Conceitos e aplicações de dispositivos protetores de surto

 

Uma proteção para tais efeitos se torna necessária com o crescente aumento do custo e complexidade dos equipamentos. O correto dimensionamento da proteção contra surtos é a chave para reduções de custo de manutenção e downtime.

 

Princípio de funcionamento

Os dispositivos protetores de surto foram desenvolvidos para limitar sobretensões transientes e também desviar as altas correntes provenientes de descargas atmosféricas para a terra desligando a instalação durante os instantes em que o surto ocorre.

 

Fig. 1 – Efeito do surto de tensão sem DPS

 

Fig. 2 – Efeito do surto de tensão com DPS

Os diagramas acima representam o que ocorre durante o surto. Podemos observar que o DPS possui duas funções:

                1. Desviar a alta corrente proveniente do surto para a terra.

                2. Limitar a tensão a níveis aceitáveis pelos equipametos conectados à rede.

No diagrama abaixo podemos observar graficamente o que ocorre na forma de onda de tensão quando um surto ocorre e como o DPS realiza a proteção.

Fig.3 – Efeitos do surto e proteção observados na onda de tensão

 

 

Os tipos de surto

Podem ocorrer de duas formas:

 − quando o raio atinge o sistema de proteção de descargas atmosféricas de um edifício, a corrente da descarga é dissipada para a terra. A impedância do aterramento e a corrente fluindo por ela criam uma alta diferença de potencial: isto é a sobretensão. Essa sobretensão então se propaga através do edifício pelos cabos, danificando os equipamentos.

 

Fig. 4 - Impacto direto de um raio no sistema de proteção de descargas atmosféricas ou teto de uma edificação

 

− quando o raio atinge uma linha elétrica aérea de baixa tensão, a linha conduz as altas correntes para o edifício, criando uma grande sobretensão. Os danos causados por este tipo de sobretensão são, geralmente, catastróficos e resultam em explosões.

 

Fig. 5 - Impacto direto de um raio na linha aérea de baixa tensão

 

Ocorrem quando o raio se choca ao redor de uma edificação devido ao aumento de potencial do aterramento no ponto de impacto. Os campos eletromagnéticos criados pela corrente do raio geram um acoplamento indutivo e capacitivo, criando uma sobretensão. Dentro de uma distância de vários quilômetros, o campo eletromagnético causado por um raio pode também gerar subitamente um aumento de tensão na instalação. Mesmo que menos perigoso que o caso anterior, essas sobretensões podem causar danos a equipamentos mais sensíveis, como modem, fonte de alimentação de computadores e sistemas de comunicação e segurança.

 

Fig. 6 – Campo magnético

 

Fig. 7 – Aumento do potencial de aterramento

 

 

Fig. 8 – Campo eletrostático

 

 

Podemos imaginar que as descargas descritas na seção acima são bem diferentes e, sendo assim, possuem uma grande diferença de energia a ser dissipada. Os dispositivos capazes de suportar uma descarga direta são chamados de dispositivos “Tipo 1” e os dispositivos somente capazes de suportar descargas indiretas são chamados de “Tipo 2”.

 

Os dispositivos Tipo 1 são construídos com materiais mais resistentes e tem grande capacidade de dissipação e condução de corrente, pois foram desenvolvidos para desviar toda energia destrutiva causada pela descarga de impacto direto de um raio. A norma que rege esses dispositivos indica a onda 10/350 (fig. 8) como a onda que melhor representa a descarga direta.

Os DPS ABB do tipo 1 são de tecnologia Spark-Gap e utilizam circuitos eletrônicos para a detecção do surto. Por meio de uma faísca (spark) disparada em um pequeno espaço entre condutores (gap) cria um curto circuito fase-terra no momento exato de um surto, o que faz com que toda a energia de um impacto direto seja redirecionada. Ao final do surto o arco perde potência e é atraido para a câmara de extinção, fazendo com que a energia volte ao circuito normal, tudo isso em micro segundos.

O grande diferencial da tecnologia é a alta durabilidade, já que sua vida útil é praticamente indeterminada e ele se mantém funcionando enquanto a placa de controle estiver intacta.

 

Fig. 8 – Onda 10/350, representa descargas diretas. Somente o dispositivo do Tipo 1 pode suportar a energia de uma descarga na onda 10/350

 

Fig. 9 – Visão interior de um dispositivo Tipo 1 – Spark-Gap - ABB

 

 

Os dispositivos de Tipo 2 são desenvolvidos para dissipar e conduzir uma quantidade menor de energia, ou seja, descargas indiretas, esse tipo de descarga é representada pela onda 8/20. (fig. 10) Entretanto, essa construção mais fina é necessária, pois permite que o dispositivo tenha excelente proteção de tensão limitando a tensão residual a níveis suportados pelos equipamentos eletrônicos mais sensiveis.

Os DPS ABB Tipo 2 utilizam varistores de alta capacidade em sua construção, garantindo alta durabilidade e confiabilidade.

Fig. 10 – Onda 8/20 representa descargas indiretas. Dispositivos Tipo 2 foram feitos para suportar esses tipos de descarga.

