Guia para aplicao de Dispositivos de Proteo contra Surtos - DPS2012.2

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Guia para aplicaode Dispositivos de Proteo contraSurtos - DPS2012.2

Guia para aplicao de Dispositivos de Proteo contra Surtos - DPS 2012.2novembro 2012

Prefcio

Este texto foi escrito a quatro, oito... 1132 mos, ou seja,junto com os clientes que a Finder procurou para fornecerinformaes sobre o funcionamento e como instalar corretamenteum DPS em uma instalao industrial, civil ou fotovoltaica.A linguagem utilizada intencionalmente discursiva para transmitir conceitos complicados da maneira mais simples possvel. H parnteses tcnicos para aprofundamento, comum pouco de matemtica, mas nada que assuste...Embora apresente a Verso 3 da CEI 64/8 e a prEN 50539-11para o setor fotovoltaico, este texto no pretende ser um guianormativo. Por isso, e para obter mais detalhes, recomenda-seler os textos indicados na bibliografia.

ndice

1 - A origem do raio ................................................................................................ pgina 1Raio descendente negativo ....................................................................................... pgina 1Raio descendente positivo ......................................................................................... pgina 2Raios ascendentes ................................................................................................... pgina 2Como proteger-se contra os surtos de tenso? ............................................................. pgina 32 - Tipos de incidncia de descargas atmosfricas ....................................................... pgina 4Princpios gerais ...................................................................................................... pgina 5Nvel de imunidade, tenso de resistncia e prejuzos econmicos ............................... pgina 8Os surtos de tenso ................................................................................................. pgina 8Os surtos de tenso de manobra ............................................................................... pgina 9Os surtos de tenso de origem atmosfrica ................................................................ pgina 9Impactos diretos e indiretos ....................................................................................... pgina 8Surtos de tenso induzidos ........................................................................................ pgina 10Descarga direta ....................................................................................................... pgina 113 - Funcionamento de um DPS ................................................................................... pgina 12Tipos de DPS ........................................................................................................... pgina 14Centelhador ............................................................................................................ pgina 14Princpio de funcionamento ....................................................................................... pgina 15Corrente residual ..................................................................................................... pgina 16Varistor ................................................................................................................... pgina 174 Caractersticas eltricas e aplicaes prticas do DPS .............................................. pgina 20Dispositivo de proteo contra surtos DPS na prtica ................................................... pgina 225 - Tcnicas de instalao ......................................................................................... pgina 24Distncia de proteo .............................................................................................. pgina 28Sistema de DPS e coordenao de energia ................................................................ pgina 30Sistemas de back-up: fusveis, disjuntores e disjuntores diferenciais ............................... pgina 326 - Aplicaes industriais .......................................................................................... pgina 35Sistema TN ............................................................................................................. pgina 35Sistema IT ............................................................................................................... pgina 37Sistema TT .............................................................................................................. pgina 39Tipos de proteo dos DPSs ...................................................................................... pgina 427 - Aplicaes em obras civis .................................................................................... pgina 43DPS de MT .............................................................................................................. pgina 43DPS instalado antes ou depois do disjuntor diferencial? ............................................... pgina 44CEI 64-8 Verso 3 ................................................................................................... pgina 458 - Instalaes fotovoltaicas: proteo contra raios e surtos de tenso ........................... pgina 49Impacto direto ......................................................................................................... pgina 49Impacto direto pelo aterramento do PV: ...................................................................... pgina 50Instalao fotovoltaica no telhado de um edifcio: ....................................................... pgina 50Impacto indireto ....................................................................................................... pgina 50Medidas de proteo contra surtos de tenso. Proteo AC ........................................ pgina 51Medidas de proteo contra surtos de tenso. Proteo DC ........................................ pgina 53Medidas preventivas ................................................................................................ pgina 55Protees dos DPSs: fusveis ou disjuntores? prEN 50539-11 ........................................ pgina 56Exemplos de aplicao - Instalao fotovoltaica domstica, inversor no sto ................ pgina 58Exemplos de aplicao - Instalao fotovoltaica domstica, inversor no poro ............... pgina 59Exemplos de aplicao - Instalao fotovoltaica no telhado, baixa potncia .................. pgina 60Exemplos de aplicao - Instalao fotovoltaica no solo .............................................. pgina 61Exemplos de aplicao - Instalao fotovoltaica no telhado, mdia/alta potncia .......... pgina 62

1 - A origem do raio

Os raios so descargas eltricas que ocorrem durante tempestades.Durante as tempestades, h dentro das nvens o acmulo de cargas negativas em sua regioinferior.A formao das cargas nas extremidades da nuvem ocorre atravs do atrito entre partculas degelo e gua postas em movimento pelas correntes de ar quente ascendente dentro da nuvem.Para representar gracamente a distribuio das cargas, podemos imaginar um dipolo grandecujo campo eltrico se fecha no solo (Figura 1).

1

++++ +

+

++ +

+++

++++

+++

+ + ++ ++

+ + + + + + + + + + + +

Figura 1:distribuio de cargas eltricas dentro da nuvem, e percurso do campo eltrico

A descarga ocorre quando a intensidade do campo eltrico ultrapassa o valor da resistnciadieltrica do ar, que, no caso do ar limpo e seco, corresponde a 30 kV/cm. Durante uma tempestade, devido umidade e s partculas de poeira presentes, a resistncia dieltrica doar cai para poucos kV/cm, facilitando, assim, a descarga.

