Aula 02 -Pára-Raios_parte 1

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AULA 2 – PARA 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 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 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 a partir dos quais são construídos os para-raios:
 carbonato de silício
 oxido de zinco.
Existem três regiões distintas de operação dos para-raios.
◦ região 1,  aquela em que o para-raios opera continuamente sem sofrer avarias. É a região 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.
◦ região 3  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.
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;
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.
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 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, 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
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.
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.
 Corpo polimérico
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.
 Contador de descarga 
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 religamento 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
vale:
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 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. 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 baixograu 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 = 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.
Condutor de Aterramento
EXEMPLO DE APLICAÇÃO
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.
Continua...