Pára-raios

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Considerações Básicas sobre Pára-raios
Marco Polo Pereira Departamento de Planejamento de Transmissão
Furnas Centrais Elétricas S.A. Rua Real Grandeza, 219, Rio de Janeiro, Brasil
 e-mail : mpolo@furnas.gov.br
Resumo
Os equipamentos de uma instalação industrial podem ser submetidos a sobretensões
provocadas por descargas atmosféricas ou manobras no sistema, sendo necessário a instalação
de dispositivos de proteção para evitar sua danificação. Apesar de sua importante missão, os
pára-raios são equipamentos de reduzido custo, simples do ponto de vista construtivo e de
pequenas dimensões quando comparados aos equipamentos que protegem. Um pára-raios é
constituído de um elemento resistivo não linear associado ou não a um centelhador em série.
Em operação normal, o pára-raios é semelhante a um circuito aberto. Quando ocorre uma
sobretensão o centelhador dispara e uma corrente circula pelo resistor não linear, impedindo
que a tensão nos seus terminais ultrapasse um determinado valor. É possível a eliminação do
centelhador, utilizando-se somente o resistor não linear, se este material apresenta uma
característica suficientemente adequada para esta finalidade.
1. Introdução
Com o objetivo de impedir que os equipamentos de um sistema elétrico ou instalação industrial
sejam danificados por sobretensões é necessário a instalação de dispositivos de proteção,
sendo os pára-raios os equipamentos mais adequados para esta finalidade. Atuam como
limitadores de tensão, impedindo que valores acima de um determinado nível pré-estabelecido
possam alcançar os equipamentos para os quais fornecem proteção.
A Figura 1 mostra as características não lineares do ZnO e do SiC, que são os materiais
básicos para a construção dos blocos utilizados nos pára-raios.
Figura 1. Característica V x I para o SiC e o ZnO
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Observa-se que o ZnO apresenta uma característica não linear superior a do SiC na região de
intensidades de correntes mais baixas. Apesar dos fabricantes estarem voltados para a
construção de pára-raios ZnO, os sistemas já existentes utilizam pára-raios convencionais, que
são pára-raios construídos com resistor não linear à base de carbonato de silício (SiC) e que
necessitam de um "gap" série para o seu correto funcionamento.
2. Detalhes Construtivos dos Pára-Raios
A Figura 2 apresenta, a título de ilustração, o processo evolutivo dos dispositivos de proteção.
Figura 2. Evolução dos Dispositivos de Proteção Contra Sobretensões
Na Figura 2a está indicado um centelhador, que é um dispositivo que pode ser utilizado para a
proteção dos equipamentos de uma subestação. Quando uma sobretensão alcança o
centelhador há o disparo, limitando a sobretensão nos equipamentos protegidos por aquele
dispositivo. O centelhador apresenta como grande desvantagem o estabelecimento de um
curto-circuito, o qual deve ser eliminado pela proteção do sistema.
Com o objetivo de evitar o estabelecimento de um curto-circuito no sistema e seus
inconvenientes, foi desenvolvido o pára-raios mostrado na Figura 2b. Este pára-raios consiste
de um resistor não linear em série com o centelhador, de forma a limitar a corrente de
descarga. São normalmente utilizados em sistemas de distribuição e de alta-tensão (<138 kV) e
a corrente de descarga só é interrompida quando a tensão passa por zero, conforme mostrado
na Figura 3.
Figura 3. Atuação de um pára-raios com gaps
Ia – corrente de descarga Ua – tensão de disparo U – tensão do sistema
In – corrente subsequente Up – tensão residual
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Normalmente, os resistores não lineares têm resistências muito elevadas, acarretando uma
tensão residual elevada nos terminais do pára-raios. Na prática, este problema não é
preocupante porque os equipamentos desta faixa de tensão são projetados com níveis de
isolamento elevados.
Com o crescimento das tensões dos sistemas de transmissão, os pára-raios tiveram o seu
desenvolvimento acelerado e os pára-raios com “gap" ativo constituíram um estágio
importante deste processo. A Figura 2c apresenta, esquematicamente, este tipo de
equipamento.
