Manual de Equipamentos Eletrico - MAMEDE FILHO, Joao(1)

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1ª edição: 1993 
2ª edição: 1994 
3ª edição: 2005 – Reimpressões: 2007 e 2008 
Capa: Leônidas Leite 
Produção digital: Hondana
CIP-BRASIL. CATALOGAÇÃO-NA-FONTE 
SINDICATO NACIONAL DOS EDITORES DE LIVROS, RJ. M321m 
4. ed. 
Mamede Filho, João 
Manual de equipamentos elétricos /João Mamede Filho. - 4. ed. - Rio de Janeiro: LTC, 2013. 
28 cm 
Inclui bibliografia e índice 
ISBN 978-85-216-2291-8 
1. Instalações elétricas. I. Título. 
13-0009.CDD: 621.31924 CDU: 621.316.1
Este trabalho é dedicado a 
memória de meu pai, João Mamede Souza; 
memória de minha mãe, Maria Nair Cysne Mamede; 
minha esposa, Maria Elizabeth Ribeiro Mamede; 
minha filha, Aline Ribeiro Mamede – graduada em Administração de Empresas; 
meu filho, Daniel Ribeiro Mamede – graduado em Engenharia Elétrica e Diretor Técnico da CPE - Estudos e Projetos Elétricos
Prefácio à 4ªEdição 
Com o objetivo de fornecer aos estudantes de engenharia elétrica e aos proɹssionais que necessitam de informações técnicas mais atualizadas sobre os principais equipamentos elétricos utilizados nos sistemas de distribuição, transmissão e subestações de potência, resolvemos preparar a 4ª edição deste livro, em que foram revistos todos os 20 capítulos que compõem esta obra. 
Muitos capítulos ganharam novas informações relevantes para melhor entendimento dos assuntos, novas ɹguras e gráɹcos foram adicionados, tudo para dar ao leitor maior facilidade de compreensão. 
Em virtude da publicação da 1ª edição do livro Proteção de Sistemas Elétricos de Potência, LTC, 2011, de minha autoria e do Eng. Eletricista Daniel Ribeiro Mamede, foi necessário retirar desta 4ª edição o Capítulo 10 - Relés - para evitar a repetição do assunto em dois diferentes livros. No entanto, já de muito sentíamos a necessidade de introduzir um capítulo dedicado aos Painéis Elétricos, no interior dos quais são instalados inúmeros equipamentos elétricos aqui estudados. Com a publicação da Norma NBR IEC 60439-1 - Conjuntos de Manobra e Controle de Baixa Tensão até 1 kV Parte 1 e da norma ABNT NBR IEC 62271-200 - Conjunto de Manobra e Controle de Alta-tensão Parte 200: Conjunto de Manobra e Controle de Alta-tensão em invólucro metálico para tensões acima de 1 kV até 52 kV foi inevitável a introdução desse assunto nesta nova edição, já que os painéis elétricos são elementos obrigatoriamente presentes em todos os projetos elétricos de subestações de potência, projetos elétricos industriais e em muitos outros tipos de projeto e que o proɹssional da área elétrica deve conhecer com detalhes. 
Mais uma vez optamos por manter a mesma estrutura do livro que acreditamos estar didaticamente consistente com as necessidades dos usuários, isto é, sempre que expomos determinado assunto seguimos com um Exemplo de Aplicação, cujo objetivo é transformar em casos práticos a matéria tratada, pois nem sempre o desenvolvimento teórico de um assunto permite ao leitor desenvolver facilmente uma aplicação já que normalmente outros requisitos devem ser considerados.
Finalmente, é nosso dever de gratidão agradecer a todos os fabricantes de materiais e equipamentos dos quais utilizamos em nosso texto as tabelas de dados técnicos, ɹguras e gráɹcos, sem os quais a obra tenderia a ɹcar no campo teórico. Além do mais, aproveitamos também a oportunidade para levar os nossos agradecimentos aos professores, alunos e proɹssionais que com o seu apoio nos fez chegar a esta 4ª edição.
Material 
Suplementar 
Este livro conta com o seguinte material suplementar: 
▪ Ilustrações da obra em formato de apresentação (restrito a docentes) 
O acesso ao material suplementar é gratuito, bastando que o leitor se cadastre em: http://gen-io.grupogen.com.br.
Sumário 
1 Para-raios a Resistor Não Linear 
1.1 INTRODUÇÃO 
1.2 PARTES COMPONENTES DO PARA-RAIOS 
1.2.1 Para-raios de Carboneto de Silício 
1.2.2 Para-raios a Óxido de Zinco 
1.3 ORIGEM DAS SOBRETENSÕES 
1.3.1 Sobretensão Temporária 
1.3.2 Sobretensão de Manobra 
1.3.3 Sobretensão Atmosférica 
1.4 COMPONENTES SIMÉTRICAS 
1.5 FENÔMENOS DE REFLEXÃO E REFRAÇÃO DE UMA ONDA INCIDENTE 1.5.1 Ponto Terminal de um Circuito Aberto 
1.5.2 Ponto de Descontinuidade de Impedância 
1.6 CLASSIFICAÇÃO DOS PARA-RAIOS 
1.7 CARACTERÍSTICAS DOS PARA-RAIOS 
1.8 SELEÇÃO DOS PARA-RAIOS 
1.8.1 Distância entre os Para-raios e o Equipamento a Ser Protegido 1.8.2 Máxima Tensão Fase e Terra à Frequência Industrial 
1.8.3 Tensão Nominal 
1.8.4 Classe de Aplicação 
1.8.5 Tensões Suportáveis Nominais de Impulso (TSNI) 
1.8.6 Sobretensões com Taxa de Crescimento Lenta 
1.8.7 Sobretensões com Taxa de Crescimento Rápida
1.8.8 Tensões Suportáveis Surtos de Manobra 
1.8.9 Classe de Descarga da Linha de Transmissão 
1.9 LOCALIZAÇÃO DOS PARA-RAIOS 
1.9.1 Proteção de Transformadores 
1.9.2 Proteção de Disjuntores 
1.9.3 Proteção de Linhas de Transmissão 
1.10 ENSAIOS E RECEBIMENTO 
1.10.1 Ensaios de Tipo 
1.10.2 Ensaios de Rotina 
1.10.3 Ensaios de Recebimento 
1.11 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA 
2 Chave Fusível Indicadora Unipolar 2.1 INTRODUÇÃO 
2.2 CHAVE FUSÍVEL INDICADORA UNIPOLAR 2.2.1 Características Mecânicas 
2.2.2 Características Elétricas 
2.2.3 Ensaios e Recebimento 
2.2.4 Especificação Sumária 
2.3 ELO FUSÍVEL 
2.3.1 Características Mecânicas 
2.3.2 Características Elétricas 
2.3.3 Ensaios e Recebimento 
2.3.4 Especificação Sumária 
3 Muflas Terminais Primárias e Terminações 3.1 INTRODUÇÃO
3.2 DIELÉTRICO 
3.3 CAMPO ELÉTRICO 
3.4 CAMPO ELÉTRICO NOS CABOS DE MÉDIA E ALTA TENSÕES 3.5 SEQUÊNCIA DE PREPARAÇÃO DE UM CABO CONDUTOR 3.5.1 Aplicação de Muflas Terminais 
3.5.2 Aplicação de Terminais Termocontráteis 
3.5.3 Aplicação de Terminações a Frio 
3.6 APLICAÇÃO DE MUFLAS EM AMBIENTES POLUÍDOS 3.7 ENSAIOS E RECEBIMENTO 
3.8 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA 
4 Condutores Elétricos 
4.1 INTRODUÇÃO 
4.2 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DOS CABOS ISOLADOS 4.2.1 Cabos de Baixa Tensão 
4.2.2 Cabos de Média e Alta Tensões 
4.2.3 Processo de Fabricação 
4.2.4 Identificação dos Condutores Isolados 
4.2.5 Resistência dos Cabos aos Agentes Químicos 
4.3 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DOS CABOS ISOLADOS 4.3.1 Seleção da Tensão de Isolamento 
4.3.2 Gradiente de Tensão 
4.3.3 Perdas Dielétricas 
4.3.4 Impedância dos Condutores 
4.4 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DOS CONDUTORES NUS 4.4.1 Condutor de Alumínio CA 
4.4.2 Condutor de Alumínio CAA 
4.4.3 Condutor de Alumínio liga CAL
4.4.4 Condutor de Alumínio Termorresistentes T-CAA 4.4.5 Condutor de Cobre 
4.5 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DOS CONDUTORES NUS 4.5.1 Impedância de Sequência Positiva 
4.5.2 Impedância de Sequência Negativa 
4.5.3 Impedância de Sequência Zero 
4.6 DIMENSIONAMENTO DOS CABOS ELÉTRICOS ISOLADOS4.6.1 Capacidade de Corrente Nominal 
4.6.2 Capacidade de Corrente de Curto-circuito 
4.7 DIMENSIONAMENTO DOS CONDUTORES ELÉTRICOS NUS 4.7.1 Capacidade de Corrente Nominal 
4.7.2 Capacidade de Corrente de Curto-circuito 
4.8 ENSAIOS E RECEBIMENTOS 
4.8.1 Inspeção e Ensaios 
4.9 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA 
5 Transformadores de Corrente 
5.1 INTRODUÇÃO 
5.2 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS 
5.2.1 Formas Construtivas 
5.2.2 Tipo de Isolamento 
5.3 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS 
5.3.1 Correntes Nominais 
5.3.2 Cargas Nominais 
5.3.3 Fator de Sobrecorrente 
5.3.4 Corrente de Magnetização 
5.3.5 Tensão Secundária 
5.3.6 Fator Térmico Nominal
5.3.7 Corrente Térmica Nominal 
5.3.8 Fator Térmico de Curto-circuito 
5.3.9 Corrente Dinâmica Nominal 
5.3.10 Tensão Suportável à Frequência Industrial 5.3.11 Polaridade 
5.4 CLASSIFICAÇÃO 
5.4.1 Transformadores de Corrente para Serviço de Medição 5.4.2 Transformadores de Corrente Destinados à Proteção 5.5 ENSAIOS E RECEBIMENTO 
5.5.1 Ensaios de Rotina 
5.5.2 Ensaios de Tipo 
5.5.3 Ensaios Especiais 
5.6 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA 
6 Transformador de Potencial 
6.1 INTRODUÇÃO 
6.2 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS 
6.2.1 Transformadores de Potencial do Tipo Indutivo 6.2.2 Transformador de Potencial do Tipo Capacitivo 6.3 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS 
6.3.1 Erro de Relação de Transformação 
6.3.2 Erro de Ângulo de Fase 
6.3.3 Classe de Exatidão 
6.3.4 Tensões Nominais 
6.3.5 Cargas Nominais 
6.3.6 Polaridade 
6.3.7 Descargas Parciais 
6.3.8 Potência Térmica Nominal
6.3.9 Tensões Suportáveis 
6.4 APLICAÇÃO DOS TRANSFORMADORES DE POTENCIAL 6.4.1 TPs para Serviços de Medição de Faturamento 
6.4.2 TPs para Serviços de Proteção 
6.5 CONJUNTO DE MEDIÇÃO POLIMÉRICO TC/TP 6.6 ENSAIOS DE RECEBIMENTO 
6.6.1 Ensaios de Rotina 
6.6.2 Ensaios de Tipo 
6.6.3 Ensaios Especiais 
6.7 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA 
7 Bucha de Passagem 
7.1 INTRODUÇÃO 
7.2 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS 
7.2.1 Quanto à Instalação 
7.2.2 Quanto à Construção 
7.3 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS 
7.3.1 Tensão Nominal 
7.3.2 Corrente Nominal 
7.3.3 Distância de Escoamento 
7.3.4 Níveis de Isolamento Nominais 
7.3.5 Sobretensões Temporários 
7.3.6 Altitude 
7.3.7 Resistência à Flexão 
7.3.8 Capacidade de Corrente de Curto-circuito 
7.4 ENSAIOS E RECEBIMENTO 
7.4.1 Ensaios de Tipo
8 Chaves Seccionadoras Primárias 8.1 INTRODUÇÃO 
8.2 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS 8.2.1 Seccionadores para Uso Interno 
8.2.2 Seccionadores para Uso Externo 
8.2.3 Características Mecânicas Operacionais 8.2.4 Características Mecânicas de Projeto 8.3 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS 
8.3.1 Tensão Nominal 
8.3.2 Corrente Nominal 
8.3.3 Nível de Isolamento 
8.3.4 Solicitações das Correntes de Curto-Circuito 8.3.5 Coordenação dos Valores Nominais 8.3.6 Capacidade de Interrupção 
8.4 ENSAIOS E RECEBIMENTO 
8.4.1 Ensaios de Tipo 
8.4.2 Ensaios de Rotina 
8.5 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA 
9 Fusíveis Limitadores Primários 9.1 INTRODUÇÃO 
9.2 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS 9.3 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS 
9.3.1 Corrente Nominal 
9.3.2 Tensão Nominal 
9.3.3 Correntes de Interrupção 
9.3.4 Efeitos das Correntes de Curto-circuito
9.3.5 Capacidade de Ruptura 
9.4 PROTEÇÃO OFERECIDA PELOS FUSÍVEIS LIMITADORES 9.4.1 Proteção de Transformadores de Força 
9.4.2 Proteção de Transformadores de Potencial 
9.4.3 Proteção de Motores de Média Tensão 
9.5 SOBRETENSÕES POR ATUAÇÃO 
9.6 ENSAIOS E RECEBIMENTO 
9.7 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA 
10 Painéis Elétricos 
10.1 INTRODUÇÃO 
10.2 CARACTERÍSTICAS TÉCNICAS NOMINAIS DE UM PAINEL 10.2.1 Tensão Nominal 
10.2.2 Corrente Nominal de Regime Contínuo 
10.2.3 Corrente Dinâmica Nominal de Curto-circuito 
10.2.4 Corrente Térmica Nominal de Curto-circuito 