Podemos identicar trs famlias de raios:1) Raios entre nuvens: quando a descarga ocorre entre duas nuvens vizinhas2) Raios intranuvem: quando a descarga ocorre dentro da mesma nuvem3) Raios entre nuvem e terra: quando a descarga ocorre entre o solo e a nuvem,

independentemente da origem

Continuando a classicao dos raios, podemos em primeiro lugar denir como raio descendente o raio que parte da nuvem, e como ascendente o raio que sair do solo. Tambmpodemos classicar o raio de acordo com a sua polaridade, denida por conveno comoigual da carga da nuvem: portanto, diferenciamos os raios positivos e raios negativos.

Raio descendente negativoAgora, descrevemos o caminho seguido por um raio negativo nuvem-terra durante sua formao.Esse tipo de raio , para ns, o mais interessante por ser mais frequente. Distinguimos as seguintes fases:

+ + + + + + + + + + +

Fase 1: as cargas eltricas se acumulam numa rea da nuvem, o campo eltrico local cresce at ultrapassar a resistnciadieltrica do ar: nesse ponto ocorre a primeira descarga, cujo comprimento de alguns centmetros. Nesta fase inicial, as respectivas correntes assumem valores que, em mdia, no ultrapassam os 500 A (ocasionalmente atingem alguns quiloampres), e so caracterizadas por um percurso irregularmente plano. Por isso, falamos de corrente contnua.

2

Fase 2: a descarga se propaga at quando a resistncia dieltrica do ar for menor do que a resistncia associada s cargas eltricas: caso seja superior, a descarga cessa. Estando aberto um canal ionizado, outras cargas uem da nuvem, intensicando o campo no ponto de parada. O campo eltrico volta a aumentar at gerar uma nova descarga, em uma nova direo, de acordo com uma resistncia dieltrica do ar inferior do campo eltrico. O canal do raio se propaga da nuvem para a terra, levando parte da carga eltrica da nuvem, de acordo com o mtodo descrito, com alteraes contnuas de direo conforme a resistncia dieltrica do ar. Isso gera o caracterstico percurso em ziguezague tpico de um raio. De forma semelhante ao que acontece na nuvem, ocorre tambm no solo uma distribuio de cargas de sinal oposto carga eltrica transportada pelo canal do raio.

Fase 3: surge do solo um canal ascendente (contradescarga) que sobe at encontrar o canal descendente. Quando os dois canais se encontram, estabelece-se uma corrente chamada de "corrente de raio". A rea do solo que sofrer o impacto do raio a rea da qual parte a contradescarga. Em seguida, ocorre o primeiro impacto do raio, caracterizado por uma corrente com valores variando de 2 a 200 kA e frentes de onda muito ngremes: 0,5 a 100 kA/Ns. Neste caso, falamos de corrente de pulso.

Fase 4: o relmpago. O relmpago simplesmente o efeito trmico e luminoso associado passagem da corrente eltrica. O aquecimento e resfriamento do ar afetado pela corrente do raio determinam fenmenos de expansoe compresso, gerando o trovo.

Fase 5: descargas sucessivas. Muitas vezes, aps a primeira descarga, ocorrem sucessivos fenmenos de descarga,graas ao fato de que o canal ionizado passa a estar aberto. Essas descargas so caracterizadas por uma contribuio energtica menorquando o canal j estiver formado.

Considerando as cinco fases descritas, podemos, portanto, concluir que o primeiro golpe deum raio est associado a uma corrente muito elevada, em virtude da constante alternncia deincio e parada caracterizada por acmulos de energia, que denem o ziguezague tpicodo raio no sentido do solo. Isso deixa claro que a respectiva forma de onda caracterizadapor frentes de onda de subida e descida longas: centenas de microssegundos. Os golpesaps o primeiro, no entanto, so caracterizados por frentes de onda ngremes, pois o canal dedescarga j est ionizado e as cargas eltricas no fazem esforo algum para avanar. Nestecaso, falamos de dezenas de microssegundos. A rapidez do movimento e a ausncia de obstculos no avano da corrente determinam uma contribuio energtica menor em relaos primeiras descargas do raio: falamos de dezenas de centenas de quiloampres, contra ascentenas de quiloampres do primeiro golpe de um raio.

++ +

+ + + + + + + + + +

+ ++ ++ + + + + + + + + +

+ +

+ ++

++

++

+ + + + + + + + + + +

+ + + + + + + + + + + + + + + + + + + + + +

+ ++ ++ +

Raio descendente positivoOs raios positivos se originam das cargas positivas localizadas no topo da nuvem. Os cumulonimbus so caracterizados por alturas elevadas, e, portanto os raios positivos socaracterizados por um canal de descarga muito longo. Isso tem dois efeitos:

As correntes associadas ao raio positivo so muito elevadas, maiores do que no primeiro golpe de um raio negativo

O comprimento elevado caracterstico do canal de descarga pode atingir 10 km, e isso signica que, aps a primeira descarga, muito provavelmente a parte mais velha do canal seja arrefecida e desionizada, impossibilitando a passagem de outra corrente e, com isso, gerar descargas subsequentes.