O seu funcionamento é baseado no alongamento do arco através do "gap" com o auxílio de um
campo magnético, conforme indicado, esquematicamente, na Figura 4. Nesta figura, estão
mostradas as diversas etapas no processo de condução de um pára-raios, estando indicados
quatro instantes distintos com relação à tensão no sistema e à corrente no pára-raios.
Com a finalidade de melhor ilustrar as diversas etapas do processo de condução no pára-raios,
as grandezas elétricas estão mostradas fora de escala e os seus componentes estão
apresentados de forma esquemática. Por exemplo, a corrente de controle está ampliada
(somente poucos mA), a corrente de descarga (vários kA) está reduzida e a duração das ondas
de surto de tensão e da corrente de descarga está ampliada.
Figura 4 – Operação de um pára-raios de gap ativo
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Os principais componentes e grandezas, mostrados na Figura 4, são os seguintes:
is – corrente de controle ia – corrente de descarga (surge current)
in – corrente subsequente a 60 Hz (follow current)Ra – resistores não lineares
Rb – resistores de by-pass Rs – resistores equalizadores (grading resistors)
B – bobina de sopro magnético (blow out coil)E – eletrodos dos centelhadores (spark gap electrode)
K – câmara de extinção do arco A – ponto de início do arco
M – linhas de fluxo magnético L – arco elétrico
UL – tensão desenvolvida no arco URa – tensão nos resistores não lineares
Np – nível de proteção Ua – tensão de disparo
Up – tensão residual Us – surto de tensão
U – tensão normal de operação
Na Figura 4b, está indicada a operação do pára-raios em condições normais. Nesta situação a
corrente que circula pelo pára-raios é somente de poucos miliampères, sendo limitada pelos
resistores não lineares Ra e pelos resistores equalizadores. Esta pequena corrente assegura que
a tensão do sistema aplicada aos terminais do pára-raios se distribua uniformemente através
dos “gaps" e demais componentes do equipamento.
Durante o processo de condução propriamente dito (Figura 4c), a corrente de descarga circula
pelos "qaps" e resistores de "by-pass", uma vez que as indutâncias das bobinas de sopro
magnético impedem a circulação desta corrente com alta taxa de crescimento. Este processo é
iniciado quando a tensão nos terminais do pára-raios ultrapassa o valor da tensão de disparo e
a corrente circula inicialmente na parte do "gap", onde a distância é a menor.
Após o surto inicial de corrente, tal como indicado na Figura 4c, os "gaps" encontram-se
altamente ionizados e uma corrente provocada pela tensão do sistema (corrente subseqüente a
60 Hz) pode fluir no pára-raios. Inicialmente esta corrente é função somente da tensão do
sistema e dos resistores não lineares. Sendo uma corrente com pequena taxa de variação, o seu
caminho natural será pela bobina de sopro magnético, uma vez que nestas condições a sua
indutância será de valor reduzido, deixando, portanto, de circular pelo resistor de "by-pass". A
passagem de corrente nesta bobina cria um forte campo magnético, com tendência a expandir a
corrente através do "gap", formando um arco elétrico alongado. Este alongamento do arco
provoca o aumento da tensão nos terminais do pára-raios, ajudando a limitar a corrente até a
sua completa extinção. Após a extinção da corrente a situação é a indicada na Figura 4e,
retomando o pára-raios a sua condição normal de operação.
A Figura 2d apresenta o estágio atual de desenvolvimento dos pára-raios, sendo utilizados
apenas blocos de resistores não lineares na sua construção.
Considerando-se a expressão I=kVn para a característica do resistor não linear, pode ser
verificado que o SiC tem o expoente da ordem de 4 enquanto que o ZnO apresenta um
expoente n na ordem de 25. Esta alta não linearidade do ZnO permitiuo abandono do "gap"
anteriormente necessário para os pára-raios convencionais, simplificando tremendamente a
construção dos pára-raios e aumentando bastante a confiabilidade destes equipamentos.
