esquerda), varistor (centro) e díodo supressor (direita)
Normalmente todos estes componentes podem ser utilizados no que se conhece como "proteção por etapas” já que as qualidades dos diferentes componentes os tornam idôneos segundo a sua função e localização. Os centelhadores a gás são normalmente colocados no início (grande proteção) para absorver o pico inicial, os varistores nas etapas intermediárias e os díodos supressores como uma boa proteção localizada ao lado dos equipamentos sensíveis.
É importante observar a localização de elementos intermediários conhecidos como elementos de "desacoplamento”. A função destes elementos é a de retardar a onda para que a sobre tensão não chegue à etapa seguinte antes que o elemento de proteção anterior tenha sido “amortecido”. Se colocássemos imediatamente, por exemplo, um diodo supressor atrás de um centelhador a gás, o díodo por ter uma velocidade de reação superior iria atrair a sobre tensão e seria destruído devido ao impacto da potência. Por isso, é necessário assegurar que o primeiro dispositivo, no caso o centelhador, atue antes dos demais.
Hoje em dia, com as tecnologias atuais, estes elementos de desacoplamento já estão obsoletos, ou porque internamente incorporam os dispositivos ou porque com uma distância de cerca de 10 metros o próprio cabo já atua ao realizar o denominado “desacoplamento”.

Protetores contra sobre tensões: Curvas e Testes

Os equipamentos de proteção contra sobre tensões são testados segundo as curvas que simulam o mesmo efeito produzido por um raio:
Gráfico 1. Descarga natural de raios (laranja) e reprodução em um gerador de corrente(verde)
Desta análise extraímos dois tipos de curvas que são utilizadas para o teste e homologação dos protetores contra sobretensões que são o Tipo 1 (10/350 μs) e o Tipo 2 (8/20 μs):
Gráfico 2. Curvas de teste utilizadas para os elementos de proteção contra os raios e sobre tensões
Os protetores contra raios e sobre tensões necessitam de determinar qual o tipo de onda (Tipo 1 10/350 μs ou Tipo 2 8/20 μs) e o valor de descarga (kA) que têm sido testados.

Proteção contra sobre tensões em instalações de baixa tensão

O regulamento em vigor define as zonas de um edifício ou instalação:
  • LPZ 0A: Zona exposta a uma descarga direta de raios;
  • LPZ 0B: Zona dentro da proteção dos para-raios;
  • LPZ1: Área de entrada na instalação;
  • LPZ2: Área depois do isolamento (aproximadamente >5 metros dentro do edifício);
  • LPZ3: Equipamento final a proteger.
Gráfico 3. Zonas-Áreas importantes na proteção contra sobre tensões
Com base na determinação das zonas de proteção contra sobre tensões, os dispositivos que devem ser colocados são os seguintes:
  • Protetor Tipo 1: Entre as zonas LPZ0 e LPZ1;
  • Protetor Tipo 2: Entre as zonas LPZ1 e LPZ2;
  • Protetor Tipo 3: Entre as zonas LPZ2 e LPZ3.
Basicamente isto equivale a dizer que devemos colocar um protetor do Tipo 1 no quadro de distribuição principal, um protetor do Tipo 2 em cada um dos quadros de distribuição secundários e os protetores do Tipo 3 são aqueles componentes ou equipamentos finais que devem ser protegidos sobretudo por serem mais sensíveis.
Devido ao efeito de rearmamento das sobre tensões (a força eletromotriz de uma descarga de raio é tão elevada que a sobre tensão pode ser restabelecida até níveis perigosos apesar de ter sido reduzida por um protetor) é importante ressaltar que quando a distância entre dois locais na zona de distribuição é superior a aproximadamente 15 metros deve-se instalar novamente outro protetor de Tipo 2.
Os dispositivos de proteção contra raios e sobre tensões devem ser dimensionados segundo o nível de proteção contra raios (LPL) do edifício, obtido através da análise de riscos segundo a norma local vigente. Tudo isto tendo em conta que as medidas de proteção externa são capazes de derivar metade da sobre tensão aoaterramento e que outra metade da sobre tensão pode ser introduzida na instalação. Ou seja, os protetores contra raios e sobre tensões devem dimensionar-se para suportar a metade da corrente de raio máximo segundo o LPL:

