Prévia do material em texto
PARA- RAIOS Í nd ice ENG 406 – MATERIAIS ELÉTRICOS E MAGNÉTICOS DOCENTE: ALESSANDRA PICANÇO DISCENTES: BLENDA SANTANA JESSICA LEITÃO JOSÉ ROCHA NETO I n trodução Para proteção do sistema contra os surtos de tensão são instalados para- raios com o objetivo de reduzir o nível de sobretensão a valores compatíveis com a suportabilidade do sistema. Linhas de transmissão e linhas aéreas de distribuição urbanas e rurais são extremamente vulneráveis às descargas atmosféricas, que podem provocar sobretensões elevadas no sistema, ocasionando a queima de equipamentos. Imagem 1: descargas atmosféricas Imagem 2: Para- raio do tipo válvula His tór ia Imagem 3: Benjamin Franklin O para- raios foi inventado por Benjamin Franklin em 1752, por meio de uma perigosa experiência utilizando um fio metálico pra empinar uma pipa de papel durante uma tempestade. Franklin constatou que as nuvens eram carregadas eletricamente quando observou faíscas que se produziam no dispositivo. Desta forma, foi proposta pela primeira vez um método de proteção contra raios em um edifício: colocar sobre este uma ponta metálica 2 ou 3 metros acima do telhado e conectado à terra. Par tes Componentes A proteção contra descargas atmosféricas é obtida por para-raios que utilizam as propriedades de não linearidade dos elementos fabricados para conduzir as correntes de descargas e interromper as subsequentes – sucedem às correntes de descargas após a sua condução à terra. 01. Carbonato de Silício 02. Óxido de Zinco Carboneto de S i l í c io Para- raios de carboneto de silício utilizam como resistor não linear o carboneto de silício (SiC) em série com um centelhador formado por vários gaps (espaços vazios). Esses para-raios são basicamente constituídos pelas seguintes partes: RESISTOR NÃO LINEAR CORPO DE PORCELANA CENTELHADOR SÉRIE DESLIGADOR AUTOMÁTICO PROTETOR CONTRA SOBREPRESSÃO MOLA DE COMPRESSÃO Carboneto de S i l í c io 1 RESISTORES NÃO- LINEARES CARBORUNDO BLOCO DE CARBONETO DE SILÍCIO SINTERIZAÇÃO METALIZAÇÃO ENSAIO DE TENSÃO Beneficiamento do material com a adição de alguns produtos, como bismuto, inclusive diminuindo a granulometria de suas partículas O carborundo é misturado com uma substância aglomerante e depois comprimido em forma de bloco. Processo realizado para garantir a integridade do material, depois do processo de sinterização. Os blocos são submetidos a uma estufa a resistência elétrica que eleva a temperatura de modo a provocar as reações químicas necessárias nas cadeias de carbono, transformando-se numa peça de cerâmica de dureza elevada. Consiste em pulverizar cobre nas faces inferior e superior de silício. A metalização permite aumentar a superfície de contato entre os blocos quando montados no interior do corpo de porcelana. Depois da metalização o bloco é submetido a aplicação de uma onda padronizada, medindo-se a queda de tensão resultante. No ensaio, os blocos são separados de acordo com a tensão de descarga obtida. Carboneto de S i l í c io 1 RESISTORES NÃO- LINEARES 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. 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 Teste de estanqueidade: o para- raios é ensaiado ejetando-se nitrogênio extra seco no seu interior por meio de um orifício feito no terminal de ligação de fase, e levando-o, em seguida é submerso em um tanque com água. Teste de tensão: O para-raios é 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, porém, oferece impedância a corrente subsequente. Carboneto de S i l í c io 1 RESISTORES NÃO- LINEARES Os para-raios SiC só podem funcionar com a presença de um centelhador série. O aumento de temperatura não