3. Características de Proteção dos Pára-raios
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3.1 Características Elétricas dos Pára-raios Convencionais
- Tensão nominal
A tensão nominal de um pára-raios é o valor de tensão na freqüência fundamental para a qual o
pára-raios foi projetado e em relação ao qual todas as demais características estão
relacionadas. Com este valor de tensão aplicado a seus terminais, o pára-raios é submetido ao
ensaio de ciclo de trabalho, que é um dos mais importantes ensaios previstos nas normas.
Geralmente, a tensão nominal é o limite para as sobretensões dinâmicas permissíveis no
sistema.
- Tensão de "Reseal"
A tensão de "reseal" é a maior tensão para a qual o pára-raios tem condições de interromper a
corrente subseqüente, isto é, ocorrido o disparo devido a um surto de tensão o pára-raios deve
interromper a corrente de disparo, inclusive a corrente subseqüente, e não deve conduzir
novamente no primeiro meio ciclo seguinte de tensão. Esta característica não é definida de
forma explícita nas normas de pára-raios e a própria definição para a tensão nominal abrange
esta característica, uma vez que é o valor utilizado nos ensaios de ciclo de operação.
- Tensão Máxima de Disparo para Onda Escarpada (kV pico).
A tensão máxima de disparo para onda escarpada ou tensão de disparo na frente de onda é a
tensão de disparo do pára-raios quando submetido a um surto de tensão com uma inclinação
uniforme e alta taxa de crescimento.
- Tensão Máxima de Disparo para Impulso Atmosférico (kV pico).
A tensão máxima de disparo para impulso atmosférico é o maior valor de tensão de disparo do
pára-raios quando submetido a impulsos do tipo 1.2 x 50 ms.
- Tensão Máxima de Disparo para Impulso de Manobra (kV pico).
A tensão máxima de disparo para impulso de manobra é o maior valor de tensão de disparo do
pára-raios quando submetido a impulsos considerados como sendo característicos das ondas
tipo impulso de manobra. Geralmente, os tempos para frente de onda estão na faixa de 30 a
2000 ms.
- Nível de Proteção a Impulso de Manobra (kV pico).
O nível de proteção a impulso de manobra é a maior tensão que pode aparecer nos terminais
de um pára-raios para impulsos do tipo manobra, seja a tensão de disparo ou então a tensão
residual.
- Tensão Residual (kV pico).
A tensão residual é a tensão que aparece no pára-raios quando da passagem de uma corrente
de impulso na forma 8 x 20 ms. Normalmente, os ensaios são realizados para impulsos de
corrente de valor 1.5, 5, 10, 15, 20 e 40 kA.
- Tensão Mínima de Disparo à Freqüência Industrial (kV RMS)
A tensão mínima de disparo à freqüência industrial é o maior valor de tensão na freqüência do
sistema que o pára-raios pode suportar sem disparar. O pára-raios não tem condições de
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interromper o processo de condução se for solicitado a disparar por um valor de tensão na
freqüência fundamental acima da tensão mínima de disparo à freqüência industrial. O disparo
do pára-raios nestas condições não necessita de um surto de tensão para o início da condução.
- Capacidade de Absorção de Energia
A capacidade de absorção de energia do pára-raios é de grande importância nos sistemas de
EAT e UAT, onde a energia disponível é muito elevada. Normalmente, a capacidade de
absorção de energia dos pára-raios providos de centelhadores não consta dos catálogos,
devendo ser obtida diretamente dos fabricantes. Esta capacidade de energia abrange a
capacidade do resistor não linear e a do centelhador, e, geralmente, é da ordem de 5 kWs por
kV de tensão nominal do pára-raios.
3.2 Características Elétricas dos Pára-raios de Óxido de Zinco
- Tensão Nominal (kV RMS)
A tensão nominal de um pára-raios é o valor máximo RMS da tensão na freqüência industrial
aplicada aos seus terminais no ensaio de ciclo de serviço, para a qual o pára-raios foi projetado
e tem condições de operar satisfatoriamente, durante o ensaio. O valor da tensão nominal é
utilizado como um parâmetro de referência para a especificação de suas características de
operação.
- Tensão Máxima de Operação em Regime Contínuo (kV RMS)
A tensão máxima de operação em regime contínuo é o maior valor de tensão para o qual o
pára-raios é projetado de modo a operar continuamente com esta tensão aplicada a seus
terminais.
