Aula 2 Pára Raios

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Aula 2 – Pára Raios
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 concessionaria 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 o suportável desses sistemas. Esses
equipamentos protetores contra sobretensões são denominados para-
raios.
• Os para-raios são utilizados para proteger os diversos
equipamentos que compõem uma subestação de
potencia 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.
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
• oxido de zinco.
1 - Para-raios de Carboneto de silício (SiC)
• 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:
Resistores não lineares  A matéria-prima do principal componente do para-
raios, o carboneto de silício, é adquirida de fabricantes específicos, que, no 
Brasil, destinam basicamente a sua produção para o setor de industrialização 
de pedras de esmerilhamento. A partir de então, passa por vários processos 
físicos e químico para que atinja as especificações;
• Observando a Figura anterior nota-se que existem três regiões distintas de
operação dos para-raios.
• Considerando os para-raios ZnO na região 1, esta pode ser definida 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 ficam submetidas as pastilhas, maior será́ a energia acumulada nos elétrons, e
consequentemente, maior será́ 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 será́ drenada para a terra um valor maior de corrente de fuga. Nessa
região a temperatura apresenta pouca influencia 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.
Corpo de porcelana  Constituído de
porcelana vitrificada 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 critico 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
coeficientes 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.
Centelhador série É constituído de um 
ou mais espaçadores entre eletrodos, 
dispostos em série com os resistores não 
lineares, e cuja finalidade 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.
Desligador automático  É constituído de
um elemento resistivo colocado em serie
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.
• Esses dispositivos são disponíveis somente
nas unidades de média tensão.
Mola de compressão
• Fabricada em fio de aço de
alta resistência mecânica,
tem a função de reduzir a
resistência de contato
entre os blocos cerâmicos.
• O seu fornecimento vem
caindo sistematicamente,
ao contrario dos para-raios
de óxido de zinco.
• 2 - Para-raios a Óxido de Zinco (ZnO)
• São assim denominados os para-raios que utilizam como resistor não linear o óxido de
zinco (ZnO) e, ao contrario dos para-raios a carboneto de silício, não possuem
centelhadores série. Esses para-raios são constituídos basicamente das seguintes partes:
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 oxido de zinco são constituídos por blocos cerâmicos compostos a
partir de uma mistura de oxido de zinco, em maior proporção, e outros óxidos
metálicos, como o antimônio, o manganês, o bismuto e o cobalto.
• Após a obtenção do pó́, resultante da mistura anteriormente referida, procede-se à
prensagem dos blocos nas dimensões desejadas, vindo em seguida a sua sinterização,
que consiste em um tratamentotérmico 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
• A diferença básica entre um para-raios SiC e um para-raios ZnO é o 
coeficiente de não linearidade, que significa 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 tem um 
baixo coeficiente 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:
Corpo de porcelana  É constituído de uma peça
cerâmica no interior da qual estão instalados os
varistores de oxido 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 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 fluxo de corrente entre
fase e terra, levando rapidamente à
decomposição dos varistores de oxido metálico,
perda da umidade e consequentemente a atuação
do elemento de proteção de neutro do sistema
elétrico.
 Corpo polimérico 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. 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.
• 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. Ja ́ nos para-raios de corpo polimérico, pela inexistência de espaços interiores, o 
seu desempenho em condições similares é muito superior.
• Por não possuírem desligador automático, a falha dos blocos cerâmicos leva o sistema elétrico à 
condição de curto-circuito, cuja identificação 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 identificação da unidade defeituosa. Em geral, a sensibilidade do indicador de falta é de 
15 A.
 Contador de descarga  Tem por finalidade contar o numero 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 a seguir mostra o desenho de uma estrutura de concreto 
armado utilizada para a instalac ̧ão de para-raios em subestações de 
potencia de 230 kV. Pode ser utilizada alternativamente uma estrutura 
de ferro galvanizado. Mostra-se um contador de descarga, visto em 
detalhe da Figura 1.8, cuja função é registrar o numero 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.
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 significativa as suas
características operacionais, quando cessar o fenômeno que causou
o seu funcionamento. Na especificação do para-raios deve ser citado
o valor máximo da energia que poderá́ 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.