deve reduzir a resistência no bloco cerâmico na passagem da corrente subsequente, pois isso poderia causar danos ao para-raios. A resistência também não pode aumentar com a corrente de descarga pois poderia causar danos ao equipamento protegido A montagem do para raio deve ser feita em ambiente com controle da umidade. Carboneto de S i l í c io 1 RESISTORES NÃO- LINEARES REGIÃO 1: Para-raios funciona continuamente sem sofrer avaria. REGIÃO 2: Para-raios suporta bem os transitórios na frequência industrial. REGIÃO 3: Condução de elevadas correntes de fuga, causando avalanche térmica. Imagem 5: Curva característica de tensão x corrente dos varistores SiC e ZnO. Carboneto de S i l í c io 2 CORPO DE PORCELANA Imagem 5: Para- raios com corpo de porcelana. Constituído de porcelana vetrificada de alta resistência mecânica e dielétrica, e possui um sistema de vedação que consiste em gaxetas de borracha e em tampas metálicas instaladas nas extremidades. Como os coeficientes de expansão das gaxetas, borracha e tampas metálicas são diferentes existe a possibilidade da entrada de ar externo para o interior do para-raios. Carboneto de S i l í c io CENTELHADOR SÉRIE Constituído de um ou mais espaçadores entre eletrodos, disposto em série com o objetivo de assegurar a disrupção regular com uma rápida extinção da corrente subsequente, podendo ser considerado uma chave de interrupção da corrente subsequente a de descarga. 3 Imagem 6: Centelhador Série. Carboneto de S i l í c io CORBORUNDO 4 DESLIGADOR AUTOMÁTICO Imagem 7:Detalhe desligador automático. Constituído de um elemento resistivo colocado em série com uma cápsula explosiva protegida por um corpo de baquelite. Projetado para não operar com a passagem da corrente de descarga e da corrente subsequente. Sua função principal é desligar o para-raios defeituoso através de sua auto explosão. Carboneto de S i l í c io 5 PROTETOR CONTRA SOBREPRESSÃO É um dispositivo destinado a aliviar a pressão interna devido a falhas ocasionais do para- raios. Impede o escape dos gases antes que haja o rompimento da porcelana e provoque danos a vida e ao patrimônio. Carboneto de S i l í c io 6 MOLA DE COMPRESSÃO Fabricados em fio de aço de alta resistência mecânica e tem a função de reduzir a resistência de contato entre os blocos cerâmicos. SISTEMAS DE MÉDIA TENSÃO. Imagem 8:Detalhe mola de compressão. Carboneto de S i l í c io Imagem 9: Detalhes construtivos dos para-raios. Óx ido de Z inco São assim chamados os para-raios que utilizam como resistor linear o óxido de zinco (ZnO) e, não possuem centelhadores série. Esses para-raios são basicamente constituídos pelas seguintes partes: 1 2 Resistor não lienar Corpo de Porcelana 3 4 Corpo Polimérico Contador de Descarga 1 RESISTORES NÃO- LINEARES Óx ido de Z inco Não apresenta corrente subsequente Dispensa o uso do centelhador e possuem um elevado fator de coeficiente de não linearidade e por isso:. Maior capacidade de absorção de energia. Nível de proteção mais bem definido.. A curvade atuação não apresenta transitórios. Maior desempenho que os para-raios de SiC.. Constituídos por blocos cerâmicos a partir de uma mistura de óxido de zinco e outros óxidos metálicos. O pó obtido da mistura é prensado em blocos nas dimensões desejadas e depois sinterizado. Os blocos têm suas superfícies de contato cobertas com um elemento metálico e levado a uma série de testes. Óxido de zinco apresenta elevada capacidade de condução de corrente de surto. A corrente de surto ocorre em baixas tensões durante a passagem da corrente de descarga e alta resistência à corrente subsequente. 