10.2.5 Corrente Nominal Condicional de Curto-circuito 
10.2.6 Tensão Nominal de Isolamento 
10.2.7 Frequência Nominal 
10.2.8 Temperatura Ambiente 
10.2.9 Umidade do Ambiente 
10.3 PROJETO E CONSTRUÇÃO 
10.3.1 Conceito de Painel do Tipo Block 
10.3.2 Conceito de Painel do Tipo Metal Enclosed 
10.3.3 Conceito de Painel do Tipo Metal Clad 
10.3.4 Sistema Modular 
10.3.5 Requisitos Normativos 
10.3.6 Grau de Proteção
10.3.7 Aterramento 
10.3.8 Barramentos e Condutores Elétricos 
10.3.9 Atuadores de Botoeiras 
10.3.10 Plaqueta de Identificação dos Componentes 
10.3.11 Sinótico 
10.3.12 Processo de Tratamento e Pintura das Chapas 
10.3.13 Placa de Identificação dos Painéis 
10.3.14 Aquecimento dos Painéis 
10.3.15 Proteção Contra Arcos Internos nos Painéis 
10.3.16 Proteção por Relés Dedicados Contra Arcos Internos nos Painéis 10.3.17 Dimensionamento dos Barramentos 
10.3.18 Exemplo de Especificação de um Painel Elétrico 
10.4 ENSAIOS 
10.4.1 Conceitos de Ensaios TTA e PTTA 
10.4.2 Ensaio de Tipo 
10.4.3 Ensaios de Rotina 
11 Disjuntores de Alta Tensão 
11.1 INTRODUÇÃO 
11.2 O ARCO ELÉTRICO 
11.3 PRINCÍPIO DE INTERRUPÇÃO DA CORRENTE ELÉTRICA 11.3.1 Interrupção no Ar sob Condição de Pressão Atmosférica 11.3.2 Interrupção no Óleo 
11.3.3 Interrupção no Gás SF6 
11.3.4 Interrupção no Vácuo 
11.4 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS DOS DISJUNTORES 11.4.1 Quanto ao Sistema de Interrupção do Arco 
11.4.2 Quanto ao Sistema de Acionamento
11.4.3 Sequência de Operação 
11.5 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS DOS DISJUNTORES 11.5.1 Características Elétricas Principais 
11.5.2 Solicitações em Serviço Normal 
11.5.3 Energização de Componentes do Sistema 
11.5.4 Solicitações em Regime Transitório 
11.6 ENSAIOS E RECEBIMENTO 
11.6.1 Características dos Ensaios 
11.7 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA 
12 Transformadores de Potência 12.1 INTRODUÇÃO 
12.2 CARACTERÍSTICAS GERAIS 
12.2.1 Princípio de Funcionamento 
12.3 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS 
12.3.1 Formas Construtivas 
12.3.2 Partes Construtivas 
12.4 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS E TÉRMICAS 12.4.1 Potência Nominal 
12.4.2 Tensão Nominal 
12.4.3 Corrente Nominal 
12.4.4 Frequência Nominal 
12.4.5 Perdas 
12.4.6 Rendimento 
12.4.7 Regulação 
12.4.8 Impedância Percentual 
12.4.9 Corrente de Excitação 
12.4.10 Deslocamento Angular
12.4.11 Efeito Ferranti 
12.4.12 Carregamento 
12.4.13 Refrigeração do Local de Instalação do Transformador 12.4.14 Transformador em Regime de Desequilíbrio 12.4.15 Operação em Serviço em Paralelo 
12.4.16 Descargas Parciais 
12.4.17 Corrente de Energização 
12.4.18 Geração de Harmônicos 
12.5 AUTOTRANSFORMADOR 
12.6 ENSAIOS E RECEBIMENTO 
12.6.1 Características dos Ensaios 
12.6.2 Recebimento 
12.7 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA 
13 Capacitores de Potência 
13.1 INTRODUÇÃO 
13.2 FATOR DE POTÊNCIA 
13.2.1 Conceitos Básicos 
13.2.2 Causas do Baixo Fator de Potência 
13.2.3 Custo Financeiro pelo Baixo Fator de Potência 13.3 CARACTERÍSTICAS GERAIS 
13.3.1 Dielétrico 
13.3.2 Resistor de Descarga 
13.3.3 Processo de Construção 
13.4 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS 
13.4.1 Conceitos Básicos 
13.5 APLICAÇÕES DOS CAPACITORES 
13.5.1 Banco de Capacitores em Derivação
13.5.2 Compensação Estática 
13.5.3 Banco de Capacitores Série 
13.6 CORREÇÃO DO FATOR DE POTÊNCIA 
13.6.1 Correção do Fator de Potência em Instalações de Baixa Tensão 13.6.2 Correção de Reativos Indutivos em Sistemas de Distribuição 13.6.3 Correção de Reativos Indutivos em Sistemas de Alta Tensão 13.7 LIGAÇÃO DOS CAPACITORES EM BANCOS 
13.7.1 Configuração em Estrela Aterrada 
13.7.2 Configuração em Estrela Isolada 
13.7.3 Configuração em Triângulo (Delta) 
13.7.4 Configuração em Dupla Estrela Isolada 
13.8 DIMENSIONAMENTO DE BANCOS DE CAPACITORES 13.8.1 Configuração em Estrela Aterrada ou Triângulo 
13.8.2 Configuração em Estrela Isolada 
13.8.3 Configuração em Dupla Estrela Isolada 
13.8.4 Configuração em Dupla Estrela Aterrada 
13.8.5 Análise dos Tipos de Ligação de Banco de Capacitores 
13.9 EQUIPAMENTOS DE MANOBRA DE BANCOS DE CAPACITORES 13.9.1 Bancos Secundários 
13.9.2 Bancos Primários 
13.10 TRANSITÓRIOS EM BANCOS DE CAPACITORES 
13.10.1 Sobrecorrentes 
13.10.2 Sobretensões 
13.10.3 Influência dos Harmônicos nos Bancos de Capacitores 
13.10.4 Influência dos Fenômenos de Ressonância Série nos Bancos de Capacitores 13.11 ATERRAMENTO DE CAPACITORES 
13.11.1 Bancos de Baixa Tensão 
13.11.2 Bancos de Alta Tensão 
13.12 ESTRUTURA PARA BANCO DE CAPACITORES13.13 CONDIÇÕES DE OPERAÇÃO E IDENTIFICAÇÃO 13.14 ENSAIOS E RECEBIMENTO 
13.14.1 Ensaios de Rotina 
13.14.2 Ensaios de Tipo 
13.14.3 Ensaios de Recebimento 
13.15 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA 
14 Chave de Aterramento Rápido 14.1 INTRODUÇÃO 
14.2 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS 
14.3 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS 
14.4 APLICAÇÃO 
14.5 ENSAIOS E RECEBIMENTO 
14.6 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA 
15 Resistores de Aterramento 
15.1 INTRODUÇÃO 
15.2 CURTO-CIRCUITO FASE E TERRA 
15.3 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS 
15.4 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS 
15.4.1 Tensão Nominal 
15.4.2 Tempo de Operação 
15.4.3 Temperatura 
15.5 DETERMINAÇÃO DOS RESISTORES 
15.6 ENSAIOS E RECEBIMENTO 
15.7 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA
16 Reguladores de Tensão 
16.1 INTRODUÇÃO 
16.2 REGULADOR DE TENSÃO AUTOBOOSTER 
16.2.1 Tipos de Ligação dos Reguladores Autobooster 
16.2.2 Dimensionamento e Ajuste dos Reguladores Autobooster 16.2.3 Uso do Regulador Autobooster 
16.2.4 Aplicação de Reguladores Autobooster em Série com Capacitores 16.3 REGULADOR DE TENSÃO DE 32 DEGRAUS 
16.3.1 Ligação dos Reguladores Monofásicos 
16.3.2 Determinação das Características de um Banco de Reguladores 16.3.3 Compensador de Queda de Tensão 
16.3.4 Tensão nos Terminais do Primeiro Transformador Próximo ao Regulador 16.3.5 Aplicação de Reguladores de Tensão em Série 
16.3.6 Aplicação de Reguladores e de Capacitores 
16.4 ENSAIOS E RECEBIMENTO 
16.4.1 Características dos Ensaios 
16.5 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA 
17 Religadores Automáticos 
17.1 INTRODUÇÃO 
17.2 RELIGADORES AUTOMÁTICOS DE INTERRUPÇÃO EM ÓLEO 17.2.1 Religadores de Interrupção em Óleo para Subestação 
17.2.2 Religadores de Interrupção em Óleo para Sistemas de Distribuição 17.3 RELIGADORES AUTOMÁTICOS DE INTERRUPÇÃO A VÁCUO 17.3.1 Religadores de Interrupção a Vácuo para Subestação 
17.3.2 Religadores de Interrupção a Vácuo para Sistemas de Distribuição 17.4 APLICAÇÃO DOS RELIGADORES
17.4.1 Aplicação de Religadores em Subestação 
17.4.2 Aplicação de Religadores em Sistemas de Distribuição 
17.5 CRITÉRIOS PARA COORDENAÇÃO ENTRE RELIGADORES E OS EQUIPAMENTOS DE PROTEÇÃO 
17.5.1 Coordenação entre o Religador de Distribuição e Elo Fusível 17.5.2 Coordenação entre o Religador de Subestação, Seccionador e Elo Fusível 17.5.3 Coordenação entre Religadores 
17.6 PLACA DE IDENTIFICAÇÃO 
17.7 ENSAIOS E RECEBIMENTO 
17.7.1 Características dos Ensaios 
17.7.2 Informações a Serem Fornecidas com a Proposta de Venda 17.8 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA 
18 Seccionadores Automáticos 
18.1 INTRODUÇÃO 
18.2 DISPOSITIVOS ACESSÓRIOS 
18.2.1 Restritor de Corrente de Magnetização 
18.2.2 Restritor de Tensão 
18.2.3 Restritor de Corrente 
18.2.4 Resistores de Corrente de Fase e de Terra 
18.3 PARTES COMPONENTES DOS SECCIONADORES 
18.4 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS 
18.4.1 Placa de Identificação 
18.4.2 Seleção dos Seccionadores 
18.4.3 Ajustes dos Seccionadores Automáticos 
18.4.4 Coordenação entre Seccionador Automático e Religador ou Disjuntor com Religamento 
18.5 ENSAIOS DE RECEBIMENTO 
18.5.1 Características dos Ensaios
18.5.2 Informações a Serem Fornecidas com a Proposta de Venda 18.6 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA 
19 Isoladores 
19.1 INTRODUÇÃO 
19.2 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS 
19.2.1 Parâmetros Elétricos Principais 
19.3 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS 
19.3.1 Composição Química 
19.3.2 Processos de Fabricação 
19.4 PROPRIEDADES ELÉTRICAS E MECÂNICAS 19.4.1 Isolador Roldana 
19.4.2 Isolador de Pino 
19.4.3 Isolador de Disco 
19.4.4 Isoladores de Apoio 
19.4.5 Isoladores Compostos 
19.5 ENSAIOS E RECEBIMENTO 
19.5.1 Ensaios de Tipo 
19.5.2 Ensaios de Rotina 
19.5.3 Ensaios de Recebimento 
19.5.4 Informações a Serem Fornecidas com a Proposta 19.6 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA 
20 Descarregadores de Chifre 
20.1 INTRODUÇÃO 
20.2 CARACTERÍSTICAS CONSTRUTIVAS 
20.2.1 Isolador
20.2.2 Hastes de Descarga ou Eletrodos 
20.2.3 Haste Antipássaro 
20.3 CARACTERÍSTICAS ELÉTRICAS 
20.3.1 Tensão Disruptiva de Impulso Atmosférico em forma de Onda Normalizada 
20.3.2 Tensão Disruptiva de Impulso Atmosférico em forma de Onda Normalizada 50% 
20.3.3 Tensão Disruptiva à Frequência Industrial 
20.4 ENSAIOS E RECEBIMENTO 
20.5 ESPECIFICAÇÃO SUMÁRIA 
Bibliografia 
Índice
Manual de 
Equipamentos Elétricos
1Para-raios a Resistor Não 
Linear 
1.1 INTRODUÇÃO 
As linhas de transmissão e redes aéreas de distribuição urbanas e rurais são extremamente vulneráveis às descargas atmosféricas que, em determinadas condições, podem provocar sobretensões elevadas no sistema (sobretensões de origem externa), ocasionando a queima de equipamentos, tanto os da companhia concessionária como os aparelhos do consumidor de energia elétrica. 
Para que se protejam os sistemas elétricos dos surtos de tensão, que também podem ter origem durante manobras de chaves seccionadoras e disjuntores (sobretensões de origem interna) são instalados equipamentos apropriados que reduzem o nível de sobretensão a valores compatíveis com a suportabilidade desses sistemas. Esses equipamentos protetores contra sobretensões são denominados para-raios. Como alternativa, também, são utilizados os descarregadores de chifre, cujo desempenho é inferior ao dos para-raios, mas satisfazem plenamente os sistemas rurais, em que se buscam custos de construção e manutenção cada vez menores. 
Os para-raios são utilizados para proteger os diversos equipamentos que compõem uma subestação de potência ou simplesmente um único transformador de distribuição instalado em poste. Os para-raios limitam as sobretensões a um valor máximo. Esse valor é tomado como o nível de proteção que o para-raios oferece ao sistema. 
Este capítulo abordará somente os para-raios, enquanto o Capítulo 20 tratará exclusivamente dos descarregadores de chifre. 
1.2 PARTES COMPONENTES DO PARA-RAIOS 
A proteção dos equipamentos elétricos contra as descargas atmosféricas é obtida por para-raios que utilizam as propriedades de não linearidade dos