Raios ascendentesDurante as tempestades, o canal do raio pode surgir de estruturas naturais ou articiais, taiscomo rvores, torres, etc., caracterizadas por certa altura. Isso se deve intensicao docampo eltrico nas partes que terminam em uma ponta.O canal do raio ascendente se origina e se propaga para cima, seguindo o mesmo padro vlido para os raios descendentes. Neste caso, a contradescarga comear na nuvem. Assimcomo nos raios descendentes negativos, uma vez ionizado o canal, ser possvel que ocorramdescargas subsequentes de igual intensidade.

Como proteger-se contra os surtos de tenso?

Nos ltimos anos, a proteo contra surtos de tenso est se tornando uma necessidade devidoao uso cada vez mais difundido de componentes eletrnicos, tais como o MOSFET, muito sensvel por natureza a surtospicos de tenso. Em outras pocas, encontrvamos em sistemaseltricos produtos eletromecnicos, tais como: motores, transformadores, etc. por si mais resistentes a estes fenmenos de surtos.Portanto, hoje no h um nmero maior de causas de falha. O que ocorre que nossas casase indstrias tm um nmero cada vez maior de dispositivos mais sensveis, de modo que, comoveremos a norma IEC 64/8, em sua verso 3, vigente desde 11 de setembro de 2011, preva instalao de DPS inclusive no quadro principal das unidades residenciais. Os DPSs ganharam rpida aceitao e difuso, no porque representam uma novidade comercial proposta ao mercado, mas porque, em comparao a outros sistemas para proteo contrasurtos de tenso, so econmicos, podem ser adicionados a um sistema existente, e funcionamperfeitamente se forem devidamente selecionados e instalados.

3

3

4

2

1

70

100

50

30

015 t (ms)35 55

U (kV) I (kA)

Representao dos valores de amplitude do surto de tensoem funo da causa

42 - Tipos de incidncia de descargas atmosfricas

a) Impacto direto sobre um edifcio. Se o edifcio estiver equipado com um sistema de pra-raios, o raio ser descarregado na terra, aumentando a tenso do aterramento e de tudo o que estiver conectado a ele.No impacto direto, constata-se ou o acoplamento indutivo, por exemplo, entre o aterramento e um condutor que corre paralelamente a ele, ou o acoplamento resistivo, por exemplo, entre o aterramento e a tubulao de gs.Os surtos de tenso que ocorrem atravs de um acoplamento resistivo podem gerar descargasperigosas, pois contm energia suciente para iniciar um incndio ou destruir equipamentos.O acoplamento resistivo entre as partes condutoras tambm provoca o aparecimento de tenses perigosas de passo e de toque. As tenses de passo apresentam um percurso decrescente e so perigosas para seres humanos e animais.

b) Impacto indireto sobre um edifcio. Neste caso, falamos apenas do acoplamento indutivo. Os surtos de tenso so gerados pelo campo magntico associado corrente do raio que faz contato com as partes metlicas condutoras do edifcio.

c) Impacto direto sobre uma linha. A corrente do raio dividida igualmente em ambas as direes, passando atravs do transformador MT/BT, e gera surtos de tenso em tudo o que estiver aterrado.

d) Impacto indireto sobre uma linha (acoplamento indutivo). Os surtos de tenso induzidos, cuja amplitude varia de 3 a 5 kV, no tm energia suciente para iniciar um incndio, mas podem destruir os equipamentos.

a)

b)

c)

d)

Os tipos de incidncia dedescargas atmosfricaspodem ser enquadradosnos quatro casos representadosao lado.

5Princpios gerais

Antes de abordar o complexo discurso que regula os aspectos de sistema, a seleo, a instalao e a implementao dos DPSs, necessrio, primeiro, apresentar os tipos de DPSsexistentes, o zoneamento dos ambientes e o valor de resistncia a impulsos suportados dosaparelhos eletrnicos. Informaes teis para entender melhor o mundo dos DPSs.

Dependendo do papel que devam desempenhar, os DPSs so divididos em Classe I (destinadosa limitar surtos de tenso, os quais a totalidade ou parte da corrente do raio est associada),Classe II (destinados a proteger os equipamentos contra surtos de tenso) e Classe III(desempenham um papel de terminao, impondo uma baixa tenso residual (nvel de proteo) suportada pelos equipamentos eletrnicos nais.

As equivalncias de nomenclatura so indicadas na tabela:

No texto, utilizaremos os termos Classe e Tipo sem distino.Como j dissemos, dependendo do tipo de proteo oferecida, os DPSs so agrupados emClasses; a classe identica o teste ao qual o DPS foi submetido em termos de corrente de descarga.

Classe (de teste) I: esta classe pertencem os DPSs testados pelo fabricante com um geradorde forma de onda de 10/350 s. Esta forma de onda usada para simular o primeiro impactode um raio e dene o desempenho do DPS em termos de corrente de impulso: Iimp. Os DPSs daClasse I tambm so testados em termos de corrente nominal In com uma forma de onda de8/20 s, tpica dos surtos de tenso induzidos. Os DPSs de Classe I so obrigatrios em edifcios equipados com pra-raios.Eles so instalados no quadro principal, no ponto de ligao com a rede eltrica.

Classe II: os DPSs desta classe so testados com um gerador de forma de onda 8/20 s (tpicados surtos de tenso induzidos) para denir o desempenho em termos de corrente nominal ecorrente mxima, respectivamente In e Imax.Eles so instalados em quadros de distribuio.