Dimensionado do DPS Tipo 1 EN62305
Instalação na intersecção das zonas LPZ0 e LPZ1
Classe de risco no edifício
Raio
Descarga Total
I
até 200kA
100kA
II
até 150kA
75kA
III
até100kA
50kA
V
até100kA
50kA
        
Figura 2. Dimensão da descarga contra raios e sobre tensões segundo o LPL
Além disso, a norma indica que a sobre tensão que pode entrar na instalação se distribui de forma similar entre os diferentes condutores. Há diversos tipos de distribuição de alimentação, sendo classificadas de acordo com cabeamento, isolação e proteção, conforme tabelas abaixo:
1ª Letra
2ª Letra
3ª Letra
T – Aterramento do transformador entra na planta
T – Partes condutivas dainstalação são aterradas localmente
C – Condutores Neutro e Terra são combinados no mesmo cabo
I – Aterramento do Transformador isolado da planta
N – Partes condutivas da instalação não são aterradas localmente
S – Condutores Neutro e Terra Distintos

Descrição
Esquemático
IT
Não há conexão direta entre condutores e partes aterradas.
TT
Há um ponto de conexão direta (terra operacional). Os condutores são conectados separados do terra operacional.
TN-C
Condutor Neutro e Terra são combinados em um único cabo
TN-C-S
Condutor Neutro e Terra são combinados na entrada do sistema e são separados após a barreira potencial
TN-S
Condutor Neutro e Terra são separados antes da entrada de energia
Geralmente os fabricantes agrupam os protetores de modo a que consigam simplificar o número de variantes. E assim, o mais comum é ter uma gama de proteção até 25 kA por polo (para edifícios com LPL I ou II) e uma outra gama até 12,5 kA por polo (edifícios com LPL III ou IV)

A partir deste dimensionamento por polo e por descarga total, apenas temos colocado no quadro da caixa principal um descarregador de Tipo 1 e em todos os quadros de distribuição secundária os protetores de Tipo 2 com um poder de descarga superior ao requerido segundo o LPL do edifício.
Se houver algum equipamento particularmente sensível também se deve instalar um tipo de protetor de Tipo 3, o mais próximo possível do dispositivo final a proteger.
Abaixo temos as características dos DPS encontradas em catálogos e seus significados.
Atributo
Descrição
Ratedvoltage (AC)
Tensão Nominal
Max. continuousvoltage, Uc (AC)
Máxima tensão em modo contínuo Fase-Neutro /Fase-terra
Max. continuousvoltage, Uc (N-PE)
Máxima tensão em modo contínuo Neutro Terra
Lightning test current Iimp (10/350 μs) [L-PE]
Máxima corrente absorvida em Curva 10/350us - Descargas atmosféricas - Fase - Terra
Lightning test current Iimp (10/350 μs) [N-PE]
Máxima corrente absorvida em Curva 10/350us - Descargas atmosféricas - Neutro-Terra
Discharge current In (8/20μs) wire-PE
Corrente Nominal em curva 8/20us – Sobretensão - Fase-Terra
Discharge current In (8/20μs) GND-PE
Corrente Nominal em curva 8/20us – Sobretensão - Neutro-Terra
Discharge current Imax (8/20μs) wire-PE
Corrente Máxima em curva 8/20us que garante pelo menos uma operação – Sobretensão - Fase-Terra
Discharge current Imax (8/20μs) GND-PE
Corrente Máxima em curva 8/20us que garante pelo menos uma operação – Sobretensão - Neutro-Terra
Requirements class, acc. to EN 61643-11
Classe T-n do DPS (Classe I - T1; Classe II - T2; Classe III - T3) de acordo com a EN 61643-11
Short-circuit current rating ISCCR
Corrente de curto circuito temporário admissível pelo protetor
LeakagecurrentatUn
Corrente de fuga, esse valor tende a ser maior em plugues com varistores
Ratedloadcurrent IL
Máxima corrente demandada pelo circuito, esse valor é relevante para Protetores com dois pontos de conexão por plugue e que permite conexões em V
Fuse
Valor do Fusível de Back-Up para casos onde a corrente nominal do fusível de entrada excede 60% desse valor
Temporary surge voltage (over-voltage) - TOV
Máxima tensão admissível em situação de sobretensão temporária conforme a norma VDE 0100, parte 442.
Protection level with IN (L/N-PE)
Nível de proteção de acordo com a Norma IEC
Response time
Tempo máximo de atuação