elementos de que são fabricados para conduzir as correntes de descarga associadas às tensões induzidas nas redes e em seguida interromper as correntes subsequentes, isto é, aquelas que sucedem às correntes de descarga após a sua condução à terra. 
Atualmente existem dois elementos de características não lineares capazes de desempenhar as funções anteriormente mencionadas a partir dos quais são construídos os para-raios: carbonato de silício e óxido de zinco. 
1.2.1 Para-raios de Carboneto de Silício 
Os para-raios de carboneto de silício são aqueles que utilizam como resistor não linear o carboneto de silício (SiC) e têm em série com este um centelhador formado por vários gaps (espaços vazios). Esses para-raios são constituídos basicamente das seguintes partes: 
a) Resistores não lineares 
A matéria-prima do principal componente do para-raios, o carboneto de silício, é adquirida de fabricantes especíɹcos, que, no Brasil, destinam basicamente a sua produção para o setor de industrialização de pedras de esmerilhamento. 
O carborundo, como é conhecido nesse estágio, ao ser adquirido pelos fabricantes de para-raios, sofre um processo de beneɹciamento com a adição de alguns produtos, como o bismuto, inclusive reduzindo a granulometria de suas partículas. 
Nesse estágio de pureza, o carborundo é usado no processo de fabricação do bloco de carboneto de silício. Inicialmente, misturado com uma substância aglomerante e, logo em seguida, através de doses medidas de aproximadamente 180 gramas, para para-raios de média tensão, o carborundo é levado a uma máquina de compressão que molda cada bloco individualmente. O aglomerante serve para manter, após a compressão, a integridade física do bloco, antes de sofrer o processo de sinterização, pois o bloco, apesar de compacto, ainda é facilmente destruído com qualquer esforço mais acentuado. 
Dessa etapa, os blocos são encaminhados a uma estufa à resistência elétrica, no interior da qual são aquecidos a uma temperatura de aproximadamente 2.000°C. Esse processo, chamado sinterização, consiste em elevar, gradativamente, a temperatura dos blocos, de modo
a provocar as reações químicas necessárias nas cadeias de carbono. Osblocos devem ser aquecidos de maneira uniforme, de fora para dentro, e resfriados da mesma forma, a ɹm de evitar ɹssuras nas peças. Durante esse processo, a substância aglomerante, por ser de baixo ponto de ebulição, evapora no interior da estufa, liberando-se do bloco. Este, ao ɹnal do processo, transforma-se numa peça de cerâmica de dureza relativamente elevada. 
Em seguida, o bloco é conduzido ao processo de metalização de suas faces de contato, que consiste em pulverizar cobre nas faces inferior e superior do bloco de carboneto de silício, com o auxílio de uma pistola de acetileno, utilizando-se um ɹo de liga de cobre, introduzido gradativamente no bico da chama. A metalização permite aumentar a superfície de contato entre os blocos quando montados no interior do corpo de porcelana. 
Após a etapa de metalização, cada bloco é levado ao ensaio de tensão de descarga, que consiste na aplicação de uma onda padronizada, medindo-se a queda de tensão resultante. Durante esse ensaio, os blocos são separados de acordo com a tensão de descarga obtida nos tipos A, B e C, para valores compreendidos, respectivamente, entre 8-10, 10-12 e 12-14 kV. Para valores superiores, os blocos são refugados. 
Já os centelhadores série são fabricados pela estampagem de uma chapa de liga de cobre e adquirem uma forma circular. A prensa molda em suas faces uma saliência que serve para disrupção da tensão. A montagem é feita de forma que a corrente de descarga, ao atravessar o centelhador, o faça em forma helicoidal, produzindo o efeito de bobina e melhorando as condições de corte da corrente subsequente. 
As chapinhas do centelhador são montadas sobre peças de esteatita a fim de formar o gap. 
Em ambiente em que há o controle da unidade, geralmente situada em 52%, são montadas as partes componentes do para-raios (os blocos, o centelhador e a mola de compressão) no interior do corpo de porcelana. Em seguida, o para-raios é levado a uma máquina para ser hermeticamente fechado. 
Como a estanqueidade é fundamental no desempenho do para-raios, cada unidade é ensaiada, injetando-se nitrogênio extrasseco no seu interior, através de um orifício feito no terminal de ligação de fase, levando-o, em seguida, a um tanque de água dentro do qual ɹca
submerso por um minuto. A pressão do nitrogênio é de 5 kg/cm². Fechado o orifício por onde se injetou o nitrogênio, depois de aliviar a pressão interna desse gás, o para-raios é levado ao laboratório da fábrica para ser submetido a um ensaio de tensão aplicada na frequência industrial. 
As unidades, nas quais a disrupção neste ensaio está de acordo com a norma, são conduzidas à seção de produtos acabados. O carboneto de silício é um material capaz de conduzir alta corrente de descarga com baixas tensões residuais, no entanto, oferece uma alta impedância à corrente subsequente fornecida pelo sistema. O carboneto de silício apresenta características de tensão × corrente de acordo com a Figura 1.1. Se fosse construído sem centelhador, um para-raios SiC conduziria à terra uma elevada corrente, cerca de 200 A, quando submetido à tensão de operação, Vop. Como resultado, o bloco cerâmico, através do qual ɻuiria a corrente, sofreria um aquecimento exagerado devido às perdas Joule nos resistores não lineares, comprometendo a integridade física do para raios e ocasionando um defeito fase-terra no sistema. Conclui-se, dessa forma, que os para-raios SiC só podem funcionar com a presença do centelhador série. 
O aumento da temperatura do bloco cerâmico de carboneto de silício não deve reduzir a sua resistência elétrica quando da passagem da corrente subsequente. Caso contrário, essa corrente poderia assumir valor em demasia e não permitir a sua interrupção pelo centelhador série, na sua primeira passagem por zero. A não interrupção provocaria uma reignição no meio do ciclo seguinte, reduzindo ainda mais a resistência elétrica do bloco e consequentemente elevando a corrente circulante, e assim sucessivamente, até que esse processo resultasse em danos ao para-raios.
	FIGURA 1.1 Curvas características de tensão × corrente dos varistores SiC e ZnO.
Também a resistência do resistor não linear não deve aumentar com a passagem da corrente de descarga, pois, caso contrário, haverá uma elevação da tensão residual que pode resultar em dano ao equipamento protegido. 
Observando a Figura 1.1 nota-se que existem três regiões distintas de operação dos para-raios. Considerando os para-raios ZnO na região 1, esta pode ser deɹnida como aquela em que o para-raios opera continuamente sem sofrer avarias. É a região conhecida como MCOV (maximum continuous operating voltage) e que corresponde a uma tensão de operação entre 80 e 90% da tensão nominal do para-raios e cujo valor deve ser informado pelo fabricante. Nessa região de baixas correntes o ZnO é muito sensível às temperaturas a que é submetido, alterando severamente as suas características. Quanto maior a
temperatura a que ɹcam submetidas as pastilhas, maior será a energia acumulada nos elétrons, e consequentemente, maior será o valor da corrente de fuga, degradando o desempenho do para-raios. 
A região 2 é caracterizada pela grande variação de condução de corrente pelos para-raios para pequenos incrementos de tensão no sistema. Nessa região os para-raios suportam bem os transitórios na frequência industrial. Nessa condição o para-raios pode operar por até 10 s. Para tempos superiores ocorrerá uma elevação de temperatura nas pastilhas de ZnO e como consequência será drenada para a terra um valor maior de corrente de fuga. Nessa região a temperatura apresenta pouca influência no valor da tensão. 
Ao continuar essa condição de operação entra-se na região 3, que é caracterizada pela condução de elevadas correntes de fuga com valores superiores a sua capacidade nominal, o que possivelmente levará as partilhas à condição de avaria, fenômeno que é denominado avalanche térmica. Nessa região, denominada zona de alta corrente, onde se processa a descarga da corrente através do bloco cerâmico, o comportamento do ZnO depende da resistividade dos grânulos de que são fabricados os varistores. 
b) Corpo de porcelana 
Constituído de porcelana vitriɹcada de alta resistência mecânica e dielétrica, dentro do qual estão alojados os principais elementos ativos do para-raios. 
O sistema de vedação é o ponto mais crítico de um para-raios e consiste nas gaxetas de borracha e nas tampas metálicas instaladas nas extremidades. Quando o para-raios é submetido a descarga, a sua temperatura é elevada a um valor que depende da magnitude da corrente. Como os coeɹcientes de expansão da porcelana, das gaxetas de borracha e das tampas metálicas são diferentes, existe a possibilidade de entrada de ar externo para o interior do para-raios, afetando de imediato o desempenho do centelhador, através do qual pode haver disrupção à frequência industrial motivada pela redução da rigidez dielétrica dos espaços entre os elementos do centelhador. 
c) Centelhador série 
É constituído de um ou mais espaçadores entre eletrodos, dispostos
em série com os resistores não lineares, e cuja ɹnalidade é assegurar, sob quaisquer condições, uma característica de disrupção regular com uma rápida extinção da corrente subsequente, fornecida pelo sistema. 
O centelhador série pode ser considerado uma chave de interrupção da corrente que segue a corrente de descarga do para-raios (corrente subsequente), quando esta passa pelo ponto zero natural do ciclo alternado. 
d) Desligador automático 
É constituído de um elemento resistivo colocado em série com uma cápsula explosiva protegida por um corpo de baquelite. O desligador automático é projetado para não operar com a passagem da corrente de descarga e da corrente subsequente. Sua principal utilidade é desligar o para-raios defeituoso da rede através de sua autoexplosão. Adicionalmente, serve como indicador visual de defeito do próprio para-raios. 
É necessário que a curva de atuação tempo × corrente do desligador automático seja compatível com as curvas características de atuaçãodos elementos de proteção do sistema. Esses dispositivos são disponíveis somente nas unidades de média tensão. 
e) Protetor contra sobrepressão 
É um dispositivo destinado a aliviar a pressão interna devido a falhas ocasionais do para-raios e cuja ação permite o escape dos gases antes que haja o rompimento da porcelana e provoque danos à vida e ao patrimônio. 
A Figura 1.2 mostra o interior de um para-raios de distribuição a resistor não linear, detalhando os principais elementos ativos anteriormente descritos, enquanto a Figura 1.3 detalha a montagem de um para-raios num sistema de distribuição. Já a Figura 1.4 mostra uma estrutura típica de transformador de distribuição protegido por um para-raios de distribuição.
	FIGURA 1.2 Detalhes construtivos dos para-raios de distribuição.
	