2 CORPO DE PORCELANA Imagem 10: Para raio Óxido de Zinco com corpo de porcela. Constituído de uma peça cerâmica no interior da qual estão instalados os varistores de óxido metálico. Se acontecer falhas na vedação pode ocasionar alteração nas características dos varitores. Óx ido de Z inco CORPO POLIMÉRICO Os invólucros poliméricos são constituídos de uma borracha de silicone e não apresentam vazios no seu interior. Em caso de falha não há explosão do invólucro e alguns não possuem desligador automático. 3 Óx ido de Z inco LOCAIS DE ALTA POLUIÇÃO Imagem 11: Para-raios de corpo polimérico. CORBORUNDO 4 CONTADOR DE DESCARGA Imagem 12: Detalhe Contador de Descarga. Conta o número de operações do dispositivo a partir de um dado valor de corrente e registra o número de descarga atmosférica que ocorreu no sistema sempre que uma corrente de descarga devido a um raio é conduzida à terra pelo cabo de aterramento do para raios. Óx ido de Z inco O QUE É CAPACIDADE MÁXIMA DE ABSORÇÃO DE ENERGIA? Abssorção de Energ ia Máxima quantidade de energia a que um para-raios pode conduzir sem que sejam alteradas de forma significativa as suas características operacionais e as características de suas pastilhas definem a sua capacidade de absorção de energia. FAIXA DE CAPACIDADE DE ABSORÇÃO PARA- RAIOS DISTRIBUIÇÃO: 5kJ/kV PARA- RAIOS INTERMEDIÁRIOS: 10kJ/kV PARA- RAIOS ALTA- TENSÃO: 15kJ/kV Abssorção de Energ ia Para o cálculo da capacidade de absorção de energia de um para-raios pode ser calculado considerando os seguinte eventos: 1 INCIDÊNCIA DIRETA DE DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 2 DESLIGAMENTO DE LINHAS DE TRANSMISSÃO OU ENERGIZAÇÃO DE TRANSFORMADORES 3 DESCONEXÃO DE BANCOS DE CAPACITORES Or igem de Sobretensões Sobretensões são o resultado de uma tensão variável em relação ao tempo envolvendo as fases de um sistema ou uma fase e a terra. Podem ser classificadas em três diferentes formas: SOBRETENSÃO TEMPORÁRIA SOBRETENSÃO DE MANOPLA SOBRETENSÃO ATMOSFÉRICA Imagem 13: Ordem de grandeza dos valores de tensão e tempo de sobretensões. Or igem de Sobretensões 1 SOBRETENSÃO TEMPORÁRIA Defeitos monopolares Caracterizada por onda de tensão elevada e de natureza oscilatória e longo tempo de duração ocorrida num ponto definido do sistema. Podem ser motivas por: Perda de carga por abertura de disjuntor Fenômenos de ferroressonância e efeito ferrante Or igem de Sobretensões 1 SOBRETENSÃO TEMPORÁRIA DEFEITO MONOPOLAR Fases não afetadas podem sofrer níveis elevados de sobretensão entre fase e terra, submetendo os equipamentos, notadamente os para-raios, a severas condições de operação. A desconexão de um disjuntor poderá levar a tensão em todo o sistema, devido a redução do fluxo de corrente de carga, fazendo com que o efeito capacitivo reduza a impedância. Or igem de Sobretensões 1 SOBRETENSÃO TEMPORÁRIA PERDAD E CARGA POR ABERTURA DO DISJUNTOR A desconexão de um disjuntor poderá elevar a tensão em todo o sistema, devido à redução do fluxo de corrente de carga , fazendo com que o efeito capacitivo das linhas de transmissão reduza a impedância do sistema elétrico e, consequentemente, a queda de tensão. Or igem de Sobretensões 1 SOBRETENSÃO TEMPORÁRIA FERRORESSONÂNCIA Quando um sistema elétrico dotado de capacitância e indutância é submetido a uma frequência cujo valor se aproxima da frequência natural desses parâmetros, surgem elevações devido a redução de impedância. Or igem de Sobretensões 1 SOBRETENSÃO TEMPORÁRIA EFEITO FERRANTE Quando o fluxo de corrente de uma linha de transmissão sem compensação é reduzido devido a abertura do disjuntor na extremidade de carga,a referida linha de transmissão fica submetida a uma elevação de tensão. Or igem de Sobretensões 