- Capacidade de Sobretensão Temporária
A capacidade de sobretensão temporária é definida em função da característica de
suportabilidade tensão x duração, onde é indicada a quantidade de tempo para a qual é
permitida a aplicação de uma tensão superior à tensão máxima de operação em regime
contínuo nos terminais do pára-raios. A Figura 5 apresenta esta característica para os
pára-raios ZnO fabricados pela ASEA.
Figura 5 - Capacidade de sobretensão temporária
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- Nível de Proteção a Impulso de Manobra (kV pico)
O nível de proteção a impulso de manobra depende da corrente de condução no pára-raios, a
qual aumenta a medida que o valor do impulso de tensão aumenta. Com o intuito de definir o
nível de proteção a impulso de manobra, deve ser estabelecido um valor para a corrente de
coordenação. Geralmente, o valor de 3 kA é adotado na ausência de estudos específicos, uma
vez que este valor dificilmente será ultrapassado na prática.
- Tensão Residual (kV pico).
A tensão residual é a tensão que aparece no pára-raios quando da passagem de uma corrente
de impulso na forma 8 x 20 ms. Normalmente, os ensaios são realizados para impulsos de
corrente de valor 1.5, 3, 5, 10, 15, 20 e 40 kA. A tensão residual depende da forma de onda do
impulso aplicado e, geralmente, os fabricantes fornecem informações relacionando a tensão
residual com a frente de onda do impulso aplicado, tal como indicado na Figura 6 (extraída do
catálogo da GE).
Figura 6 - Tensão residual em função da frente de onda da corrente de condução
A Figura 7 apresenta a variação da tensão residual em função da corrente para diversos tipos
de impulsos para os pára-raios ZnO da ASEA.
Figura 7 - Tensão residual em função da corrente de condução
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- Capacidade de Absorção de Energia
A capacidade de absorção de energia do pára-raios é de grande importância nos sistemas de
EAT e UAT, onde a energia disponível é muito elevada e devido à possibilidade de repartição
de energia entre pára-raios de uma subestação. Os catálogos dos fabricantes, normalmente,
indicam a capacidade máxima de energia em kWs por kV de tensão nominal, sendo esta
capacidade função da tensão nominal e da corrente de condução do pára-raios. Geralmente, os
pára-raios utilizados em sistemas de EAT têm uma capacidade de absorção de energia na faixa
de 7 a 8 kWs por kV de tensão nominal. A Figura 8 apresenta a variação da capacidade de
absorção de energia dos pára-raios fabricados pela GE, em função da corrente de condução.
Figura 8. Energia Máxima Permitida em Função da Corrente de Condução
4. Aspectos Relacionados com a Seleção de Pára-raios
A seleção de um pára-raios para a correta proteção de um equipamento, ou de um grupo de
equipamentos, deve levar em consideração uma série de fatores, tais como: tensão máxima na
freqüência industrial, sobretensões temporárias, sobretensões atmosféricas e de manobra,
efeito-distância, características de proteção, isolamento dos equipamentos e margens de
proteção. Normalmente, estes fatores envolvem aspectos conflitantes e um processo passo a
passo é, geralmente, necessário para a seleção definitiva da tensão nominal de um pára-raios.
4.1 Tensão Máxima na Freqüência Industrial
A tensão nominal de um pára-raios convencional deve ser igual ou superior à maior
sobretensão na freqüência industrial que pode ocorrer no sistema, para evitar que o pára-raios
seja submetido a disparos consecutivos e, eventualmente, se danifique.9
As causas mais freqüentes para a ocorrência de sobretensões temporárias são as seguintes:
faltas fase-terra, rejeição de carga, ferro-ressonância, indução em circuitos paralelos e perda de
conexão a terra em sistemas, normalmente, aterrados. No caso de pára-raios ZnO, devido a
sua característica peculiar, é estabelecido que a tensão máxima em regime contínuo não pode
ultrapassar a 80% do valor da tensão nominal do pára-raios. As características de
suportabilidade para sobretensões temporárias devem ser utilizadas de acordo com as
informações específicas para cada fabricante.