Classe III: pertencem a esta classe, os dispositivos que desempenham um papel de terminao;a maior parte da energia retirada pelos DPSs instalados em um ponto anterior. Os DPSs deTipo 3 so os mais rpidos, e eliminam os surtos de tenso residuais.Estes DPSs so testados com um gerador do tipo combinado, que gera uma tenso sem cargaUoc com forma de onda de 1,2/50 s, capaz de transmitir o valor de corrente nominal In comforma de onda de 8/20 s. Eles so instalados prximos aos aparelhos eletroeletrnicos nais.

IEC Classe I Classe II Classe IIIEuropa Tipo 1 Tipo 2 Tipo 3VDE B C D

Fazendo referncia norma 62305-1, podemos dividir em regies o ambiente eletromagnticoassociado descarga de um raio: LPZ (Zona de Proteo contra Raios).Medidas de proteo, tais como SPDA, cabos blindados, DPSs, denem uma zona de proteo.As zonas so caracterizadas por variaes eletromagnticas signicativas (por exemplo, intensidade do campo eletromagntico, valores da corrente do raio, valores de surtos de tenso,etc.), devido presena de medidas de proteo.Associa-se auma LPZ um nmero entre 0 e 3 (LPZ1, LPZ2...). Quanto mais alto for o nmero,mais os efeitos dos raios sero atenuados.

LPZ 0A: zonas livres. No h nenhuma proteo, se houver, estaro fora do pra-raios.Neste caso, existe a possibilidade de incidncia direta de raio e, portanto, a corrente do raio alta e o campo eletromagntico (ELM) no atenuado.

LPZ 0B : abaixo do dispositivo sensor. A corrente de raio pequena, o campo ELM no atenuado.

LPZ 1 : no interior do edifcio, depois do primeiro DPS, a corrente do raio limitada;o campo ELM atenuado.

LPZ 2 : zona caracterizada pela incluso de outro DPS. A corrente do raio ainda mais limitada; o campo ELM muito atenuado.

LPZ 3 : incluso de outro DPS...Isso corresponde a uma tomada ou ao interior de um dispositivo eletrnico.

6

50

0

100

I (kA)

50 100 t (s)

10/350 s

1.2/50 s

8/20 s

Figura 2: formas de onda normalizadas

A seguir, representamos as formasde onda caractersticas dos DPSs.

Observando a Figura 2, pode-senotar que a contribuio energtica,representada pela rea sob ascurvas, maior para a forma deonda 10/350 (tpica do primeiroimpacto do raio).

SPD SPD

SPD

LPZ 0A

LPZ 0B

LPZ 2 LPZ 3

LPZ 1

LPZ 2

rede deenergiaeltrica BT

7LPZ 0

SP

D ti

po 1

LPZ 1

SP

D ti

po 2

LPZ 3

SP

D ti

po 3II

(2.5 kV)

III(4 kV)

I(1.5 kV)

ex. equipamentos eletrnicos sensveis (TV, PC, HI-FI)

ex. eletrodomsticosex. quadros de distribuio,disjuntores

ex. contator de energia

LPZ

Cat

egor

ia d

e in

stal

ao

Quadroprincipal

Quadrosecundrio 1

Quadrosecundrio 2

Quadro da rea

IV(6 kV)

LPZ 2

- Categoria de instalao (ou de surto de tenso) I: esta categoria inclui equipamentos muitosensveis a picos de tenso, como equipamentos eletrnicos (TV, aparelhos de som, modems, PCs, PLCs, etc.). Para esses dispositivos, o fabricante deve garantir uma tenso de resistncia de 1,5 kV.

- Categoria de instalao II: esta categoria inclui os aparelhos, cuja resistncia a impulso corresponda a 2,5 kV, como ferramentas portteis ou eletrodomsticos.

- Categoria de instalao III: refere-se aos aparelhos que fazem parte do sistema, como interruptores, tomadas, quadros, etc., para os quais a tenso de resistncia de 4 kV.

- Categoria de instalao IV: pertencem a esta categoria os dispositivos instalados antes do quadro de distribuio, tais como os contatores. A tenso de resistncia ao impulso de 6 kV.

Embora no exista relao nenhuma entre elas, a subdiviso dos edifcios em zonas culminacom a introduo do conceito de categorias de instalao. Neste caso, no se trata de umzoneamento propriamente dito, mas uma maneira simples de entender o conceito: a subdivisoocorre automaticamente, pois o fabricante deve garantir que os dispositivos destinados a aplicaes vizinhas ao ponto de alimentao da energia suportem os valores mnimos desurtos de tenso, superiores aos dispositivos que geralmente se instalam distncia. Vizinhoe distncia se referem a distncias eltricas, no mtricas.Isso signica, por exemplo, que o nvel de resistncia ao impulso do quadro eltrico principaldeve ser de pelo menos 4 kV, enquanto a resistncia ao impulso de um PC, televisor, etc. deveser de pelo menos 1,5 kV.

Na gura acima, so agrupadas as LPZs e as categorias de instalao para resumir o quevimos at agora. Mas cuidado, no h relao nenhuma entre elas! A categoria do sistema duma idia da resistncia ao impulso dos equipamentos, e a LPZ d uma idia sobre as grandezaseletromagnticas associadas descarga do raio.