FIGURA 1.3 Montagem de um para-raios de distribuição em cruzeta de madeira.
	
FIGURA 1.4 Instalação de um para-raios de distribuição em estrutura de transformador.
f) Mola de compressão 
Fabricada em ɹo de aço de alta resistência mecânica, tem a função de reduzir a resistência de contato entre os blocos cerâmicos. Atualmente a indústria de para-raios a carboneto de silício fabrica esses equipamentos somente para sistemas de média tensão. Mesmo assim, o seu fornecimento vem caindo sistematicamente, ao contrário dos para-raios de óxido de zinco. 
1.2.2 Para-raios a Óxido de Zinco 
São assim denominados os para-raios que utilizam como resistor não linear o óxido de zinco (ZnO) e, ao contrário dos para-raios a carboneto de silício, não possuem centelhadores série. Esses para-raios são constituídos
basicamente das seguintes partes: 
a) Resistores não lineares 
Em decorrência das pesquisas para obtenção de um resistor não linear de aplicação na proteção de circuitos eletrônicos, a Matsushita Electric Industrial Company, sediada em Osasco, no Japão, descobria em 1978 que o óxido de zinco possuía excelentes características de não linearidade. Em seguida a General Electric aprofundou as pesquisas para obter um produto que pudesse substituir o carboneto de silício, SiC, único produto que desempenhava a função de resistor não linear na construção de para-raios e que dispensasse o uso de centelhadores, que são os elementos responsáveis pela interrupção da passagem da corrente subsequente. 
Os para-raios de óxido de zinco são constituídos por blocos cerâmicos compostos a partir de uma mistura de óxido de zinco, em maior proporção, e outros óxidos metálicos, como o antimônio, o manganês, o bismuto e o cobalto. 
Após a obtenção do pó, resultante da mistura anteriormente referida, procede-se à prensagem dos blocos nas dimensões desejadas, vindo em seguida a sua sinterização, que consiste em um tratamento térmico cujo objetivo é tornar o bloco um elemento cerâmico, e isso é obtido quando o mesmo é submetido a uma temperatura que pode chegar aos 1.300°C. Após cobrir com elemento metálico as superfícies de contato do bloco cerâmico, o mesmo é levado a uma série de testes, depois dos quais pode estar classiɹcado para ser utilizado nos para raios. 
Assim como o SiC, o óxido de zinco apresenta uma elevada capacidade de condução de corrente de surto que resulta em baixas tensões durante a passagem da corrente de descarga, ao mesmo tempo que oferece alta resistência à corrente subsequente, fornecida pelo sistema. 
O óxido de zinco apresenta características de tensão × corrente de acordo com a Figura 1.1. Nesse caso, como se pode observar que o para-raios a óxido de zinco, quando submetido à tensão de operação, conduz à terra uma corrente elétrica de valor muito pequeno, cerca de 30 × 10−6 A, ou 0,03 mA, incapaz de provocar aquecimento signiɹcativo no bloco cerâmico. Como resultado desse desempenho, o
para-raios a óxido de zinco pode dispensar o uso do centelhador série. Conhecidas as características dos blocos varistores pode-se desenvolver uma análise comparativa dos elementos carboneto de silício e óxido de zinco. 
A diferença básica entre um para-raios SiC e um para-raios ZnO é o coeɹciente de não linearidade, que signiɹca a quantidade da variação da resistência ôhmica do varistor de que são constituídos os para-raios para uma dada elevação da tensão. Os para-raios SiC têm um baixo coeɹciente de não linearidade, enquanto os para-raios ZnO apresentam um elevado valor desse fator. 
A corrente que circula no bloco varistor (carboneto de silício ou óxido de zinco) depende exponencialmente da tensão aplicada nos terminais do para-raios, conforme Equação (1.1): 
I = K × Vα (1.1) 
V – tensão aplicada ao bloco varistor; 
K – constante característica do carboneto de silício ou do óxido de zinco; 
I – corrente conduzida pelo bloco varistor; 
α – coeficiente de não linearidade. 
O valor de α depende da constituição química do bloco cerâmico, do tempo e da temperatura de sinterização e do tempo de resfriamento. Os varistores de carboneto de silício têm valor aproximado de α − 5. Já os varistores de óxido de zinco apresentam valores de α variando entre 25 e 30. Quanto maior for o seu valor, mais sensível é o varistor quanto à variação da tensão aplicada e, portanto, melhor é a qualidade do para raios. 
Os para-raios a óxido de zinco apresentam as seguintes vantagens técnicas e operacionais: 
• 
Não existe corrente subsequente nos para-raios a óxido de zinco. • 
Apresentam maior capacidade de absorção de energia. • 
São dotados de um nível de proteção mais bem definido, o que resulta na redução da margem de segurança do isolamento dos equipamentos. 
• 
Por não possuírem centelhadores, a curva de atuação dos para-raios a
óxido de zinco não apresenta transitórios. 
Quando o para-raios opera, conduzindo a corrente de descarga para a terra, há uma elevada dissipação de calor devido à resistência não linear do bloco cerâmico. Para determinar o valor da energia dissipada foi estabelecido nos ensaios de capacidade de energia pela IEC – Comissão de Eletrotécnica Internacional – o formato da onda de corrente de 4/10μs. Os valores obtidos de energia dissipada para a forma de onda anteriormente mencionada são de 29 kJ para uma corrente de crista de 40 kA e de 52 kJ para uma corrente de 65 kA. 
Observando a curva de característica tempo × corrente, conclui-se que os para-raios ZnO têm desempenho bem superior ao dos para-raios SiC, ou seja, na condição de operação normal do sistema, o para-raios ZnO apresenta-se com uma impedância tendendo ao inɹnito, sendo drenada uma corrente de valor muito pequeno, conforme pode ser mostrado no gráɹco da Figura 1.1. Quando submetido a sobretensão, sua impedância varia rapidamente dentro de uma característica não linear, permitindo manter praticamente constante a tensão nos terminais do equipamento que protege. Diferentemente é o comportamento do para-raios SiC. 
b) Corpo de porcelana 
É constituído de uma peça cerâmica no interior da qual estão instalados os varistores de óxido metálico. Dada a sua particular construção, o volume interno do invólucro de porcelana é superior ao volume ocupado pelos varistores, permitindo assim um espaço interno lateral razoável. Se há falha de vedação nas gaxetas superiores e/ou inferiores o ar úmido e/ou poluído penetra no interior do invólucro, alterando as características elétricas dos varistores. Como os para-raios estão permanentemente energizados, inicia-se nesse momento um pequeno ɻuxo de corrente entre fase e terra, levando rapidamente à decomposição dos varistores de óxido metálico, perda da umidade e consequentemente a atuação do elemento de proteção de neutro do sistema elétrico.
	