 

 

A proteção correta da instalação depende de alguns fatores que devem ser definidos durante o projeto da instalação; estes detalhes estão bem descritos na NBR 5410. Basicamente podemos separar em duas situações, instalações com SPDA (sistema de proteção de descargas atmosféricas, também conhecido como “para raio”) e instalações sem SPDA. Essas situações vão definir qual DPS utilizar na entrada de baixa tensão da instalação.

Instalações com SPDA

De modo geral, uma instalação que possua um SPDA projetado corretamente indica que essa instalação está num local que existe possibilidade de ser atingido por descargas diretas. A proteção contra surtos na entrada da instalação deve então estar preparada para tais descargas e somente um DPS do tipo 1 é capaz de suportar uma descarga direta sem riscos a instalação, logo o DPS tipo 1 deve ser instalado na entrada de baixa tensão.

A corrente de surto necessária para a proteção de instalções com SPDA é baseada em estatísticas de descargas atmosféricas e é descrita na NBR 5410 e na IEC 62305-1.

Tomando como base que a grande maioria das descargas diretas tem corrente máxima de impulso entre 30 e 100 kA (Fig. 11), a norma calcula a descarga mínima necessária por fase de um DPS tipo 1 segundo o diagrama da Fig. 12.

 

Fig. 11 – Distribuição de corrente máxima de impulso

 

Fig. 12 – Distribuição de corrente de impulso para uma discarga direta segundo a norma IEC 62305-1

 

Baseado nesses cálculos sabemos que a menor corrente de impulso possível para um DPS de tipo 1 é de 12,5 kA. A ABB possui modelos a partir de 15 kA, ou seja, usando qualquer modelo da  ABB a instalação estará protegida de altos nívels de surto.

 

Instalações que por norma não necessitam de SPDA, podem utilizar um DPS tipo 2 na entrada de baixa tensão da instalação para a proteção de pequenas perturbações provenientes de descargas indiretas.

A escolha do modelo correto para a entrada é feita pensando na melhor durabilidade do DPS tipo2, ou seja, a corrente máxima de descarga 8/20 deve ser escolhida de maneira que o dispositivo tenha uma boa proteção para os equipamentos (valor de Up baixo) e ainda um bom valor de Imax. Dessa maneira se tem a melhor proteção com a maior durabilidade.

A ABB tem a seguinte tabela para escolha do DPS tipo 2, com base na densidade de descargas atmosféricas da região da instalação.

Fig. 13 – Tabela de seleção da corrente de surto com base na densidade de raios de cada região (raios/km²).

O valor de densidade de raios por km² pode ser encontrado no portal ELAT do site do INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais - http://www.inpe.br/webelat/homepage/).

 

Na seção acima explicamos como escolher o DPS a ser usado no painel de entrada de baixa tensão da instalação. Neste item vamos definir como coordenar corretamente o DPS de entrada com os DPS dos painéis e quadros abaixo do painel de entrada.

A NBR 5140 indica que a coordenação entre os dispositivos de primeiro nível, ou seja, painéis de entrada e nível 2, e painéis subsequentes, deve ser especificada pelo fabricante do DPS. Para tanto, explicaremos como especificar a coordenação usando dispositivos da ABB.

 

Caso o dispositivo de entrada seja um DPS do Tipo 1, o modelo da ABB mais indicado seria o OVR T1 25 255, que é um dispositivo de 25 kA de Iimp pela onda 10/350, Up (tensão de proteção) de 2,0 kV e tensão máxima de operação Uc de 255 V (fase-neutro). O dispositivo tipo 2 coordenado com o OVR T1 25 255 é o OVR T2 40 275, que tem 40 kA de Imax pela onda 8/20, 1,4 kV de Up e 275 V de Uc (fase-netro).

Um diferencial da ABB é que não existe distância mínima de cabos entre os dois dispositivos, então caso um painel de entrada tenha um equipamento eletrônico sensível e o Up de 2 kV seja muito alto a ponto de poder causar danos a esse equipamento, o dispositivo Tipo 2 pode ser instalado logo ao lado do Tipo 1 sem a necessidade de acessórios e/ou cabos extras.

 

Fig. 14 – Coordenação entre dispositivos Tipo 1 e 2

A coordenação entre dispositivos Tipo 2 ocorre da mesma maneira que a coordenação entre dispositivos Tipo 1 e 2 e deve ser especificada pelo fabricante. Para os dispositivos da ABB temos, por exemplo, a coordenação entre o modelo OVR T2 40 275 (igual ao exemplo acima) e o modelo OVR T2 20 275.

Para dispositivos tipo 2, o comprimento mínimo de cabos entre os dispositivos deve ser 1 m.

Faremos agora um pequeno exemplo prático utilizando dispositivos da ABB em uma instalação industrial com 3 níveis de proteção, um painel de entrada, 3 painéis secundários, 9 painéis terciários.

Caso existam outros painéis abaixo dos terciários, o último modelo OVR T2 20 275 se repetirá em todos sucessivamente.

Sendo assim, podemos definir uma especificação que pode ser aplicada na grande maioria dos casos.

 

                Nível 1:                OVR T1 25 255

                Nível 2:                OVR T2 40 275

                Nível 3:                OVR T2 20 275

                Nível 4:                OVR T2 20 275