8Nveis deimunidad

Tensode resistncia

Funcionamentocorreto

Maufuncionamento

Reduode vida til

DANOS Amplitude dossurtos de tenso

Muitas vezes, os surtos de tenso podem no danicar imediatamente os equipamento e, porisso, no camos cientes de sua existncia. Surtos de tenso repetidos de baixa amplitude comprometem a resistncia dieltrica dos isolamentos, reduzindo a sua vida til e, portanto, atenso de resistncia do dispositivo. Caso os surtos de tenso ultrapassem a tenso de resistnciado isolamento slido (desgastado), o isolante falhar e o dispositivo ser permanentemente danicado.Imagine agora que temos um inversor conectado a uma linha, submetido a surtos de tensocontnuos e de valor que no o danicam, mas desgastam os isolamentos. Decidimos adicionaroutro inversor em paralelo. A princpio, o antigo falha e o novo ainda funciona... Por qu? Devido aos repetidos surtos de tenso, o isolamento do primeiro inversor se enfraquece at permitir a quebra permanente do aparelho assim que o pulso da rede tenha determinado afalha. O segundo, mais novo, continua funcionando, pois o nvel do surto de tenso no erato elevado a ponto de danic-lo com um nico impacto.

Conclumos esta introduo, considerando tambm o aspecto econmico: por trs da falha deum dispositivo, no h apenas o custo da sua substituio, que muitas vezes constitui o menorprejuzo econmico, mas tambm necessrio considerar o prejuzo econmico causado pelaretirada de servio. Por exemplo, caso o servidor de reservas de uma agncia de viagens falhe,ocorre um prejuzo porque o trabalho no pde ser feito. Pense em um aeroporto! Assim, oDPS sempre conveniente do ponto de vista econmico.Certamente no devemos esquecer que um surto de tenso pode causar danos muito mais graves, como a morte de pessoas, o incndio de edifcios com a perda de obras de valor ou aparalisao de uma linha de montagem, aspectos que no podem e no devem ser negligenciados na fase de concepo de um sistema eltrico.

Nvel de imunidade, tenso de resistncia e prejuzos econmicos

Podemos concluir dizendo que todos os aparelhos eltricos e eletrnicos so caracterizadospor um valor de tenso que indica o nvel de imunidade a surtos de tenso: at o momento emque os surtos de tenso cam abaixo do nvel de imunidade dos aparelhos, no h problemas.Se os surtos de tenso forem pouco superiores a esse valor, podem ocorrer defeitos nos aparelhos.No caso de valores iguais ou maiores, os isolamentos dos componentes se desgastam, o quereduz a vida til; com um nvel muito elevado de surtos de tenso, no entanto, podem ocorrerfalhas permanentes.

Os surtos de tenso

Os surtos de tenso em um sistema eltrico podem ser endgenos ou exgenos: os primeirosreferem-se aos surtos de tenso de manobra, surtos que existem normalmente na rede eltrica,e surgem durante a operao normal do sistema. Os segundos, no entanto, referem-se aossurtos de tenso de origem atmosfrica.

9Descargas diretas e indiretas

da estrutura

nas proximidades da estrutura

da linha de energia eltrica

nas proximidades da linhade energia eltrica

Surtos de tenso de manobraOs surtos de tenso de manobra surgem da operao normal das linhas eltricas, por exemplo,o acionamento de interruptores (abertura ou fechamento), e so causados por variaes sbitasde carga (insero de grandes cargas), acionamento ou funcionamento de motores, ou variaesbruscas na rede, tais como curtos-circuitos. O percurso do surto de tenso oscilatrio amortecido,com transientes muito ngremes, cuja durao pode ser da ordem de nanossegundos.Nesta categoria, podemos incluir os surtos de tenso de frequncia industrial causados por falhasna cabine ou ao longo da linha. Eles se diferenciam dos primeiros pela durao, muito maior, epela frequncia: 50-60 Hz.

Esses surtos de tenso so caracterizados por amplitudes que variam entre 2,5 e 4 kV.Eles esto sempre presentes nas linhas de distribuio.

Surtos de tenso de origem atmosfricaOs surtos de tenso de origem atmosfrica surgem quando um raio atinge um ponto duranteuma tempestade. O raio surge aps o acmulo de cargas negativas em relao nuvem e positivas em relao terra, entre os quais estabelecido um campo eltrico maior do que aresistncia dieltrica do ar, permitindo a descarga. Normalmente, aps o primeiro impacto doraio, ocorrem 3 ou 4 descargas eltricas subsequentes (vide captulo 1). Os picos de tensopodem ser conduzidos quando os raios atingem diretamente uma linha de energia, ou induzidos quando os raios caem perto de um prdio ou uma linha. O campo eltrico geradopor um raio, incidente nos condutores, cria surtos de tenso prejudiciais aos dispositivos conectados a eles.

