Não deixe de consultar o artigo técnico e saiba mais sobre DPS: Danos causados por sobre tensão, Principais causas do transiente de tensão, Proteção: Concepção de projeto, Proteção de equipamentos específicos. Comente nosso artigo.
1. Danos causados por sobre tensão
Sobretensão é a maior causa de danos em equipamentos eletrônicos. Geralmente são consequência de descargas atmosféricas, operações elétricas no sistema de potência e interferência parasitas. Protetor de surto é de extrema importância pois é o primeiro nível de defesa para todos os equipamentos da planta, e são instalados próximo à entrada de energia e na entrada dos cabos de comunicação.
2. Principais causas do transiente de tensão
Descargas atmosféricas
A descarga atmosférica é um fenômeno de condução de energia extremamente alta, algo na ordem de várias centenas de mega-joules. Uma descarga atmosférica pode ser destrutiva ou causar sérios distúrbios em instalações elétricas situadas a vários quilômetros de distância do ponto de impacto no solo. Esta energia pode chegar à rede por uma descarga direta ou indireta.
3. Dispositivos de proteção
Dispositivo de proteção de surto
Os dispositivos de proteção de surto (DPSs) foram desenvolvidos para proteger o sistema elétrico e aplicações contra sobretensões e impulsos de corrente assim como descargas atmosféricas e chaveamentos.
O DPS é instalado entre a linha e o terra (sistema TN) e assim limita a diferença de potencial durante um transiente de tensão (Figura 1).
Formas de ondas 10/350 e 8/20
As descargas atmosféricas e os fenômenos de sobretensão foram divididos em duas formas de ondas, uma para simular descarga direta (10/350 μs) e outra para simular descarga indireta (8/20 μs).
Dispositivos protetor de surto - Tipo 1 e Tipo 2
–– Tipo 1 é utilizado na proteção de descargas atmosféricas onde as formas de ondas possuem elevada energia (10/350). São recomendados para lugares com grande probabilidade de receber uma descarga atmosférica, geralmente nas entradas de energia da instalação e próximo aos pontos de conexão do SPDA na malha de aterramento.
–– Tipo 2 é o protetor de surto testado para proteger a instalação de transientes de tensão com característica similar a curva de curta duração 8/20. Estes produtos foram projetados para dissipar pequenas quantidades energias, em função disto devem ser utilizados em locais onde não existe a possibilidade de descarga direta.
Instalação de DPS
De acordo com a norma IEC 61643-12 anexo I.1.2, pode-se assumir que 50 % da corrente total da descarga é absorvida pela terra através do PCC, os outros 50 % é distribuído por todas as estruturas condutoras da instalação (condutores externos como tubulações metálicas de água, gás, eletrodutos e leitos).
Imagem 2: Proteção com DPS
Pode-se notar que parte desta corrente é injetada no sistema de baixa tensão. Sendo assim, os edificios vizinhos deveriam estar equipados com DPSs também. Em função da elevação de tensão muito rápida (alguns μs), o DPS deve ter uma resposta igualmente rápida, ele deve facilitar a condução da corrente com o objetivo de limitar o aumentar da diferença de potencial entre o terra e os demais condutores (Figura 2). O DPS responde em alguma dezenas de nanosegundos.
4. Proteção: Concepção de projeto
Concepção de proteção por zona
A Protection zone concept (IEC 62305-4) é um documento que introduz a concepção de proteção por zona como uma ferramenta que auxilia a seleção do DPS apropriado. Esta concepção garante uma redução gradual dos estágios de energia e sobretensões causados por descargas atmosféricas ou chaveamentos que ocorrem em um sistema desprotegido, e este possa suportar equipamentos extremamente sensíveis. Ele consiste em dividir a instalação em diversos volumes: as zonas de proteções (“the protection zones”). Cada zona de proteção é caracterizada por um nível máximo de ruído eletromagnético, um nível máximo de sobretensão e um nível máximo de corrente de surto admissível. Estes níveis máximos são especificados de acordo com as características elétricas dos dispositivos presentes nesta zona de proteção.
Esta concepção de proteção por zona garante que os efeitos e o stress causado pela descarga direta/indireta serão reduzidos por degraus na mudança entre as zonas de proteção. Para isto é necessário a instalação de um DPS especifico em cada transição de zona. Ou seja, cada vez que é instalado um DPS existe a criação de uma nova zona de proteção.
A IEC 62305-4 define as características das zonas de proteção (LPZs – “lightning protection zones”) da seguinte forma:
a) Zona de proteção externa
LPZ0A - Zona localizada fora da edificação e desprotegida, nesta área os itens estão sujeitos a descarga atmosférica direta e deve existir um para-raios conectado à malha de aterramento com condutores dimensionados para escoar a corrente total do surto. O campo eletromagnético não é atenuado nesta zona.