FIGURA 1.5 Detalhes construtivos dos para-raios: (1) anel de selagem; (2) mola de contato; (3) coberturado flange; (4) fita de conexão de cobre; (5) cobertura de selagem; (6) duto de ventilação; (7) placa de dados; (8) desiccant bag; (9) bloco de zinco; (10) isolador de porcelana.
A Figura 1.5 mostra a parte interna de um para-raios óxido de zinco construído em corpo de porcelana. Já a Figura 1.6 mostra a parte externa de um para-raios de alta tensão também em corpo de porcelana. 
c) Corpopolimérico 
Os invólucros poliméricos são constituídos de uma borracha de silicone com diversas variedades de propriedades químicas na sua formação, dependendo da tecnologia de cada fabricante. Os para-raios com invólucros poliméricos têm como vantagem a
ausência de vazios no seu interior, ao contrário do que ocorre com os para-raios de corpo de porcelana. Devem ser dotados de um excelente sistema de vedação. A Figura 1.7 mostra a parte externa de um para raios de corpo polimérico. 
Na condição de falha por excesso de energia de um para-raios de corpo de porcelana, os blocos de ZnO entram em decomposição, liberando gases, elevando a pressão interna até o rompimento do corpo de porcelana, onde seriam expelidos fragmentos para o ambiente próximo ao ponto de instalação do para-raios. No caso de falha por excesso de energia de um para-raios de corpo polimérico, devido à inexistência de espaços internos e à própria tecnologia do material, não há explosão do invólucro, e o risco de liberação de fragmentos para o ambiente é muito remoto. 
	
FIGURA 1.6 Para-raios de porcelana.
Outra vantagem do corpo polimérico reside na sua aplicação em áreas de elevada poluição. Assim, um para-raios de corpo de porcelana, por dispor de espaços internos de razoável volume, a penetração de ar poluído para o interior do mesmo por perda de vedação propicia a ocorrência de descargas parciais nos espaços que circundam os blocos de ZnO, degradando os mesmos até o ponto de falha. Já nos para-raios
de corpo polimérico, pela inexistência de espaços interiores, o seu desempenho em condições similares é muito superior. 
	
FIGURA 1.7 Para-raios de corpo polimérico.
Por não possuírem centelhador, os para-raios poliméricos permanecem continuamente energizados. Devido a essa condição, os blocos varistores estão continuamente energizados, exigindo que o material de que são constituídos seja de alta qualidade. 
Alguns para-raios de invólucro polimérico não possuem desligador automático. A falha dos blocos cerâmicos leva o sistema elétrico à condição de curto-circuito monopolar, cuja identiɹcação do para-raios defeituoso a olho nu é praticamente impossível. Para evitar tais situações, os para-raios são equipados com um indicador de falta para facilitar a identiɹcação da unidade defeituosa. Em geral, a sensibilidade do indicador de falta é de 15 A. 
d) Contador de descarga 
Tem por ɹnalidade contar o número de operações do dispositivo a partir de um dado valor de corrente e duração. Em geral, é inserido no contador de descarga um medidor de corrente (miliamperímetro).
Também, é comum o contador de descarga ser acompanhado de um indicador de descarga cujo objetivo é mostrar a operação do para-raios. A Figura 1.8 mostra o desenho de uma estrutura de concreto armado utilizada para a instalação de para-raios em subestações de potência de 230 kV. Pode ser utilizada alternativamente uma estrutura de ferro galvanizado. Mostra-se na Figura 1.9 um contador de descarga, visto em detalhe da Figura 1.8, cuja função é registrar o número de descarga atmosférica que ocorreu no sistema. Isso é feito sempre que a corrente de descarga devido a um raio é conduzida à terra pelo cabo de aterramento do para-raios. 
A Figura 1.10 mostra a instalação de dois conjuntos de para-raios de 230 kV. O primeiro conjunto de para-raios está montado sobre uma estrutura de concreto armado do tipo da estrutura apresentada na Figura 1.8, enquanto o segundo conjunto está montado sobre uma estrutura treliçada de ferro galvanizado. 
1.2.2.1 Capacidade máxima de absorção de energia 
É a máxima quantidade de energia a que um para-raios pode conduzir sem que sejam alteradas de forma signiɹcativa as suas características operacionais, quando cessar o fenômeno que causou o seu funcionamento. Na especiɹcação do para-raios deve ser citado o valor máximo da energia que poderá ser absorvida pelo para-raios, sob pena de sofrer danos irreparáveis quando da sua atuação e permitir que os equipamentos que protege sejam submetidos a esforços dielétricos elevados.
	FIGURA 1.8 Estrutura de concreto para instalação de para-raios de 230 kV a óxido de zinco.
	
FIGURA 1.9 Contador de descarga.
	FIGURA 1.10 Instalação de para-raios de 230 kV em subestação de potência.
Os para-raios ZnO estão permanentemente conduzindo corrente elétrica
à terra que, conforme a Figura 1.1, pode variar de centésimos à dezenas de ampères conforme é o nível de tensão a que está submetido. As características construtivas das pastilhas dos para-raios deɹnem a sua capacidade de absorção de energia. A faixa de capacidade de absorção de energia de um para-raios, de forma geral, pode ser conhecida da seguinte forma: 
• 
Para-raios tipo distribuição: 5 kJ/kV 
• 
Para-raios tipo intermediário: 10 kJ/kV 
• 
Para-raios de alta tensão: 15 kJ/kV 
O cálculo da capacidade de absorção de energia de um para-raios de 
óxido metálico pode ser calculado considerando os seguintes eventos. 
a) Incidência direta de descargas atmosféricas 
O valor da energia absorvida, Eabda, pelo para-raios ao drenar uma corrente de descarga vale: 
Vdcr – tensão disruptiva crítica do isolamento da linha de transmissão com polaridade negativa, em kV; 
Vpr – nível de proteção a impulso oferecido pelo para-raios, em kV; Zs – impedância de surto da linha de transmissão, em kV, que pode assumir os seguintes valores: 
– para tensão máxima < 145 kV: Zs = 450 Ω 
– para tensão máxima ≥ 145 kV e < 362 kV: Zs = 400 Ω – para tensão máxima ≥ 362 kV e < 550 kV: Vav = 350 Ω 
Nl – número de linhas de transmissão conectadas ao para-raios, normalmente igual a 1; 
Teq – tempo de duração equivalente da corrente de descarga, considerando a descarga principal e as descargas subsequentes, em μs. Pode ser considerado igual a 300 μs.
b) Religamento de linhas de transmissão ou energização de transformadores 
O valor da energia absorvida, Eabetl, pelo para-raios ao drenar uma corrente devido ao religamento de uma linha de transmissão ou ainda em decorrência da energização de um transformador de potência vale: 
Vri – tensão residual de impulso de manobra, em kV; 
Vav – amplitude da tensão que pode assumir os seguintes valores: 
– para tensão máxima < 145 kV: Vav = 3 pu 
– para tensão máxima ≥ 145 kV e < 362 kV: Vav = 3 pu – para tensão máxima ≥ 362 kV e < 550 kV: Vav = 2,6 pu 
c) Desconexão de banco de capacitores 
O valor da energia absorvida, Eabeca, pelo para-raios ao drenar uma corrente devido à manobra de um banco de capacitores vale: 
C – capacitância do banco de capacitores, em μF; 
Vft – tensão nominal entre fase e terra, em kV; 
Vff – tensão nominal entre fases, em kV; 
EXEMPLO DE APLICAÇÃO (1.1) 
Determinar a energia absorvida por um para-raios ao operar durante a energização de um banco de capacitores de 10 MVAr/13,80 kV. De acordo com o Capítulo 13, tem-se:
O valor da energia absorvida vale: 
1.3 ORIGEM DAS SOBRETENSÕES 
A sobretensão é o resultado de uma tensão variável em relação ao tempo envolvendo as fases de um sistema ou uma fase e a terra. Para ser considerada uma sobretensão seu valor de crista deve ser superior ao valor de crista da tensão máxima do sistema. 
Tomando como princípio o grau de amortecimento da onda de sobretensão e o seu tempo duração, as sobretensões podem ser classiɹcadas em três diferentes formas: 
• 
Sobretensão temporária. • 
Sobretensão de manobra. • 
Sobretensão atmosférica. 
	