Figura 3: surto de tenso temporriode frequncia industrial

Surtos de tenso nominal

230/400 V

Surtos de tenso nominal

230/400 Vsurtos de tenso temporrio

10

SPD

SPD

Surtos de tenso induzidosSabe-se bem que um campo magntico varivel induz uma corrente eltrica em um circuito.Na presena de um raio, temos um grande campo eletromagntico altamente varivel, e oscondutores eltricos de um edifcio so um circuito (bobina) de dimenses que no so insignicantes. O campo eletromagntico do raio cria efeitos desastrosos se ele se conectarcom uma bobina de grande dimetro. No difcil imaginar que voc tem uma grande bobina disposio, basta pensar na linha de alimentao de um PC e linha telefnica que se conectaao modem, por sua vez conectado ao computador. No caso de um descarga direta sobre aestrutura, a corrente do raio descarregada na terra, atravs da bobina, gera por acoplamentoindutivo, um surto de tenso U = Lmdi/dt

onde Lm: indutncia mtua da bobinadi/dt: inclinao da forma de onda

Dependendo da extenso da bobina, os surtos de tenso podem superar os 10 kV !

O fenmeno da induo tambm ocorre com condutores retilneos, no necessariamente dispostos em forma uma bobina, por exemplo, entre um condutor e a terra. Imagine uma linhade energia eltrica: se um raio cai nas proximidades de uma linha de distribuio, seu campoeletromagntico varivel induz na linha surtos de tenso que se propagam ao longo da linha, semelhana do que veremos mais adiante em relao a descarga direta de um raio.

11

Descarga diretaSe um raio atingir uma linha de energia eltrica, a corrente do raio (e o respectivo surto de tenso) se propaga em ambos os sentidos da linha, dividindo-se em partes iguais. Na propagao, modicam-se a forma e a amplitude, atacando as cargas encontradas.

50%

Finalmente, os picos de tenso podem ser normalmente referidos entre o condutor de fase e aterra, ou de modo diferencial, caso seja entre os condutores.

Equipamento Equipamento

N

L

N

L

PE PE

Modo comun Modo diferencial

50%

12

3 - Funcionamento de um DPS

Para compreender o funcionamento do DPS, suponhamos que temos um DPS ideal, cujo funcionamento descreveremos. Em seguida, compararemos a operao do DPS ideal com oreal.O DPS ideal pode ser descrito imaginando-se que temos uma caixinha, cujo contedo no conhecemos, conectada, por exemplo, entre L-PE, cuja impedncia (Z) innita para no alteraro funcionamento do sistema.

A chegada de um surto de tenso abaixa rapidamente para 0 a impedncia nos terminaisda caixa, permitindo absorver a corrente associada ao surto. Quanto mais alto for o surto detenso, menor ser a impedncia e maior ser a corrente drenada. Podemos, portanto, imaginar um interruptor aberto no interior da caixa, que se fecha na presena de um surto detenso, colocando em curto o circuito existente aps o interruptor, protegendo o circuito.Ocorre a drenagem da sobrecorrente, mantendo a tenso constante nos terminais da caixa. Seessa tenso for compatvel com o nvel de imunidade e isolamento do equipamento, ele noser danicado.

Podemos, portanto, identicar trs fases de operao do SPD, nas quais as grandezas que oinuenciam so os parmetros de escolha dos produtos no catlogo.

L

I

PE

SPD

I

L

PE

SPD

13

1) Fase inicial. Suponhamos que nossa caixinha esteja instalada entre um condutor ativo e a terra (mas tambm pode ser instalada entre duas fases ou entre a fase e o neutro). Nos seus terminais h uma tenso nominal do sistema (Un), que, ao longo do tempo, pode variar dentro de uma faixa de tolerncia, dependendo da distribuidora de energia eltrica (no Brasil de +10% a 10%. Por isso, prevista uma tenso de operao contnua Uc, que, em relao faixa de tolerncia, garante que o DPS no seja acionado.Vamos antecipar o conceito de tenso de operao contnua Uc. Trata-se do valor de tenso que pode ser aplicado ao DPS por tempo indeterminado e com o qual certamente o DPS no ser acionado.

Para os sistemas TT e TN Uc 1,1 UnPara os sistemas IT Uc 3 Un

Nesta fase, o dispositivo ideal tem uma impedncia innita, enquanto o real tem uma impedncia de valor muito elevado. Isso signica que o DPS ideal no atravessado pela corrente em direo terra, enquanto que o real continuamente atravessado por uma corrente de fuga (dependendo dos componentes utilizados na produo do DPS) em direo terra, indicada por Ic: corrente de operao contnua. Essa corrente da ordem de A.Nessa fase, devemos tambm considerar a UT (T = TOV ou Temporary Transient Overvoltage), ou seja, Surtos de Tenso Temporrios presentes na linha devido a falhas na rede da distribuidora (surtos de tenso de manobra). Esses surtos devem ser suportados peloDPS.

2) Durante o surto de tenso. O DPS reduz sua prpria impedncia para drenar a corrente, e mantm constante a tenso nos terminais.Nessa fase, importante o valor da tenso residual (Ures) medido nos terminais do DPS durante o acionamento. Esse valor identicado por meio de Up: nvel de proteo. O Up um valor de tenso escolhido em uma escala de valores normalizados imediatamente acima de Ures (por exemplo, Ures = 970 V, Up = 1000 V). importante que Up seja menor do que a tenso de resistncia dos isolantes do dispositivo a ser protegido. Esse valor de tenso relativo corrente de descarga nominal, que, para o tipo de ensaio, assume uma forma de onda de 8/20 s.Nesta fase, so importantes os dados referentes corrente nominal de descarga: In.In: valor de pico de corrente ao qual o DPS capaz de resistir normalmente.Ele denido testando o DPS com uma forma de onda de corrente de 8/20 s.Outro dado importante o Imax, que corresponde ao valor de pico da corrente mxima da qual o DPS capaz de dar conta pelo menos uma vez sem ser danicado.