2 SOBRETENSÃO MANOBRA Caracterizada pela operação de um equipamento de manobra como resultado de um defeito em determinado ponto do sistema. Sobretensões de manobra são mais severas e a aplicação de equipamento de manobra adequados tem a finalizada de absorver a energia resultante das ondas múltiplas de reflexão. Como a capacitância do transformador é pequena e sua indutância muito elevada em, circuito aberto, logo esse equipamento sofrerá uma sobretensão que poderá perfurar o seu enrolamento. Or igem de Sobretensões 3 SOBRETENSÃO ATMOSFÉRICAS Motivada por uma descarga atmosférica envolvendo as fases do sistema ou uma das fases e terra. A concentração de cargas positivas e negativas numa determinada região faz surgir uma diferença de potencial entre a nuvem e a terra. Quando essa diferença de potencial atinge um valor que supere a rigidez dielétrica do ar isso faz com que cargas elétricas negativas migrem na direção da terra. As redes aéreas podem ser submetidas a sobretensões devida as descargas atmosféricas de forma direta ou indireta.Imagem 14: Posição de nuvens carregadas em relação a terra.. Or igem de Sobretensões 3 SOBRETENSÃO ATMOSFÉRICAS DIRETAS Quando uma descarga atmosférica atinge diretamente uma rede elétrica, desenvolve-se elevada tensão. As redes de média e baixa tensão são mais afetadas pelas descargas atmosféricas devido ao baixo grau de isolamento dessas redes. Para evitar a descarga diretamente sobre a rede elétrica são projetados sistemas de blindagem. Or igem de Sobretensões 3 SOBRETENSÃO ATMOSFÉRICAS DIRETAS Blindagens naturais contra descargas diretas não impedem as sobretensões induzidas decorrentes das descargas sobre os objetos próximos. O número de descargas diretas que podem ocorrer numa rede área sob efeito da projeção dos objetos próximos, considerados de mesma altura e posicionados em sequência e em paralelo com a referida rede: Or igem de Sobretensões 3 SOBRETENSÃO ATMOSFÉRICAS INDIRETAS Se a rede elétrica for dotada de blindagem com cabos para-raios, estes serão os condutores a que ficarão submetidos à tensão induzida e a 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: A impedância no pé da torre influi na tensão no topo da torre, devido às ondas de reflexão Or igem de Sobretensões 3 SOBRETENSÃO ATMOSFÉRICAS INDIRETAS O nível de isolamento é compatível com valores das sobretensões induzidas, não acarretando falhas nas isolações. O número de sobretensões a que estão sujeiras as rede áreas devido às descargas indiretas induzidas é superior ao número de sobretensões por descargas diretas. É possível determinar o número possível de sobretensões induzidas entre fase e terra superior um determinado valor predefinido para cada 100km/ano: Or igem de Sobretensões 3 SOBRETENSÃO ATMOSFÉRICAS INDIRETAS 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 areferida descarga seria de natureza indireta: Quando uma descarga incide sobre os condutores fases de uma rede aérea, ou tem como ponto de impacto o dolo nas proximidades da referida rede, proporciona uma onda de sobretensão que se estabelece ao longo dos condutores tanto no sentido da carga quanto no sentido da fonte. Or igem de Sobretensões 3 SOBRETENSÃO ATMOSFÉRICAS INDIRETAS 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 a disrupção através do mesmos para a terra ou entre fases. As disrupções para a terra reduzem a amplitude da onda viajante. Imagem 14: Propagação de uma onda de tensão e corrente numa rede elétrica. Or igem de Sobretensões 3 SOBRETENSÃO ATMOSFÉRICAS INDIRETAS Onda de impulso inicial de módulo e taxa de crescimento elevados, seguida de depressões e subidas em forma de serra. A forma