FIGURA 1.11 Ordem de grandeza dos valores de tensão e tempo das sobretensões.
Não é possível estabelecer limites bem deɹnidos entre as diferentes formas de sobretensão. A Figura 1.11 mostra a ordem de grandeza dos tempos e valores característicos de cada tipo de sobretensão, em pu da
tensão nominal do sistema. 
1.3.1 Sobretensão Temporária 
A sobretensão temporária é caracterizada por uma onda de tensão elevada e de natureza oscilatória e longo tempo de duração, ocorrida num ponto deɹnido do sistema, envolvendo as fases ou uma fase e a terra cujo amortecimento é muito reduzido. 
As sobretensões temporárias são motivadas por algumas ocorrênciasque podem ser assim resumidas: 
• 
Defeitos monopolares. 
• 
Perda de carga por abertura do disjuntor. • 
Fenômenos de ferrorressonância. • 
Efeito ferrante. 
1.3.1.1 Defeitos monopolares 
Em um sistema elétrico de potência, seja ele de transmissão ou distribuição ou ainda industrial, os defeitos monopolares ocorrem com maior frequência que os defeitos bifásicos envolvendo ou não a terra ou os defeitos trifásicos. 
Quando da ocorrência de um defeito monopolar, as fases não afetadas podem sofrer níveis elevados de sobretensão entre fase-terra, submetendo os equipamentos, notadamente os para-raios, a severas condições de operação. O valor da sobretensão é função da conɹguração do sistema e do tipo de aterramento adotado e se dá devido ao deslocamento do neutro do sistema, conforme representado vetorialmente na Figura 1.12.
	
FIGURA 1.12 Representação vetorial do deslocamento do neutro.
A forma de onda resultante de uma sobretensão é normalmente senoidal, à frequência industrial, não amortecida, com tempo de duração associado ao valor ajustado no relé de proteção. 
Analisando os sistemas com o primário ligado em triângulo e o secundário em estrela, há três condições distintas a considerar: 
a) Sistemas com o neutro efetivamente aterrado 
São assim considerados aqueles cujo ponto central da ligação estrela está solidamente aterrado, isto é, não há nenhuma resistência ligada intencionalmente entre o ponto neutro e a terra. Nesse tipo de sistema, quando uma fase vai à terra, podem surgir sobretensões sustentadas nas fases sãs, cujo valor não excede, em geral, 40% do valor da tensão de operação da rede, ou seja, as sobretensões podem atingir no máximo 80% da tensão fase terra. 
Para que um sistema seja caracterizado como efetivamente aterrado, é necessário que satisfaça as seguintes relações: 
Xz – reatância de sequência zero do sistema; 
Xp – reatância de sequência positiva do sistema; 
Rz – resistência de sequência zero do sistema. 
b) Sistemas com neutro aterrado através de resistência 
São assim considerados aqueles cujo ponto central da ligação estrela está conectado à terra através de um resistor, intencionalmente instalado. 
Esse procedimento é muitas vezes adotado com objetivo de reduzir o valor da corrente de curto-circuito fase-terra e, consequentemente, os custos provenientes do dimensionamento de equipamentos do sistema. 
O nível de sobretensão depende, evidentemente, do valor da resistência elétrica do resistor adotado para reduzir a corrente de curto circuito ao valor requerido. Assim, para baixos valores de resistência de aterramento, o nível de sobretensão sustentado das fases não afetadas não deve exceder à tensão de operação entre fases da rede. Quando o
valor da resistência for elevado, a tensão sustentada entre fase e terra pode assumir valores superiores à tensão entre fases. 
c) Sistema com neutro aterrado através de reatância 
São assim considerados aqueles cujo ponto central da ligação estrela está conectado à terra, através de uma reatância, intencionalmente instalada. 
Esse procedimento tem o mesmo objetivo anterior, isto é, reduzir o valor da corrente de curto-circuito fase-terra. Neste caso, o máximo valor da sobretensão sustentada entre as fases sãs e a terra não deve exceder a tensão de operação entre fases da rede. Enquanto isso, o maior valor da sobretensão transitória pode chegar a 2,73 da tensão de operação do sistema. 
A determinação da tensão nominal de um para-raios é função do nível de sobretensão presumido no ponto de sua instalação e que, pela importância desse parâmetro, será mais adiante detidamente estudado. 
1.3.1.2 Perda de carga por abertura do disjuntor 
Também conhecida como rejeição de carga, a desconexão de um disjuntor poderá elevar a tensão em todo o sistema, devido à redução do ɻuxo de corrente de carga, fazendo com que o efeito capacitivo das linhas de transmissão reduza a impedância do sistema elétrico e a consequente queda de tensão. 
Como os geradores operam superexcitados devido a alimentarem normalmente cargas indutivas, resultam tensões na geração superiores à tensão de operação do sistema, o que pode ser entendido na Figura 1.13. Na referida ɹgura, observa-se que durante o regime de operação normal do sistema a tensão na geração Vg é superior à tensão na carga Vc, devido às quedas de tensão na resistência da linha de transmissão I × R e na reatância indutiva da mesma I × X. No entanto, após a abertura do disjuntor em que um grande bloco de carga foi desligado, o sistema elétrico sofrerá uma elevação de tensão devido à redução do ɻuxo de corrente nas linhas de transmissão e o efeito acentuado e preponderante da reatância capacitiva, conforme se observa na Figura 1.13 (c). 
As sobretensões devido à rejeição de carga são caracterizadas por uma onda na forma senoidal à frequência industrial, cujo módulo depende do
nível de curto-circuito do sistema, do comprimento da linha de transmissão e da compensação série ou paralela disponível no sistema. 
	
FIGURA 1.13 Diagramas de tensão de geração e de carga num processo de rejeição de carga.
Quando um grande de bloco de carga é desligado do sistema, o gerador é acelerado, tendo como consequência aumento da frequência industrial. Decorrido o período transitório, os reguladores de tensão e de velocidade dos geradores atuam no sentido de reduzir a sua excitação, levando-a às condições nominais de operação. 
1.3.1.3 Fenômenos de ferrorressonância 
Quando um sistema elétrico dotado de capacitâncias e indutâncias é submetido a uma frequência cujo valor se aproxima da frequência natural desses parâmetros, surgem elevações de tensão devido à redução de impedância do referido sistema, isto é, Xl ≅ Xc, sendo R o responsável pela limitação da corrente elétrica. Como o valor de R de uma linha de transmissão é normalmente 1/10 do valor da impedância total, o sistema
passa a conduzir correntes extremamente elevadas, resultando em tensões consequentemente elevadas. 
A corrente que circula em determinado circuito dotado de reatâncias indutivas e capacitivas pode ser dada pela Equação (1.6). 
Quando ocorre um fenômeno como o descrito anteriormente, diz-se que o sistema está ressonante. Isso ocorre em situações especiais quando, por exemplo, um circuito trifásico formado por condutores primários isolados alimenta um transformador cuja proteção é constituída por elementos monopolares, tais como fusíveis de alta capacidade de ruptura ou chaves fusíveis monopolares, conforme Figura 1.14. Na ocorrência de um defeito monopolar ou bipolar, a proteção de uma das fases atua, permitindo a operação do transformador através de duas fases. Os condutores de alimentação do transformador são representados por sua capacitância para a terra e o transformador é representado por sua reatância indutiva, formando dessa, maneira, um circuito L-C que sob determinadas condições pode se tornar ressonante. Como resultado, são observadas tensões elevadas nos terminais do transformador. 
A Figura 1.15(a) representa o circuito equivalente relativo à Figura 1.14, enquanto a Figura 1.15(b) representa as impedâncias resultantes. Normalmente, a frequência natural de um sistema em determinada condição é igual ou inferior à frequência industrial. Logo, devem-se tomar medidas de forma a evitar situações de ferrorressonância, como, por exemplo, aplicar chaves seccionadoras tripolares acionadas por elementos fusíveis de alta capacidade de ruptura em vez de disjuntores tripolares com abertura simultânea nas três fases.
	FIGURA 1.14 Demonstração de um circuito ressonante.
	FIGURA 1.15 Circuito equivalente ao da Figura 1.14.
1.3.1.4 Efeito ferrante 
Quando o ɻuxo de corrente de uma linha de transmissão sem compensação é
reduzido devido à abertura do disjuntor na extremidade de carga, a referida linha de transmissão ɹca submetida a uma elevação de tensão, que pode ser calculada a partir da Equação (1.7). A ocorrência desse fenômeno é devido ao fluxo da corrente capacitiva através da indutância série da linha. 
Vg = Vc × cosh (γ × L) + Zcl × Ic× senh (γ × L) (1.7) 
γ = α + jβ (1.8) 
Vg – tensão do sistema no ponto de geração; 
Vc – tensão do lado da carga; 
Ic – corrente de carga; 
Zd – impedância característica da linha de transmissão; 
L – comprimento da linha de transmissão; 
α – constante de atenuação; 
β – constante de fase. 
Quando a linha de transmissão é desconectada da carga, a tensão devido ao valor da corrente Ic = 0, transforma a Equação (1.7) na Equação (1.9), ou seja: 
Vg = Vc × cosh (γ × L) (1.9) 
Desprezando-se as perdas de uma linha de transmissão sem compensação, o efeito ferrante pode ser calculado aproximadamente pela Equação (1.10). 
Vg = Vc × cos (β × L) (1.10) 
Li – indutância do sistema; 
C – capacitância do sistema.
β – pode assumir o valor de 7,20/100 km de linha para a frequência de 60 Hz. 
1.3.2 Sobretensão de Manobra 
Caracterizada pela operação de um equipamento de manobra como resultado de um defeito ou outra causa, em determinado ponto do sistema, envolvendo as três fases ou uma fase e a terra. 
Há diferentes formas de onda característica para cada tipo de manobra efetuada no sistema. São deɹnidas por tempo de frente de onda entre 100 e 500 μs e um tempo para atingir o valor médio da cauda de 2.500 μs. 
As sobretensões de manobra são mais severas que as sobretensões de natureza temporária, e, portanto, são parâmetros utilizados para determinar o nível de isolamento do sistema. São caracterizadas por fenômenos eletromagnéticos e podem sobrepor-se à tensão de frequência industrial. 
Os parâmetros próprios do sistema modelam os valores da amplitude da onda de sobretensão, bem como a sua configuração. 
A sobretensão de manobra é mais bem deɹnida considerando-se mais a característica da onda resultante que propriamente a causa que originou a referida sobretensão. 
A severidade das sobretensões de manobra depende da conɹguração do sistema e notadamente do seu nível de curto-circuito. A aplicação de equipamentos de manobra adequados, como, por exemplo, disjuntores providos de resistores de fechamento, que têm a ɹnalidade de absorver a energia resultante das ondas múltiplas de reɻexão, pode também reduzir os efeitos associados das sobretensões de manobra. Além do mais, é importante o instante em que ocorreu a operação do elemento de proteção em relação à onda de tensão no instante considerado. Nessas condições, operações semelhantes do elemento de proteção podem resultar em valores diferentes de sobretensões. A Figura 1.16 estabelece estatisticamente os valores de sobretensão e a sua probabilidade de ocorrência. 
Os surtos de tensão resultantes da energização de linhas de transmissão, por exemplo, atingem valores da ordem de 2,5 pu. A impedância de surto do sistema tem os seguintes valores médios: 
a) para linhas aéreas: veja item 1.2.2.1(a). 
b) para cabos subterrâneos: 50Ω. 
Como a tensão de operação do alimentador não inɻui no nível de surto
provocado pela manobra, os sistemas de média tensão estão sujeitos a solicitações mais severas que os sistemas de alta tensão. Assim, a abertura de uma rede aérea de distribuição, cuja corrente de carga seja 60 A, valor eficaz, pode resultar numa sobretensão de: 
É interessante observar que o desligamento de um transformador ou motor, operando a vazio faz liberar a energia magnética existente na máquina. Como essa energia não pode ser consumida, no caso do transformador, porque o seu circuito primário está aberto, então ela é armazenada na sua capacitância própria, ou seja: 
	