4.2 Classes de um Pára-raios
Normalmente, três classes de pára-raios são utilizadas em sistemas de alta-tensão: estação,
intermediária (subtransmissão) e distribuição. As diferenças entre os três tipos estão nos níveis
de proteção, nos ensaios de durabilidade, na existência ou não de dispositivos de alívio de
pressão e nas tensões do sistema para as quais foram projetados. Os pára-raios tipo estação
cobrem todas as classes de tensão, os do tipo intermediário destinam-se às tensões
normalmente utilizadas nos sistemas de subtransmissão (<138 kV) e os do tipo distribuição
para as tensões até 35 kV.
A seleção da classe do pára-raios é realizada com base nas características de proteção e nas
seguintes considerações adicionais: tensões nominais disponíveis, limites de corrente para o
dispositivo de alivio de pressão e características de durabilidade. As duas primeiras
considerações são requisitos do sistema elétrico e devem ser atendidas. A última consideração
envolve a análise da importância do equipamento a ser protegido, podendo-se escolher um
pára-raios tipo estação para um local onde um pára-raios tipo intermediário pudesse ser
utilizado, com o objetivo de prover aquele equipamento ou subestação com uma maior
confiabilidade.
4.3 Características de Proteção
A característica de proteção dos pára-raios convencionais é, usualmente, apresentada como
uma curva de tensão contra tempo para ocorrer o disparo e, geralmente, pode ser obtida dos
fabricantes. As informações normalmente disponíveis são as seguintes: disparo para onda
escarpada, disparo para onda 1.2 x 50 ms, disparo para ondas do tipo manobra e tensão
residual para onda 8 x 20 ms, as quais, plotadas num mesmo gráfico, fornecem a característica
de proteção do pára-raios. A tensão residual depende da corrente de descarga, a qual depende
de uma série de considerações a respeito das características das descargas atmosféricas
referentes à região onde se encontra localizada a instalação. Quando são efetuados estudos de
efeito distância com o auxílio de um programa digital de transitórios, a corrente de descarga
pode ser determinada diretamente das simulações. Tem sido recomendada, pela literatura, a
utilização dos seguintes valores para corrente de descarga, em função da classe de tensão do
sistema: 5 kA (138 kV), 10 kA (230 e 345 kV), 15 kA (500 kV) e 20 kA (800 kV).
O nível de proteção fornecido pelo pára-raios na região de impulso atmosférico deve ser
obtido considerando-se o maior valor entre a tensão residual para ondas 8 x 20 ms e o nível de
disparo para ondas 1.2 x 50 ms. O nível de proteção para impulso de manobra é o maior valor
entre o nível de disparo para impulso de manobra e a tensão residual para ondas do tipo
manobra. Os pára-raios ZnO têm as suas características de proteção definidas de forma similar
às dos pára-raios convencionais, de forma a atender as normas tradicionais sobre os pára-raios
convencionais e para facilitar a comparação entre as características dos dois tipos de
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pára-raios. Geralmente, são fornecidas as características para onda escarpada, para tensão
residual e para impulso de manobra, além de informações sobre a variação da tensão residual
em função da frente de onda.
4.4 Níveis de Isolamento dos Equipamentos
O nível de isolamento de um equipamento é o conjunto de valores de tensões suportáveis
nominais, aplicadas ao equipamento durante os ensaios e definidas em normas específicas para
esta finalidade, que define a sua característica de isolamento. A NBR-6939 estabelece que,
para os equipamentos com tensão máxima inferior a 300 kV, o nível de isolamento é definido
pelas tensões suportáveis nominais de impulso atmosférico e à freqüência industrial. Para
equipamentos com tensão igual ou superior a 300 kV, consideram-se as tensões suportáveis
nominais de impulsos de manobra e atmosférico. Os níveis de proteção dos pára-raios devem
ser selecionados considerando-se as suas características de proteção e os níveis de isolamento
dos equipamentos.