• As características construtivas das pastilhas dos para-raios definem 
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 
oxido metálico pode ser calculado considerando os seguintes eventos:
• a) Incidência direta de descargas atmosféricas
• 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 religa- mento de uma linha de transmissão ou 
ainda em decorrência da energização de um transforma- dor de 
potência vale:
• 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 val
Exemplo:
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 principio o grau de amortecimento da onda de 
sobretensão e o seu tempo duração, as sobretensões podem ser 
classificadas em três diferentes formas:
• Sobretensão temporária.
• Sobretensão de manobra.
• Sobretensão atmosférica.
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 definido
do sistema, envolvendo as fases ou uma fase e a terra cujo
amortecimento é muito reduzido.
• As sobretensões temporárias são motivadas por algumas ocorrências
que podem ser assim resumidas:
• Defeitos monopolares.
• Perda de carga por abertura do disjuntor.
• Fenômenos de ferrorressonância.
• Efeito ferrante.
• 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 definidas por tempo de frente de onda entre 100
e 500 ms e um tempo para atingir o valor médio da cauda de 2.500 ms.
• 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.
• 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 fenômenodos 
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. Verifica-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. 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.
• Tomando-se como base as medições feitas na Estação do Monte 
Salvatori, as intensidades das descargas atmosféricas podem ocorrer 
nas seguintes probabilidades:
• As redes aéreas podem ser submetidas a sobretensões devidas às descargas
atmosféricas de forma direta ou indireta.
• 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.
• 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 de:
• O valor de Nt pode ser conhecido por instituições oficiais 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.
• As redes aéreas são protegidas naturalmente contra as descargas
atmosféricas diretas por meio de objetos próximos tais como
edificações, arvores 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 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. Já́ uma rede
de distribuição rural, por
exemplo, tendo por
caminhamento o interior de uma
floresta 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 5 0,5.
Exemplo:
• 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.
• 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 influenciado pela presença do 
condutor neutro, no caso das redes aéreas secundárias.
• É possível determinar o numero provável de sobretensões induzidas entre 
fase e terra superior a um determinado valor predefinido para cada 100 
km/ano, utilizando a Equação:
• 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.
EXEMPLO DE APLICAÇÃO
Exemplo:
COMPONENTES SIMÉTRICAS
• Para que se possa desenvolver corretamente os cálculos das tensões, correntes e impedâncias
dos sistemas elétricos, é necessário utilizar-se ferramentas adequadas que facilitem a obtenção
dos resultados desejados. A ferramenta mais empregada é o método das componentes
simétricas.
• Um sistema trifásico qualquer pode ser representado normalmente por três vetores de tensão de
módulos e ângulos diferentes. Esse sistema vetorial, no entanto, pode ser decomposto em três
conjuntos de vetores, sendo dois de módulos iguais, defasados entre si, de ângulos também
iguais, porem girando em sentidos diferentes, e que são denominados, respectivamente,
componentes de sequência positiva e componentes de sequência negativa.
• Em principio, o sistema trifásico é normalmente simétrico. A assimetria deixa de existir quando
ocorre um dos seguintes fatores:
• Cargas desequilibradas.
• Impedâncias desiguais dos enrolamentos dos geradores, motores e transformadores.
• Inexistência de transposição de condutores em linhas de transmissão.
• Defeitos monopolares e bipolares.
• Interrupção de uma fase.
CLASSIFICAÇÃO DOS PARA-RAIOS
• Os para-raios podem ser classificados de acordo com os seguintes parâmetros, 
com base na NBR 5424:2011.
• Classe estação: 20, 15, 10 kA (serviço leve) e 10 kA (serviço pesado). 
• Classe distribuição: 5 kA séries A e B. 
• Classe secundária: 1,5 kV.
• Segundo a NBR 5424:2011 – Guia de Aplicação de Para-raios de Resistor Não
Linear em Sistema de Potência, pode-se acrescentar:
• Em sistemas de até 230 kV, os para-raios de resistor não linear de 10 kA
asseguram os melhores níveis de proteção. Em seguida, vêm os para-raios das
classes de 5 kA , série A, e, por fim, os para- raios de 5 kA, série B.
• Como regra geral, os para-raios de 10 kA são aplicados a sistemas acima de 69 kV
e a subestações de sistemas de tensões mais baixas, consideradas
suficientemente importantes para justificar melhor proteção.
• Os para-raios de 5 kA, série A são usados em sistemas de transmissão abaixo de
69 kV. Os para- raios de 5 kA série B são usados na proteção de transformadores
de distribuição.