Em geral, vale a seguinte relao: Imax / In = 2

3) Fase de extino do fenmeno. Ao nal da sua interveno, o DPS atravessado pela corrente a 50/60 Hz fornecida pelo circuito do qual ele faz parte: corrente subsequente. possvel que o DPS no consiga se reabrir (caracterstica tpica dos DPSs de disparo). A norma de produtos deniu a Isx, que representa a corrente mxima que o dispositivo capaz de suportar e extinguir apenas no primeiro cruzamento de zero da semi-onda. Esse valor de corrente, tpico dos centelhadores geralmente aplicados na conexo entre N e PE, deve ser superior ou igual a 100 A. A Isx uma corrente da qual o DPS capaz de dar conta edesligar de maneira autnoma: se a corrente de curto-circuito do sistema no qual o DPS estiver instalado for superior a Isx, o DPS deve ser protegido por dispositivos apropriados (por exemplo, fusveis) para assegurar a extino do arco.Se Icc < Isx, talvez no seja possvel proteger o DPS, mas, como no possvel saber com preciso a durao da Isx, pode ser possvel que o disjuntor diferencial intervenha, desligando todo o sistema. Portanto, interessante usar sempre fusveis de proteo.

CentelhadorO centelhador um dispositivo que, na sua congurao maissimples, produzido com dois eletrodos adequadamente separadospelo ar. Na presena de surtos de tenso entre os dois eltrodos,desencadeia-se um arco eltrico. O valor da tenso de igniono depende apenas da distncia entre os eletrodos, mas tambmdas condies ambientais: temperatura, presso e poluio do ar.Isso signica que a tenso de ignio do arco muito inuenciada, em distncias iguais, pelas outras trs variveis.

14

Veja a seguir os smbolos tcnicos dos vrios tipos de DPSs existentes:

Desconsiderando as tecnologias de silcio do tranzorb, Triac, etc., os DPSs para as linhas deenergia so prouzidos ligando varistores e centelhadores da maneira adequada. Analisemosdetalhadamente esses dois componentes para entender como eles funcionam e, portanto, compreender as caractersticas dos DPSs produzidos em esses componentes.

Centelhadorpelo ar

Componentesque comutam

os surtos de tenso

Componentesque limitam

os surtos de tenso

Componentes que limitamos surtos de tenso, emsrie com componentes

que os comutam

Componentes que limitamos surtos de tenso, em

paralelo com componentesque os comutam

Centelhadora gs

Representao de projeto de um GDT.

Os tubos de descarga a gs so caracterizados por: - dimenses reduzidas- alta capacidade de descarga- tempos de resposta elevados e alta repetibilidade

(o tempo entre o desligamento e a reinicializao do dispositivo pode ser muito curto, e esse processo pode ser repetido muitas vezes)

- vida til especialmente longa

Materiais que favorecem o disparo da descarga

cmara de descarga

isolante (vidro ou cermica)

eletrodos

Tipos de DPS

Existem trs famlias de DPSs:

a) Por comutao ou disparo. Neste caso, o elemento principal o centelhador. Existem tambm modelos a tiristor.

b) Por limitao. a tecnologia mais popular: varistor ou diodos zener (ou tranzorb).

c) De tipo combinado. obtido atravs da ligao dos dois primeiros em srie ou em paralelo.

O centelhador usado no DPS denido como a gs, pois os eletrodos cam contidos numaampola fechada, contendo gases raros, tais como argnio e nenio, que mantm a tenso deignio em valores constantes. Em geral, por essa sua caracterstica de projeto, o centelhador chamado de GDT: Gas Discharge Tube [Tubo de Descarga de Gs].

15

Princpio de funcionamento

Um centelhador a gs, ou GDT, pode ser descrito como uma resistncia varivel que, dentrode 100 ns altera seu valor, passando de vrios G em estado de repouso a valores abaixo de1 Ohm, durante um surto de tenso.O protetor de surto retorna ao seu estado original de alta impedncia depois que o surto detenso diminui.Consultando a Figura 4a, podemos notar que a tenso nos terminais do centelhador sobe ata tenso de sada V1 e, em seguida, muda para a tenso de ignio, que corresponde ao valorV2. Quando esse valor for atingido, normalmente entre 70 e 200 V, ocorre a ignio no GDT;a corrente em questo pode variar entre 10 mA, e aproximadamente 1,5 A. Esse fenmeno,com durao A, termina com a passagem ao modo de arco, com durao B, o que correspondea um aumento da corrente em relao a uma tenso muito baixa, igual tenso do arco, quevaria entre 10 e 35 V.Com a diminuio do pico de tenso, ocorre a reduo da corrente, que ui no protetor desurto at o valor necessrio para manter ativa a extino do arco.Em correspondncia com a extino da corrente que ui pelo centelhador, ocorre o aumentoda tenso nos terminais, igual ao valor da tenso de extino V4.A Figura 4a, mostra o percurso da tenso durante a fase de descarga do GDT. A Figura 4bmostra o percurso da corrente em funo do tempo, quando o GDT limita um surto de tensodo tipo senoidal. E a Figura 4c obtida, atravs da combinao dos grcos de tenso e corrente em funo do tempo.