da onda resultante na rede depende das disrupções ocorridas na estrutura e a onda viajante sofre modificações de forma em função das mudanças de impedância na rede. O valor de crista dessas ondas está limitado a tensão nominal suportada por impulso, Imagem 15: Forma de onda de uma descarga atmosférica com disrupção pelos isolantes. Or igem de Sobretensões 4 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Quando as descargas atmosféricas não atingirem diretamente a linha de transmissão ou a rede de distribuição, a onda transiente é aproximadamente 10 vezes menor. Em uma descarga atmosférica, as potências elétricas desenvolvidas são elevadas, enquanto a energia decorrente é pouco significativo. Class i f i cação Os pára raios podem ser classificados de acordo com os seguintes parâmetros, com base na NBR5424-2011: ○ Classe estação: 20, 15, 10kA (serviço leve) e 10 kA (serviço pesado); ○ Classe distribuição: 5kA série A e B; ○ Classe secundário: 1,5kV Class i f i cação Quanto ao nível de isolamento a norma NBR6939 estabelece para os equipamentos elétricos três faixas de tensão máxima e nos quais devem estar em operação os pára-raios: ○ Faixa de isolamento A: Superior a 1kV e igual a inferior a 36,2kV (média tensão); ○ Faixa de isolamento B: É aquela igual ou superior a 72,5kV e igual ou inferior a 242kV (alta tensão); ○ Faixa de isolamento C:É aquela superior a 362kV. Caracter ís t i cas É a máxima tensão a que pode ficar permanentemente submetido o para raios na frequência nominal . 1 TENSÃO NOMINAL É a tensão máxima permissível de frequência industrial que pode ser aplicada continuamente aos terminais do pára-raios, sem provocar degradação ou alteração das suas características operacionais. 2 MÁXIMA TENSÃO DE OPERAÇÃO CONTÍNUA Caracter ís t i cas É a frequência para a qual foi projetado para raios. 3 FREQUÊNCIA NOMINAL É a corrente tomada em seu valor de crista que é usada para classificar o para raios: Nível ceráunico, probabilidade de ocorrência de descargas atmosféricas, importância dos equipamentos utilizados no sistema, nível de isolação do sistema 4 CORRENTE DE DESCARGA NOMINAL Caracter ís t i cas è a corrente fornecida pelo sistema, logo que a corrente de descarga é cessada. 5 CORRENTE SUBSEQUENTE É a tensão que aparece nos terminais do para raios, tomada em seu valor de crista, quando da passagem da corrente de descarga. 6 TENSÃO RESIDUAL A corrente de descarga máxima de um para raios que protege um transformador pode ser determinada de acordo com: Caracter ís t i cas Maior valor de tensão de impulso atingido antes da disrupção quando aos terminais do para-raios é aplicado de forma de onda, amplitude e polaridades dadas. 7 TENSÃO DISRUPTIVA A IMPULSO É a menor tensão, tomada em seu valor de crista, quando o para-raios é submetido a uma onda normalizada de 1,2/50 µs e provoca disrupção em todas aplicações. 8 TENSÃO DISRUPTIVA DE IMPULSO ATMOSFÉRICO NORMALIZADO Caracter ís t i cas Transitória que pode ocorrer no sistema antes de haver a disrupção do para- raios. 9 TENSÃO DISRUPTIVA DE IMPULSO DE MANOBRA É a menor tensão antes da disrupção quando o para-raios é submetido a uma tensão elevada na frequência industrial. Tensões de frequência industrial elevadas são decorrentes por surtos de manobra, falhas monopolares, rejeição de carga e ferrorressonância. Ondas de tensão à frequência industrial de longa duração causam danos irreversíveis aos para-raios devido à elevada corrente que pode ser conduzida a terra através dos resistores. 10 TENSÃO DISRUPTIVA A FREQUÊNCIA INDUSTRIAL Caracter ís t i cas É o maior valor de tensão de impulso na frente, antes da disrupção, quando aos terminais é aplicado um impulso de uma dada polaridade, cuja tensão cresce linearmente com o tempo. 