• Quanto ao nível de isolamento a norma NBR 6939 estabelece para 
os equipamentos elétricos três faixas de tensão máxima e nos quais 
devem estar em operação os para-raios.
• Faixa de isolamento A
É aquela superior a 1 kV e igual ou inferior a 36,2 kV. É característica
dos sistemas elétricos de média tensão.
• Faixa de isolamento B
É aquela igual ou superior a 72,5 kV e igual ou inferior a 242 kV. É 
característica dos sistemas elétricos de alta tensão.
• Faixa de isolamento C 
É aquela superior a 362 kV.
CARACTERÍSTICAS DOS PARA-RAIOS
• As características dospara-raios fabricados para sistemas de potência são:
• a) Tensão nominal  É a máxima tensão, valor eficaz, a que pode ficar, 
permanentemente, submetido o para-raios, na frequência nominal, no ensaio de 
ciclo de operação e para a qual foi projetado e tem condições de operar 
satisfatoriamente.
• b) Máxima tensão de operação contínua  É a tensão máxima permissível de 
frequência industrial que pode ser aplicada continuamente aos terminais do 
para-raios, sem provocar degradação ou alteração das suas características 
operacionais. A máxima tensão de operação contínua (MCOV) é igual à tensão
nominal do para-raios para aqueles que operam nas faixas A ou B. Ja ́ os para-raios 
da faixa C apresentam, em geral, uma tensão de operação contínua inferior à 
tensão nominal. O fabricante deve informar essa característica do para-raios ja ́ 
que a norma NBR 5287 não especifica os ensaios que definem essa tensão.
• c) Frequência nominal  É a frequência para a qual foi projetado o para-raios.
• d) Corrente de descarga nominal  É a corrente tomada em seu valor de crista, 
com forma de onda de 8/20 µs, que é usada para classificar o para-raios.
• A Comissão de Eletrotécnica Internacional – IEC recomenda que para um nível
de tensão de até 72 kV a seleção de para-raios de 5 e 10 kA de corrente de 
descarga nominal pode ser feita com base nos seguintes fatores:
• Nível ceráunico da região. 
• Probabilidade de ocorrência de descargas atmosféricas com correntes 
elevadas. 
• Importa ̂ncia dos equipamentos empregados no sistema. 
• Nível de isolação do sistema.
• A corrente de descarga máxima de um para-raios que protege um transformador, 
por exemplo, pode ser determinada de modo aproximado, de acordo com a 
Equação :
• A NBR 5424:2011 fornece os valores típicos de corrente de descarga dos para-
raios, conforme tabela:
Exemplo:
• e) Corrente subsequente  É a corrente fornecida pelo sistema, e que conduz o
para-raios, logo depois de cessada a corrente de descarga. A corrente
subsequente deve ser extinta pelo centelhador série nos para-raios a carboneto
de silício na sua primeira passagem por zero. Caso contrário, o para-raios poderá́
encontrar dificuldades em interrompê-la, devido às sucessivas reignições,
provocando excessivas perdas Joule e consequente falha desse equipamento.
Não há corrente subsequente nos para-raios a óxido de zinco.
• f) Tensão residual É a tensão que aparece nos terminais do para-raios, tomada
em seu valor de crista, quando da passagem da corrente de descarga. Existem,
também, ensaios em que é definida a tensão residual, quando o para-raios está
submetido a surtos de manobra de longa duração. A tensão residual é uma das
características mais importantes do para-raios, pois é essa a tensão a que ficará
submetido qualquer equipamento que estiver sob a sua proteção, contanto que o
mesmo esteja instalado praticamente nos seus bornes de alimentação. Caso
contrario, a inclinação da onda permitirá tensões superiores, submetendo o
equipamento protegido a severas solicitações.
• g) Tensão disruptiva a impulso  É o maior valor da tensão de impulso atingido
antes da disrupção quando aos terminais do para-raios é aplicado um impulso de
forma de onda, amplitude e polaridades dadas.
• h) Tensão disruptiva de impulso atmosférico normalizado  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 as aplicações.
• i) Tensão disruptiva de impulso de manobra  É o maior valor de tensão
transitória que pode ocorrer no sistema antes de haver a disrupção do para-raios.
As descargas de manobra têm características de longa duração e possuem
normalmente um elevado conteúdo térmico, comparativamente às descargas de
origem atmosféricas.