FIGURA 1.16 Probabilidade de ocorrência de sobretensões nos valores indicados.
Como a capacitância do transformador é pequena e a sua indutância muito elevada, em circuito aberto, logo esse equipamento sofrerá uma sobretensão que poderá perfurar o seu enrolamento, conforme se conclui com o valor de
V. 
As sobretensões de manobra podem ocorrer nas seguintes operações de chaveamento: 
• 
Energização de uma linha de transmissão. 
• 
Energização de um banco de capacitores. 
• 
Energização de um transformador. 
• 
Religamento de uma linha de transmissão. 
• 
Interrupção de pequenas correntes indutivas como as de reatores e transformadores energizados a vazio. 
• 
Interrupção de correntes capacitivas, tais como as de uma linha de transmissão e de distribuição operando a vazio. 
• 
Interrupção de um circuito submetido a correntes muito elevadas, como as de curto-circuito. 
Essas sobretensões são consideradas de origem interna ao sistema. 
1.3.3 Sobretensão Atmosférica 
Motivada por uma descarga atmosférica envolvendo as fases do sistema ou uma das fases e terra. 
Ao longo dos anos, várias teorias foram desenvolvidas para explicar o fenômeno dos raios. Atualmente tem-se como certo que a fricção entre as partículas de água e gelo que formam as nuvens, provocada pelos ventos ascendentes, de forte intensidade, dá origem a uma grande quantidade de cargas elétricas. Veriɹca-se experimentalmente que as cargas elétricas positivas ocupam a parte superior da nuvem, enquanto as cargas elétricas negativas se posicionam na sua parte inferior, acarretando, consequentemente, uma intensa migração de cargas positivas na superfície da terra para a área correspondente à localização da nuvem, conforme se pode observar ilustrativamente através da Figura 1.17. 
Dessa forma, a concentração de cargas elétricas positivas e negativas numa determinada região faz surgir uma diferença de potencial entre a nuvem e a terra. No entanto, o ar apresenta uma determinada rigidez dielétrica, normalmente elevada, e que depende de certas condições ambientais.
	
FIGURA 1.17 Posição das nuvens carregadas em relação à terra.
O aumento dessa diferença de potencial, que se denomina gradiente de tensão, poderá atingir um valor que supere a rigidez dielétrica do ar, interposto entre a nuvem e a terra, fazendo com que as cargas elétricas negativas migrem na direção da terra, num trajeto tortuoso e normalmente cheio de ramiɹcações, cujo fenômeno é conhecido como descarga piloto. É de, aproximadamente, 1 kV/mm o valor do gradiente de tensão para o qual a rigidez dielétrica do ar é rompida. 
A ionização do caminho seguido pela descarga piloto propicia condições favoráveis de condutibilidade do ar ambiente. Mantendo-se elevado o gradiente de tensão na região entre a nuvem e a terra, surge, em função da aproximação do solo de uma das ramiɹcações da descarga piloto, uma descarga ascendente, constituída de cargas elétricas positivas denominada descarga de retorno. 
Não se tem como precisar a altura do encontro entre esses dois ɻuxos de carga que caminham em sentidos opostos, mas acredita-se que seja a poucas dezenas de metros da superfície da terra. 
A descarga de retorno atingindo a nuvem provoca, em determinada região da mesma, uma neutralização eletrostática temporária. Na tentativa de manter o equilíbrio dos potenciais elétricos no interior da nuvem, surgem nessas intensas descargas que resultam na formação de novas cargas negativas na sua parte inferior, que inicia nova descarga da nuvem para a terra, tendo como canal condutor aquele seguido pela descarga de retorno que em sua trajetória ascendente deixou o ar intensamente ionizado. A Figura 1.18 ilustra graficamente a formação das descargas atmosféricas. 
As descargas reɻexas ou secundárias podem acontecer por várias vezes, após cessada a descarga principal.
Tomando-se como base as medições feitas na Estação do Monte Salvatori, as intensidades das descargas atmosféricas podem ocorrer nas seguintes probabilidades: 
– 97% ≤ 10 kA 
– 85% ≤ 15 kA 
– 50% ≤ 30 kA 
– 20% ≤ 50 kA 
– 4% ≤ 80 kA 
	
FIGURA 1.18Processo de formação de uma descarga atmosférica: (a) descarga piloto; (b) descarga de retorno;(c) descarga no interior da nuvem; (d) descargas reflexas ou secundárias.
 
Constatou-se também que 90% das descargas atmosféricas têm polaridade negativa. Isso é importante para se determinar o nível de suportabilidade dos equipamentos às tensões de impulso, conforme se verá nas especificações. 
As redes aéreas podem ser submetidas a sobretensões devidas às descargas atmosféricas de forma direta ouindireta. 
1.3.3.1 Sobretensão por descarga direta 
Quando uma descarga atmosférica atinge diretamente uma rede elétrica, desenvolve-se elevada tensão que, em geral, supera o nível de isolamento da mesma, seguindo-se um defeito que pode ser monopolar, o mais comum, ou tripolar. 
As redes aéreas de média e baixa tensões são mais afetadas pelas descargas atmosféricas do que as redes aéreas de nível de tensão mais elevado, em consequência do baixo grau de isolamento dessas redes. Por exemplo, enquanto a tensão suportável de impulso de uma linha de
transmissão de 230 kV é de 950 kV, uma rede de distribuição de 13,80 kV apresenta uma suportabilidade de apenas 95 kV. 
Assim, uma rede de distribuição de 13,80 kV, cujo nível de isolamento é de 95 kV, quando submetida a uma corrente de descarga atmosférica incidente de 10 kA, que se divide em 5 kA no ponto de impacto e caminha com esse valor para cada extremidade da rede, provoca sobretensão de aproximadamente 1.000 kV considerando que a impedância característica da rede de distribuição seja de 400 Ω. Esse valor é muito superior ao seu nível de isolamento. Essa mesma corrente de descarga incidente em linha de transmissão de 230 kV, considerando uma impedância característica de 350 Ω não seria tão severa quanto na rede de distribuição, pois o nível de sobretensão seria de aproximadamente 1.750 kV. 
As descargas diretas apresentam taxa de crescimento da tensão na faixa de 100 a 1.000 kV/μs. 
Para evitar a descarga diretamente sobre a rede elétrica são projetados sistemas de blindagem tais como cabos para-raios instalados acima dos condutores vivos da linha ou para-raios atmosféricos de haste normalmente instalados nas estruturas das subestações de potência. A blindagem criada em torno da rede permite limitar a magnitude das sobretensões. 
É possível determinar o número esperado de descargas atmosféricas diretas ocorridas anualmente por cada 100 km de linha aérea instalada em terreno plano, através da Equação (1.13). 
Nd = 0,18 × Nda × (L + 10,5 × H0,75) (1.13) 
Nd – número provável de descarga atmosférica anual para cada 100 km de linha aérea; 
Nda – densidade de descarga atmosférica na região, em número de descarga atmosférica por km²/ano; 
H – altura média dos condutores, em m; 
L – distância horizontal entre os condutores das extremidades da linha, em m. 
A densidade de descargas atmosféricas que atingem uma determinada região é o número de raios por km² por ano e pode ser calculada pela Equação (1.14).
Nt – índice ceráunico, ou seja, o número de dias de trovoada por ano. O valor de Nt pode ser conhecido por instituições oɹciais ou não que operam na área do projeto, tais como, instalações aeronáuticas, serviço de meteorologia, institutos de pesquisa relacionados, etc. Na falta de informações dessas organizações pode-se utilizar o mapa das curvas isoceráunicas mostrado na Figura 1.19. 
As redes aéreas são protegidas naturalmente contra as descargas atmosféricas diretas por meio de objetos próximos tais como ediɹcações, árvores e outras linhas em paralelo, todos com altura igual ou superior a altura dos condutores das referidas redes. Essas blindagens naturais contra as descargas diretas não impedem as sobretensões induzidas decorrentes das descargas sobre os objetos próximos, anteriormente mencionados. O número de descargas diretas que podem ocorrer numa rede aérea sob o efeito da proteção dos objetos próximos, considerados de mesma altura e posicionados, em sequência e em paralelo com a referida rede, pode ser fornecido pela Equação (1.15). 
Ndp = Nd × (1 − Fb) (1.15) 
Ndp – número de descargas diretas de uma rede aérea protegida por objetos; Nd – número provável de descarga, determinado na Equação (1.13); Fb – fator de blindagem.
	FIGURA 1.19 Curvas isoceráunicas do território brasileiro.
O fator de blindagem pode variar de 0 a 1 e depende do afastamento dos objetos, de sua altura e de sua continuidade. Assim, um objeto isolado nas proximidades de uma rede aérea não proporciona nenhuma blindagem, resultando um fator de blindagem nulo. Já uma rede de distribuição rural, por exemplo, tendo por caminhamento o interior de uma ɻoresta com árvores de altura igual a 20 m e uma faixa de servidão de largura de 10 m para cada lado do eixo da linha apresenta um fator de blindagem Fb = 0,5. 
EXEMPLO DE APLICAÇÃO (1.2) 
Determinar o número provável de descargas atmosféricas diretas sobre uma
Determinar o número provável de descargas atmosféricas diretas sobre uma linha de transmissão de 230 kV cuja altura média dos condutores é de 17 m. Os condutores extremos estão afastados de 10 m. A referida linha de transmissão atravessa uma área de floresta de pinheiros e tem uma faixa de servidão igual a 20 m e está localizada no Estado de São Paulo em área litorânea. 
1.3.3.2 Sobretensão por descarga indireta induzida 
Quando uma descarga atmosférica se desenvolve nas proximidades de uma rede elétrica, é induzida determinada tensão nos condutores de fase e em consequência uma corrente associada, cujos valores são funções da distância do ponto de impacto, da magnitude da corrente da descarga, etc. No entanto, se a rede elétrica for dotada de uma blindagem com cabos para raios, estes serão os condutores a que ɹcarão submetidos à tensão induzida e à corrente associada. Devido às capacitâncias próprias e mútuas entre os condutores de blindagem e os condutores vivos, é desenvolvida nestes uma onda de tensão acoplada cujo valor pode ser determinado pela Equação (1.16). 
Zcpr – impedância de surto do cabo para-raios; 
Zst – impedância de surto da torre; 
Id – corrente de descarga induzida; 
K – fator de amortecimento que pode variar entre 0,15 e 0,30. 
A impedância no pé da torre inɻui na tensão no topo da torre, devido às ondas de reflexão. 
As descargas atmosféricas cujo ponto de impacto é próximo às redes
aéreas podem induzir uma tensão nas mesmas cujo valor não supera o valor de 500 kV. Tratando-se de redes com tensão nominal superior a 69 kV ou dotadas de cabos para-raios para blindagem, o seu nível de isolamento é compatível com os valores das sobretensões induzidas, não acarretando falha nas isolações. No entanto, redes aéreas com tensão nominal igual ou inferior a 69 kV podem falhar por tensões induzidas. As redes de 69 kV, por exemplo, apresentam uma tensão nominal suportável de impulso (TNSI) para surtos atmosféricos de 350 kV. 
O número de sobretensões a que estão sujeitas as redes aéreas devido às descargas indiretas induzidas é superior ao número de sobretensões por descargas diretas. 
O valor das sobretensões induzidas é inɻuenciado pela presença do condutor neutro, no caso das redes aéreas secundárias. 
É possível determinar o número provável de sobretensões induzidas entre fase e terra superior a um determinado valor predeɹnido para cada 100 km/ano, utilizando a Equação (1.17): 
Fac – fator de acoplamento entre o condutor terra e o condutor da rede. Se em cada estrutura há um aterramento com resistência não superior a 50 Ω, o valor de Fac varia entre 0,30 e 0,40. Na ausência de um cabo de aterramento Fac = 0; 
Vsup – valor da sobretensão predefinida, acima da qual se deseja saber o número de ocorrências. 
O condutor de aterramento proporciona uma redução de aproximadamente 40% no valor das sobretensões por descargas induzidas. Nas redes secundárias de baixa tensão o condutor neutro ligado à terra a cada três estruturas propicia um fator de acoplamento, aproximadamente, igual a 0,70. 
É possível determinar a distância mínima horizontal entre a rede de energia elétrica e o ponto de impacto no solo de uma descarga atmosférica a partir da qual a referida descarga seria de natureza indireta. 
Der = H + 0,27 × H0,60 × I0,80 (1.18)
H – altura média dos condutores, em m. 
I – corrente de descarga atmosférica, em kA. 
Para uma distância superior a Der o ponto de impacto seria o solo. Quando uma descarga atmosférica incide sobre os condutores fases de uma rede aérea, ou tem como ponto de impacto o solo nas proximidades da referida rede, proporciona uma onda de sobretensãoque se estabelece ao longo dos condutores tanto no sentido da carga quanto no sentido da fonte. A corrente induzida se propaga nos dois sentidos, conforme pode ser ilustrado na Figura 1.20. 
Se a magnitude da onda de tensão é superior à tensão nominal suportável de impulso dos isoladores de pino ou de suspensão da rede, ocorrerá uma disrupção através dos mesmos para a terra ou entre fases. As disrupções para a terra ocorrem com maior frequência e proporcionam uma severa redução da amplitude da onda viajante. Essas disrupções podem ocorrer ao longo de várias estruturas após o primeiro poste mais próximo ao ponto de impacto da descarga atmosférica com a rede ou com o ponto de indução no caso de descargas laterais. 
	FIGURA 1.20 Propagação de uma onda de tensão e corrente numa rede aérea.
Para caracterizar esse fenômeno, veriɹcar a Figura 1.21, onde se observa uma onda de impulso inicial de módulo e taxa de crescimento elevados,
seguida de depressões e subidas em forma de serra, devido às disrupções ocorridas nos isoladores das primeiras estruturas da rede aérea. A onda de impulso cortada caminha pela rede, no sentido dos extremos, fonte e carga, até ser conduzida à terra pelos para-raios de sobretensão instalados nos respectivos pontos. 
As características das ondas de tensão viajantes dependem de vários fatores dentre os quais se destacam os mais importantes: 
• 
A taxa de crescimento da onda de tensão varia entre 100 e 1.000 kV/μs. • 
Os valores das sobretensões dependem do módulo da corrente da descarga atmosférica. 
• 
A forma de onda resultante na rede depende das disrupções ocorridas nas estruturas, conforme Figura 1.21. 
• 
A onda viajante sofre modificações de forma e valor em função das reflexões decorrentes da mudança de impedância da rede. Por exemplo, uma onda caminha numa rede aérea com dada impedância característica e penetra numa rede subterrânea conectada que tem uma impedância característica diferente. 
• 
Impedância de aterramento medida em cada estrutura. 
	