11 TENSÃO DISRUPTIVA NA FRENTE É o impulso de corrente com tempo de frente de 1 µs medido a partir da origem virtual. 12 IMPULSO DE CORRENTE ÍNGREME Caracter ís t i cas É a tensão de alta frequência que aparece nos terminais do para-raios, gerada por todas as fontes, particularmente pela corrente de ionização interna, quando uma tensão de frequência industrial é aplicada pelos seus terminais. 13 TENSÃO DE IONIZAÇÃO É a parte de uma onda de impulso após a sua crista. 14 CAUDA DE UM IMPULSO DE TENSÃO OU CORRENTE Caracter ís t i cas É a região da curva tensão x corrente de alta não linearidade onde o para-raios conduzirá uma corrente de elevada amplitude. Região de suportabilidade do para-raios quando submetido aos transitórios de frequência industrial. 15 TEMPO DE DURAÇÃO DA TENSÃO TEMPORÁRIA É a máxima corrente de falta que circula no interior de um para-raios e que provoca sua fragmentação violenta (poliméricos). 16 CORRENTE SUPORTÁVEL DE CURTO CIRCUITO Caracter ís t i cas Um par-raio é termicamente estável quando a temperatura resultante no seu interior e a resistência elétrica dos seus resistores não lineares diminuem com o tempo no momento em que o para raios for energizado e nele se estabelece a tensão de operação contínua em condições normais de operação. 17 ESTABILIDADE TÉRMICA Caracter ís t i cas É a tensão em alta frequência gerada por todas as fontes de corrente de ionização que circulam nos terminais dos equipamentos ou nos sistemas de potência. 18 TENSÃO DE RÁDIO INTERFERÊNCIA Característica de suportabilidade onde se mede o tempo de duração para o qual é permitida a aplicação de uma tensão superior a tensão máxima de operação. 19 CAPACIDADE DE SOBRETENSÃO TMEPORÁRIA Se leção dos para -ra ios Os para-raios devem ser selecionados adotando-se alguns procedimentos, visando assegurar a melhor proteção do equipamento que se quer proteger. 1 2 Distância entre os para- raios e o equipamento a ser protegido Máxima tensão fase e terra à frequência industrial 3 Tensão nominal 4 5 Classe de aplicação Tensões suportáveis nominais de impulso 6 Sobretensões com taxa de crescimento lenta 7 2 Sobretensões com taxa de crescimento rápida Tensões suportáveis de surtos de manobra 3 Classe de descarga da linha de transmissão Loca l i zação dos para -ra ios Imagem 16: Loaclaização dos para-raios. Conc lusão Proteger o sistema contra os danos caudados pelas descargas atmosféricas demonstrou ser tão importante que pesquisadores desenvolveram diferentes tipos de estudos para a construção do para- raios de forma a suprir as necessidades humanas. Foi a partir de Benjamin Franklin que diferentes modelos de para-raios foram criados, testados e utilizados de forma a cumprir o seu objetivo: proteger os sistemas elétricos e edifícios. Os resultados das diversas pesquisas originaram para-raios cada vez mais eficientes que garantem o funcionamento constante e equilibradode subestações de energia, sistemas de transmissão e proteção de edificações e pessoas. Referênc ias ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5419: Proteção de Estruturas contra Descargas Atmosféricas. Rio de Janeiro: ABNT, 2005. 32p MARCARINI, Fabiano. Proteção contra Descargas Atmosféricas Utilizando Para-raios de Óxido de Zinco. 2012. 46f. Trabalho de Conclusão de Curso (Graduação em Engenharia Elétrica) – Centro de Ciências Exatas e Tecnológicas, Universidade Federal de Viçosa, Viçosa, 2012. SANTOS, M. R. Evolução de Para-Raios em Estudos de Sobretensões. São Paulo. Disponível em:<http://www.depelengenharia.com.br/downloads/Artigo%20SPDA.pdf>.