• j) Tensão disruptiva à frequência industrial (60 Hz), valor eficaz É a menor
tensão, antes da disrupção, quando o para-raios é submetido a uma tensão
elevada na frequência industrial.Representa um valor de referência, já́ que se
presume que o para-raios com centelhador não atue para uma onda de tensão na
frequência de 60 Hz. Apesar de não ser uma tensão de ensaio normalizada pela
NBR 5287 indica os valores determinados pela norma ANSI C62.1.
• k) Tensão disruptiva na frente É o maior valor da tensão de impulso na frente,
antes da disrupção, quando aos terminais do para-raios é aplicado um impulso de
uma dada polaridade, cuja tensão cresce linearmente com o tempo.
• l) Tempo de duração da tensão temporária  É a região da curva tensão 3
corrente de alta não linearidade onde o para-raios conduzirá uma corrente de
elevada amplitude. Essa região é responsável pela suportabilidade do para-raios
quando submetido aos transitórios de frequência industrial que possam se
estabelecer em seus terminais. Nessa região quando ocorrem pequenas
variações de tensão resultam grandes variações de corrente conduzidas pelo
para-raios.
• m) Capacidade máxima de absorção de energia  É a maior quantidade de
energia em kJ ou kW / s, em condições preestabelecidas a que pode ser
submetido o para-raios sem que suas características sofram alterações
significativas, após o retorno às suas condições normais de operação.
• n) Corrente suportável de curto-circuito  É a máxima corrente de falta que
circula no interior de um para-raios e que provoca sua fragmentação violenta.
Essa definição é própria dos para-raios poliméricos que não possuem dispo- sitivo
de alívio de pressão.
• o) Estabilidade térmica do para-raios Diz-se que um para-raios é termicamente
estável se após a sua operação, nas condições previstas em norma, 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.
• p) Tensão de rádio interferência  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.
• q) Capacidade de sobretensão temporária (TOV)  É a característica de
suportabilidade na curva tensão 3 tempo onde se mede o tempo de duração para
o qual é permitida a aplicação de uma tensão superior à tensão máxima de
operação em regime contínuo nos terminais do para-raios.
CARACTERISTICAS 
DOS PARA-RAIOS 
A (ZnO)
SELEÇÃO DOS PARA-RAIOS
• Com base nos conceitos da NBR 5424:2011, os para-raios devem ser 
selecionados adotando-se alguns procedimentos, visando assegurar a 
melhor proteção do equipamento que se quer proteger.
Distância entre os Para-raios e o equipamento a ser Protegido
• Deve-se assegurar que o para-raios seja conectado ao sistema no ponto
mais próximo possível do equipamento a ser protegido. No caso de
transformadores de distribuição é muito utilizada instalação dos para-raios
diretamente conectados aos seus terminais primários. No caso dos
transformadores de potência com secundários em média tensão (13,80 a
34,5 kV) é muito utilizada a conexão dos para-raios diretamente
conectados aos seus terminais secundários.
• Para grandes distâncias entre o ponto de conexão do para-raios e o ponto
de conexão do equipamento que se quer proteger deve-se determinar a
tensão de isolação a ser protegida que resulta da limitação imposta pelo
para-raios. Esse calculo pode ser elaborado simplificadamente conforme:
Máxima Tensão Fase e Terra à Frequência Industrial
• Determinar a máxima tensão fase e terra, à frequência industrial, que
pode ocorrer no ponto de instalação dos para-raios. Para isso é
necessário definir a condição de aterramento do neutro do sistema:diretamente aterrado, aterrado através de um resistor de
aterramento, aterrado através de uma reatância ou de uma
impedância. Para sistemas com secundário em delta, muitas vezes é
necessário criar um caminho para a terra instalando no secundário do
transformador de potencia um transformador de aterramento
(configuração zigue-zague).
• Tensão Nominal
• O valor da tensão nominal do para-raios deve ser escolhido com
base na máxima tensão para a terra decorrente de defeitos no
sistema. Para tensões de até 230 kV a tensão nominal do para-raios
deve ser superior à máxima tensão fase e terra, cujo valor pode ser
definido pelos catálogos dos fabricantes de para-raios de acordo com
as características de proteção que se deseja para o sistema elétrico
Classe de aplicação
• Por meio do conhecimento do sistema e das condições de severidade das
descargas atmosféricas locais, estimar a intensidade da maior corrente de
descarga do para-raios bem como a sua forma de onda.