LPZ0B - Zona localizada fora da edificação e protegida pelo SPDA, os itens localizados nesta área não estão sujeitos a descargas diretas. Entretando podem sofrem com surtos de corrente e o campo eletromagnético não é atenuado. As partes condutoras externas dos equipamentos conduzirão parte do surto de corrente e sofrerão com corrente induzidas.
b) Zona de proteção interna
LPZ 1 – Zona localizada dentro da edificação onde os itens não estão sujeitos às descargas diretas. Surtos de corrente proveniente de descargas atmosféricas e/ou surtos proveniente do chaveamento de cargas conduzidas por meios condutores são reduzidos quando comparados às zonas 0A e 0B.
DPSs tipo 1 devem ser instalados nas regiões limítrofes entre LPZ0A e LPZ1 para bloquear a entrada de surtos de corrente conduzidos pela rede de alimentação de potência.
LPZ2 – Zona localizada dentro da edificação onde os valores remanescentes do surto de corrente proveniente de descarga atmosférica e/ou chaveamento de cargas são reduzidos quando comparados a zona 1.
DPSs tipo 2 devem ser instalados nos cabos de potência nos pontos limítrofes entre LPZ1 e LPZ2 afim de dissipar os valores remanescentes de surto de corrente e limitar o valor de sobretensão.
LPZ3 – Zona de equipamentos muito sensíveis onde surtos causados por ruído harmônico, acoplamento magnético e surto gerado por chaveamento de carga são reduzidos quando comparado com a zona 2. Além da instalação de DPSs, malhas de proteção contra a interferência do campo magnético externo deveriam ser instaladas. Toda a LPZ3 poderia ser instalado, por exemplo, dentro de um painel metálico ou segregado do restante do painel por uma chapa metálica.
Requisitos para o aterramento (IEC 61312-1, IEC 1024)
O sistema de aterramento é necessário para reduzir a diferença de potencial entre as partes metálicas e os sistemas dentro de um ambiente que se deseja proteger contra descargas atmosféricas.
A equipotencialização consiste na interconexão dos equipamentos utilizando cabos ou a própria malha de aterramento.
Mesmo em casos de descargas atmosféricas diretas o potencial de toda a instalação será elevado uniformemente. Diferenças de potencial não ocorrerão dentro da instalação.
a) Transição entre LPZ0A e LPZ1
No caso de entrada de energia por linha aéreas, a linha vem de uma LPZ0A e pode conduzir corrente provenientes de descargas atmosféricas. Estas linhas devem ser conectadas ao barramento de aterramento principal através de DPSs tipo 1 instalados no ponto de transição entre a LPZ0A e LPZ1.
b) Transição entre LPZ0B e LPZ1
Não ocorrem descargas atmosféricas diretas na Zona 0B pois elas estão protegidas por um SPDA. O Stress que pode ocorrer na LPZ0B é, geralmente, consequência do campo magnético causado pela corrente das descargas.
Os surtos que ocorrem na zona 0B tem característica similar à onda 8/20 e sendo assim o DPS tipo 2 é o mais indicado para a zona de transição entre LPZ0B e LPZ1.
c) Transição entre LPZ1 e LPZ2
Uma vez que a maior parte da energia inicial foi dissipada, os próximos DPSs devem ser projetados para enfrentar os efeitos remanescentes da zona 0A, 0B e 1. Para estes casos DPS Tipo 2 ou Tipo 3 pede ver utilizado. Da mesma forma podemos considerar para as transições sequentes LPZ 3, LPZ 4 ...
5. Proteção de equipamentos específicos
Assim como foi visto anteriormente o DPS deve ser instalado na entrada da instalação afim de eliminar os surtos de corrente o mais cedo possível e minimizar os efeitos no sistema. Por outro lado, um DPS adicional próximo ao equipamento a ser protegido é necessário quando:
- A tensão Up do DPS a montante é muito alto e não garante proteção aos equipamentos da máquina.
- A distância entre o DPS a montante e a máquina a ser protegida é muito alta.
Tipicamente, se a distância for maior que 10 metros um DPS adicional é recomendado, se a distância for maior que 30 m a utilização de um novo DPS é obrigatória.
- Existe geração de interferência interna da máquina (elementos chaveando dentro do sistema)
Conclusão
Na instalação feita por zonas, em cada transição é necessária a instalação de um DPS. Ao passar da zona 0A ou 0B para a zona 1 é necessária a utilização de um DPS tipo 1 (OVR T1 25 255, Iimp 25 kA, Up 2,5 kV e tensão máxima de operação entre fase e neutro Un 255 V). Sempre que passar de uma zona 1 ou da zona 0B para uma zona 2 é necessário a utilização de um DPS tipo 2 (OVR T2 40 275, Imax 40 kA, Up 1,4 kV e Un 275 V). Caso exista uma transição de uma zona 2 para uma zona 3 utiliza-se um DPS tipo 3 ou DPS tipo 2 + 3 (OVR 1N 10 275, Imax 10 kA, Up 0,9 kV e Un 275 V). Deve-se manter o cuidado para que a tensão Up do DPS nunca exceda 80 % do valor da sobretensão máxima que o componente suporta.
Existem ainda DPS para aplicações especiais como linha em 24 V, linhas de dados, instalações fotovoltaicas entre outros. Para mais informações pode-se utilizar o guia prático da ABB: 1TXH000309C0201_OVR Practical Guide.
AUTOR: Sérgio Prestes - Engenheiro de Aplicação