FIGURA 1.21 Forma de onda de uma descarga atmosférica com disrupção pelos isoladores.
EXEMPLO DE APLICAÇÃO (1.3) 
Uma linha de transmissão de 230 kV com altura média dos condutores de 17 m apresenta aterramento em cada estrutura no valor de 40 Ω, em média. Uma descarga atmosférica com corrente de 10 kA induz determinada sobretensão na referida linha que atravessa uma extensa região, onde o nível ceráunico é de 30
dias de trovoada por ano. Determinar o número provável de sobretensões acima de 500 kV que pode ocorrer nessa linha por 100 km/ano e a distância provável do ponto de impacto no solo. Pode-se considerar o fator de acoplamento igual a 0,30. 
O número provável de sobretensões acima de 500 kV vale: 
A distância mínima do ponto de impacto da descarga atmosférica de natureza indireta e a linha de transmissão vale: 
Der = H + 0,27 × H0,60 × I0,80 
Der = 17 + 0,27 × 170,60 × 100,80 
Der = 26,3 m 
É possível determinar o valor da tensão de surto induzida numa rede de distribuição ou linha de transmissão aérea, sabendo-se qual a distância perpendicular entre o ponto de descarga do raio no solo com o eixo da rede ou linha mencionadas, ou seja: 
Rv – relação entre a velocidade da descarga de retorno pela velocidade da luz; 
Za – impedância do canal de ar condutor do arco: Za≅ 30 Ω; I – corrente da descarga atmosférica, em kA;
H – altura dos condutores da rede ou linha ao solo, em m; 
Dpr – distância perpendicular entre o ponto de descarga do raio no solo com eixo da rede ou linhas aéreas, em metros. 
EXEMPLO DE APLICAÇÃO (1.4) 
Considerar uma descarga atmosférica, cuja corrente do raio seja 15 kA, com impacto num ponto do solo distando 90 m de uma linha de transmissão de 69 kV, cuja altura dos condutores ao solo seja de 11 m. Calcular a tensão de surto resultante. 
Logo, o valor da tensão de surto induzida é bem inferior à tensão nominal suportável de impulso de uma linha de transmissão de 69 kV que é de 350 kV. 
O valor de crista dessas ondas está limitado à tensão nominal suportável de impulso (TNSI) da rede. Como já mencionado, ondas com o valor de crista superior à TNSI do sistema provocam descargas nos primeiros isoladores que atingem em sua trajetória, resultando na limitação da onda à tensão de impulso. Essas ondas transientes, mesmo amortecidas pela impedância característica da rede ou impedância de surto, atingem os equipamentos, notadamente os transformadores. 
A representação típica de uma onda transiente de impulso atmosférico é dada na Figura 1.22 e é deɹnida pelo tempo decorrido para que a referida onda assuma o seu valor de crista e pelo tempo gasto para que a tensão de cauda adquira o valor médio da tensão de crista. Assim, para uma onda normalizada de 1,2/50 μs signiɹca que a tensão de crista ocorre no intervalo de tempo de 1,2 μs e a tensão correspondente ao valor médio da cauda é atingida num tempo igual a 50 μs. 
A frente da onda é caracterizada por sua taxa de velocidade de crescimento. Essa taxa é considerada como a inclinação da reta que passa
pelos pontos com valores de tensão iguais a 10 e 90% da tensão de crista, conforme mostrado na Figura 1.22. 
As ondas transientes de impulso atmosférico apresentam velocidade de propagação nas linhas de transmissão da ordem de 300 m/μs e em cabos isolados, cerca de 150 m/μs. Dessa maneira, uma onda de 1,2/50 μs que atinja um cabo isolado, ao alcançar o valor de pico, apresenta uma frente de 180 m, ou seja: 150 × 1,2 = 180 m. 
As correntes correspondentes às tensões de impulso atmosférico são limitadas pela impedância característica de surto do sistema. Assim, para uma tensão de impulso de 95.000 V num sistema em que a impedância característica de surto é de 450 Ω, a corrente transiente vale: 
Quando as descargas atmosféricas não atingirem diretamente a linha de transmissão ou a rede de distribuição, a onda transiente de corrente é aproximadamente dez vezes menor, comparada com o seu valor caso a descarga atingisse diretamente o sistema. Isso porque a parcela maior da descarga é conduzida para a terra, restando somente uma onda de tensão induzida na rede. 
	
FIGURA 1.22 Característica de uma onda padronizada de tensão.
É interessante notar que, segundo observações realizadas em laboratórios especializados, uma descarga atmosférica resultante de uma nuvem localizada a cerca de 1.500 m de altura leva aproximadamente 10.000 μs para atingir o solo (descargas nuvem-terra). Nessas condições, a tensão entre nuvem e terra pode variar entre 10 e 20.000 kV. Com esses dados e os
valores das correntes de descarga características vistas anteriormente, pode se concluir que, numa descarga atmosférica, as potências elétricas desenvolvidas são fantasticamente elevadas, enquanto a energia decorrente é algo pouco signiɹcativo. Assim, para uma tensão de descarga de 15.000 V, associada a uma corrente correspondente de 60 kA, a potência desenvolvida é de: 
P = V × I = 15.000 × 60 × 103 = 900 × 106 kW 
Já a energia correspondente a esta descarga vale: 
As tensões induzidas nas redes aéreas assumem praticamente os mesmos valores em cada fase e são caracterizadas por uma onda de polaridade positiva na maioria das descargas observadas. Já as correntes induzidas têm polaridade negativa em cerca de 90% dos casos. 
Nas redes aéreas de baixa tensão a forma como as tensões e as correntes é induzida nos condutores são idênticas aos fenômenos que ocorrem nas redes de alta tensão. No entanto, por causa da presença do condutor neutro instalado normalmente acima dos condutores de fase e aterrados a distâncias regulares de 50 a 300 m, as sobretensões são inɻuenciadas pelos referidos aterramentos à medida que os valores das resistências de terra forem signiɹcativamente superiores à impedância característica da rede de baixa tensão cujo valor aproximado é de 50 Ω. 
Apesar de a rede de baixa tensão não ser afetada pelas tensões e correntes de surto, os aparelhos eletrodomésticos conectados a elas são as suas principais vítimas, devido às tensões induzidas na rede primária que chegam ao