4.5 Efeito Distância
Quando o pára-raios não se encontra conectado diretamente nos terminais do equipamento a
ser protegido, é possível que oscilações provoquem tensões superiores ao nível de proteção do
pára-raios, devido à separação entre o equipamento e o pára-raios. A avaliação da elevação da
tensão nos terminais dos equipamentos deve ser efetuada através da utilização de programas
digitais de transitórios, sendo esta elevação função da taxa de crescimento da onda de tensão,
do comprimento dos barramentos e das conexões situadas entre o pára-raios e o transformador
e das capacitâncias dos equipamentos.
4.6 Margens de Proteção
A coordenação de isolamento é efetuada considerando-se determinadas relações entre o nível
de isolamento dos equipamentos e o nível de proteção dos pára-raios. Geralmente, é
recomendada uma margem mínima de 15% na região de impulsos de manobra e de 20% na
região de impulsos atmosféricos. A finalidade principal para a adoção destas margens está
relacionada com possíveis deteriorações das características de proteção dos pára-raios, devido
à poluição e envelhecimento, além da amplificação da tensão, devido à impossibilidade de se
conectar o pára-raios exatamente nos terminais do equipamento a ser protegido. Quando
estudos específicos são realizados e as sobretensões nos terminais dos equipamentos são
calculadas, esta elevação de tensão já está incluída nas sobretensões resultantes, não havendo,
portanto, necessidade de se adotarem margens de proteção elevadas para a região de impulsos
atmosféricos.
5. Pára-raios de Óxido de Zinco
O desenvolvimento de resistores não lineares, baseado no óxido de zinco (ZnO), modificou
inteiramente a tecnologia de construção de pára-raios, devido a sua característica não linear
permitir a fabricação de pára-raios desprovidos de centelhadores" de qualquer espécie. O
processo de condução de corrente nos pára-raios ZnO é inteiramente diverso daquele referente
aos pára-raios convencionais, modificando sensivelmente o procedimento tradicional
empregado nos estudos de sobretensões. O interesse nas sobretensões não está somente na
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identificação de elevadas amplitudes, mas, principalmente, nas sobretensões de longa duração.
Outro aspecto importante é que todos os pára-raios submetidos a uma determinada
sobretensão conduzem simultaneamente, dividindo a absorção de energia. As principais
vantagens dos pára-raios ZnO em relação aos pára-raios convencionais são as seguintes:
- simplicidade na construção aumenta a confiabilidade;
- o nível de proteção é mais bem definido por causa da ausência de “gaps”;
- melhor desempenho sob contaminação;
- maior capacidade de absorção de energia;
- possibilidade de dividir a energia entre os diversos pára-raios instalados na subestação;
- entra e sai de condução suavemente.
A seleção de um pára-raios ZnO deve ser efetuada considerando-se a tensão normal de
operação, as sobretensões de longa duração e as sobretensões do tipo manobra, sendo a tensão
normal de operação, geralmente, a solicitação que prevalece na determinação da tensão
nominal do pára-raios. As sobretensões de longa duração e as sobretensões de manobra estão
mais associadas à quantidade de colunas do pára-raios. A energia absorvida por um pára-raios
de ZnO é muito dependente das características do pára-raiose dos detalhes do sistema elétrico,
inclusive, das características de outros pára-raios conectados nas proximidades do ponto de
aplicação destes pára-raios, e só pode ser adequadamente determinada através de um estudo
de surtos de manobra bastante criterioso.
Bibliografia
[1]TRANQUELL Station Surge Arresters – Application Guide - General Electric Co.
[2] Pára-Raios ASEA de óxido de Zinco (ZnO) Tipo XAP - Manual de Aplicação - ASEA
Elétrica Ltda.
[3] J. D. M. Phelps - " Selection of Surge Arresters" Tutorial Course on Surge Protection in
Power Systems - IEEE - 1979.
[4] E. C. Sakshaug - "Modern Arresters Characteristics and Tests" - Tutorial Course on Surge
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[5] M. P. Pereira. L. E. Nora Dias, E. B. Guimarães ---Experiênciade FURNAS na Elaboração
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[6] Lightning Arresters - General Information Catalogue 1_13 80 E - AS EA - 1969.
[7] ALUGARD II Station Arresters - Catalogue GEA 9139 A - GE.