• De maneira simplificada e prática nos sistemas de distribuição com
cruzetas aterradas (metálicas aterradas ou concreto) em áreas de baixo e
médio nível de densidade de descargas atmosféricas utilizam-se
normalmente para-raios com corrente de descargas de 5 kA. Em áreas
com níveis de elevada densidade de descargas atmosféricas utilizam-se
para-raios de 10 kA que asseguram uma maior proteção ao sistema.
• A seleção da corrente de descarga do para-raios deve levar em
consideração ainda os seguintes fatores:
• Importa ̂ncia da instalação.
• Probabilidade de ocorrência de correntes mais elevadas.
• Nível de isolamento da linha
Tensões suportáveis Nominais de Impulso (TsNI)
• Determinar as tensões suportáveis nominais de impulso da isolação
a ser protegida para que se assegure a coordenação de isolamento.
Normalmente esse valor é obtido a partir das características dos
equipamentos que estão conectados ao sistema.
Sobretensões com Taxa de Crescimento Lenta
• Determinar as sobretensões com taxa de crescimento lenta
decorrentes, por exemplo, de manobra de um grande bloco de
carga. Os surtos de manobra se caracterizam por um tempo de
crescimento que pode variar entre 100 e 500 µs. Sua energia é
superior à energia resultante de um surto atmosférico.
Sobretensões com Taxa de Crescimento Rápida
• Determinar as sobretensões com taxa de crescimento rápida
decorrente, por exemplo, de uma descarga atmosférica, cujo valor
característico é de 500 a 1.000 kV/µs, sendo representativo o valor de
500 kV/µs. As descargas indiretas têm uma velocidade de crescimento
pequena que atinge normalmente o valor de 10 kV/µs e, portanto,
não são agressivas aos sistemas de alta tensão, superiores a 36 kV. Já́
as descargas diretas apresentam uma taxa de crescimento que pode
variar entre 100 e 1.000 kV/µs, podendo chegar a 2.000 kV/µs
• Tensões suportáveis surtos de Manobra
• Determinar as descargas decorrentes de surtos de manobra de
linhas de transmissão e energização de banco de capacitores para
que se assegure a coordenação de isolamento do sistema. É
importante que o fabricante informe na sua folha de dados as curvas
tempo 3 tensão de descarga do seu para-raios para tensões de
impulso com tempo de até 2.500 µs que é a duração característica
dos surtos de manobra.
Classe de Descarga da Linha de Transmissão
• Selecionar a classe de descarga de linhas de transmissão para
indicação dos para-raios. Esse valor pode ser obtido a partir da NBR
5424:2011 que classifica a classe de descarga da linha de transmissão
correspondente à tensão do sistema. A classe de descargas das linhas
de transmissão corresponde à tensão do sistema.
LOCALIZAÇÃO DOS PARA-RAIOS
Proteção de Transformadores
• Para dar maior segurança às subestações, reduzindo o risco de falha de
isolação, podem-se prover as linhas de transmissão, tanto as que entram
na subestação como as que saem, de um sistema de cabos que se estende
sobre a linha de transmissão ao longo de aproximadamente 1,5 km a partir
dos seus terminais.
Níveis de proteção
• Deve existir certa margem de proteção entre a tensão suportável nominal
de impulso atmosférico, a de manobra do equipamento e o nível de
proteção do para-raios.
• A tensão máxima que deve chegar aos terminais do transformador pode 
ser dada 
• No caso de o transformador estar afastado do para-raios, como ocorre na 
maioria dos arranjos de subestações de potência, o nível de proteção a que 
deverá ser dispensada ao transformador podera ́ ser fornecido pela 
Equação.
• O cálculo da distância entre o transformador e o para-raios pode ser 
feito através de programas digitais dedicados à análise de transitórios. 
No entanto, a Equação abaixo fornece essa distância de modo 
aproximado, sem contar, é claro, com os fenômenos de sucessivas 
reflexões de onda .
• No caso de transformadores de distribuição normalmente pode-se escrever a
Equação que representa numericamente o valor da sobretensão que é
transferida ao transformador quando aterrado separadamente do cabo de
aterramento do para-raios.