Proteção contra sobre tensão em sistemas de instrumentação e controle

Para os sistemas de telecomunicações, dados, instrumentação e controle aplica-se o mesmo critério das zonas tal como para os protetores de baixa tensão. No entanto, a terminologia difere e segundo a norma devem localizar-se nos seguintes tipos de protetores:
  • Protetor de Tipo D1: entre as zonas LPZ0 e LPZ1;
  • Protetor de Tipo C2: entre as zonas LPZ1 e LPZ2;
  • Protetor de Tipo C1: entre as zonas LPZ2 e LPZ3.
Como podemos observar, a norma é muito semelhante no que diz respeito ao tipo de protetor e à sua localização, mas inclui uma diferença muito importante no que diz respeito ao dimensionamento dos protetores.
No caso da instrumentação, controle, dados e comunicações, o número de cabos é muito superior na distribuição elétrica, onde apenas há 4 ou 5 condutores (3 fases mais o neutro). Por isso, a sobre tensão que se pode introduzir dentro da instalação está muito mais distribuída (com mais condutores) e o poder de descarga necessária para cada uma das proteções é muito inferior.
Segundo a norma podemos resumir o dimensionamento necessário para os protetores de instrumentação e controle da seguinte forma:
Tipo
Nível de proteção
D1
2,5 kA/fio
5 kA/total
C2
2,5 kA/fio
5 kA/total
C1
0,25 kA/fio
0,5 kA/total

Quadro 4. Dimensionamento de descarregadores para I&C segundo a Norma
Um problema muito comum ao trabalho com descarregadores de sobre tensão para instrumentação e controle passa pela definição das zonas não estarem tão claras como nas instalações de baixa tensão, uma vez que ali encontramos claramente definidos o quadro principal de fornecimento, o quadro de distribuição e os equipamentos finais, ao passo que, no caso dos dados, os cabos geralmente chegam a um quadro de controle diretamente.
Por isso os fabricantes simplificam os protetores de forma que com um único equipamento cumpra todos os diferentes requisitos e curvas D1, C2 e C1 para que possa ser utilizado em qualquer local e garantindo uma proteção completa, além das três etapas de proteção.
Nos protetores de instrumentação e controle também é importante notar a necessidade de ligação ao terra, uma vez que esta pode igualmente transmitir correntes de sobre tensão, danificando os equipamentos finais. No entanto esta ligação deve realizar-se de forma direta ao aterramento num único ponto, ao passo que nos restantes necessita de estar isolada através de um descarregador de gás.

 Se não fizermos desta forma estaríamos deixando de atender a equipotencialização e ao ter diferentes aterramentos interconectados entre si, seriam produzidas correntes de baixa frequência que poderiam afetar os dados e sinais, e até mesmo danificar os equipamentos.Por isso, encontramos duas versões dos protetores para a instrumentação e controle, uma com terra direta e outra com terra indireta (ou Floating Ground, FG). A regra é conectar um único ponto ao protetor com terra direta e no resto da localização a versão com FG.
Outros fatores importantes quando se instalam protetores de sobre tensão em circuitos de instrumentação e controlesão os seguintes:
  • É necessário separar cabos de potência dos cabos de dados e comunicações, uma vez que estes podem causar interferências e gerar sobre tensões por acoplamento;
  • É necessário separar os cabos de entrada e de saída do protetor porque se isso não acontecer a sobre tensão da entrada pode acoplar-se sobre o cabo de saída, inutilizando a função do protetor;
  • A ligação direta ao terra da malha deve efetuar-se mediante a utilização de equipamentos indicados para o efeito;
Existem protetores de sobre tensão específicos que podem ser utilizados nos circuitos e em zonas seguras (zonas 0, 1 e 2), uma vez que os componentes destes circuitos também estão suscetíveis à descarga de raios e de outro tipo de sobre tensões.

Gráfico 4. Protetor com terra direta versus Protetor com terra indireta (FG)
É fundamental saber quais tipos de dispositivos devem ser utilizados, suas dimensões, onde devem ser colocados e quais os critérios de instalação que devem seguir para garantir o nível de proteção requerido e desta forma proteger os bens materiais e sobretudo os seres humanos.

Obs: Importante é fazer com a sobre tensão encontre o caminho mais fácil para a descarga e aí entra o trabalho técnico em desenvolver o sistema mais eficaz de proteção. Esse caminho mais facil de descarga o técnico deverá visualizar sempre as condições locais do ambiente a ser submetido a proteção.

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