• A queda de tensão desenvolvida no condutor de aterramento pode ser 
determinada a partir :
• O aterramento do transformador deve ser feito no mesmo condutor 
de aterramento do para-raios, pois nesse caso o valor de Vde é nulo, 
resultando
Exemplo
Exemplo:
Proteção de Disjuntores
• Da mesma forma que existe uma 
distância de segurança entre o 
transformador e o para-raios, 
também existe uma distância de 
segurança entre o disjuntor e o para-
raios. Essa distância é obtida pela 
Tabela 1.5 extraída da NBR 
5424:2011.
Proteção de Linhas de Transmissão
• As linhas de transmissão são os elementos de um sistema elétrico de
maior vulnerabilidade sob os mais diversos aspectos.
Descargas diretas nas linhas de transmissão
Proteção através da blindagem com cabos guarda  Os cabos guarda,
também conhecidos como cabos para-raios, são instalados na parte
superior das torres das linhas de transmissão com o objetivo de evitar
que a descarga atmosférica atinja os condutores de fase, drenando a
corrente para a terra através de condutores de aterramento e da malha
de terra do pé de torre.
• Se a descarga atmosférica atinge diretamente os cabos guarda da linha de
transmissão a corrente resultante é conduzida à terra através do sistema de
aterramento que também está conectado à torre metálica, por exemplo,
passando pela malha de terra até se dispersar pelo solo. A impedância do circuito
percorrido pela corrente de descarga resulta numa diferença de potencial entre a
estrutura e os condutores de fase. Essa tensão está aplicada entre os terminais da
cadeia de isolador, isto é, o terminal de terra e o terminal de fase. Em alguns
casos pode ocorrer a disrupção dos isoladores, fenômeno denominado back
flashover.
• Proteção através de para-raios ao longo da linha  Devido ao elevado índice de
indisponibilidade das linhas de transmissão em decorrência das descargas
atmosféricas a cada dia é mais comum a aplicação de para-raios diretamente
nesses circuitos. Os para-raios são instalados em linhas de transmissão que
atravessam áreas com elevada den- sidade de descargas atmosféricas, onde estão
submetidos às mais severas correntes de descargas e consequentemente às
maiores sobretensões e a uma grande frequência de eventos. Nessas condições
os para-raios devem drenar uma grande quantidade de energia que é um fator de
importância no dimensionamento do mesmo.
• A decisão de se utilizar para-raios ao longo das torres de uma linha de
transmissão deve considerar a análise de custo/benefício.
Exercícios
• 1 – O para-raio de Óxido de Zinco, conectado em paralelo ao condutor da linhade
transmissão que chega à subestação, tem a finalidade de provocar um curto-circuito na rede
para direcionar uma descarga atmosférica integralmente para a terra.
• ( ) Certo ( ) Errado. Justifique:
• 2 – Em uma subestação abaixadora, isolada a ar, cujos os barramentos estejam ligadas linhas
de transmissão aérea provenientes de uma subestação elevadora, um local apropriado para a
instalação de para-raios será no final das referidas linhas de transmissão, na entrada da
subestação, em espaço apropriado para a finalidade.
• ( ) Certo ( ) Errado Justifique:
• 3 – A função do para-raio é de não somente fornecer o caminho mais curto no caso de uma
descarga, mas principalmente, de neutralizar, pouco a pouco, a eletricidade da nuvem
carregada acima dele.
• ( ) Certo ( ) Errado Justifique:
4 - Os para-raios são pouco eficientes para proteção de subestação com arranjo em
anel. Isso ocorre porque, neste tipo de arranjo, a área da subestação é muito maior
comparativamente ao de uma subestação com arranjo do tipo barra simples.
• ( ) Certo ( ) Errado
5 – As subestações em alta e extra-alta tensão precisam ser protegidas nos pontos
de entrada e saída da linha, principalmente, contra surtos atmosféricos. Os para-
raios são equipamentos fundamentais nessas situações. Dessa forma, é correto
afirmar que os para-raios atuam como limitadores de tensão, impedindo que
valores acima de um valor preestabelecido possam alcançar os equipamentos
protegidos?
6 – Os para-raios tipo Franklin podem ser usados em substituição aos para-raios do
tipo ZnO? Justifique.
7 – Os para-raios a resistores não lineares, para proteger linhas de transmissão, são
instalados em paralelo com a fase que deve ser protegida e atuam ceifando a
tensão que está acima de determinado valor.
( ) Certo ( ) Errado