Figura 4a - b - c:comportamento de umcentelhador em presenade um surto de tenso

Figura 4a

Figura 4b

V

A

B

B

A

t

t

Figura 4c

V1 Tenso de descarga V2 Tenso de ignioV3 Tenso de arcoV4 Tenso de extino A Modo de ignioB Extino de arco

V

V1

V2V4

V3 I

U (V)

0

Uin

Ures

fase 1 fase 2 fase 3 t (s)

Figura 5: funcionamento simplificado do GDT

Fase 1: A descarga no iniciada (circuito aberto).Fase 2: A descarga ocorre e a corrente ui atravs do DPS. Na tenso de ignio (Uin), qual

corresponde o nvel de proteo Up do protetor de surto, a tenso nos terminais do DPS cai at a Ures, que coincide com a tenso do arco. Portanto, o equipamento protegido por um DPS por comutao ca sujeito a um surto de tenso correspondente Uin .

Fase 3: Extino do arco.

16

Para entender por que os cen-telhadores so denidos comodispositivos por comutaoe compreender as diferenasde funcionamento em relaoaos varistores, simplicamos aFigura 4a na Figura 5, na qualdistinguimos apenas 3 fases:

Percursos da tenso (curva superior) e da corrente (curva inferior) detectados durante a operaodo GDT, e obtidos com um gerador combinado nos laboratrios da Finder. Neste caso, o valorde tenso mximo de aproximadamente 3600 V, enquanto o de corrente de aproximadamente3000 A.

Corrente residualComo j mencionado, durante a operao, a tenso nos terminais do GDT muito baixa ecorresponde tenso do arco, enquanto que a corrente muito elevada.Durante a descarga, a tenso nos terminais do GDT (Ures) atinge valores muito baixos, com orisco de que a tenso da rede, sendo maior do que a Ures, mantenha o dispositivo ligado e diculte ou mesmo impossibilite a extino do arco. O arco, na verdade, pode permanecer depois que o pico de tenso cesse, pois mantido pela tenso do circuito e a corrente at aterra, denominada "corrente residual", pode durar muito. A corrente residual coincide com acorrente de curto-circuito do sistema no ponto de instalao do centelhador, sem a reduo detenso provocada pela presena do arco.

Ao lado, podemos observar aforma de onda real, tomada nosterminais de um GDT durante alguns testes de laboratrio.

Figura 6:operao de um GDT

17

Os DPSs conectados entre o neutro e a PE nos sistemas TT ou TN devem permitir, aps sua operao, uma corrente residual para uma frequncia industrial superior ou igual a 100 A.Para valores elevados de corrente de curto-circuito no ponto de instalao do centelhador (DPS),devem ser instaladas protees de corrente mxima, acionadas quando o arco no se extinguirespontaneamente, ou deve-se usar DPSs caracterizados por uma ligao interna em srie entreo varistor e o GDT (consulte a pgina 22, por exemplo, DPS: 7P.01.8.260.1025).

VaristorOs varistores so dispositivos utilizados para proteo contra surtos de tenso, fabricados comuma mistura de cermica e partculas de xido de zinco (MOV) ou xido de magnsio sinterizado.Eles podem ser considerados como uma resistncia cujo valor muda de acordo com a tensoaplicada aos terminais: quanto maior a tenso, menor a resistncia.

partculas de xido sinterizado misturado com outros xidos metlicos eletrodos

resina

conductorde cobre niquelado

rea de baixa corrente

rea de corrente elevada

rea de comutao

V

I

100

10

1

= 1 = 30

= 1I = k V

10-8 10-6 10-4 10-2 10-0 101 102 103

Figura 7: caracterstica de tenso-correnteque caracteriza o funcionamentodos varistores

Sendo fabricados de partculas de metal, os varistores, quando submetidos a uma tenso, sosempre atravessados por uma pequena corrente de fuga. Por isso se diz que o varistor estsempre ON, e opera com frequncia, mesmo com pequenas variaes de tenso (regio debaixa corrente). Com o tempo, as partculas de metal se soldam umas s outras, criando novoscaminhos para a corrente de fuga Ic, que, com o aumento dos valores, levam ao superaquecimentoe quebra do varistor.Em condies normais de operao, com poucos acionamentos de proteo do varistor, o aumento da Ic ocorre depois de muitos anos de operao.

Novamente com referncia Figura 7, a V/I caracterstica dos varistores pode ser descritaatravs de funes exponenciais na seguinte frmula:

I = K*V ( >1 ) Equao 1 onde: I = uxo de corrente no varistorV = tenso aplicada ao varistorK = constante do componente

(dependendo da geometria) = expoente de no-linearidade

Podemos representar o percurso da resistncia do varistor de acordo com a tenso e,especicamente, sua rpida mudana de acordo com um valor predeterminado.

Apresentao da caracterstica do R/V em uma escala linear

Esta caracterstica descritapela seguinte relao:

R = V/I

Da equao 1:

I = K*V

Da qual:

R = K1*V1 Equao 2

18

A equao 1 pode ser representada em escala logartmica com percurso linear:

Caracterstica de V/Ina escala logartmicalog(I) = log(K) + * log(V)

O mesmo se aplica equao2, que, na escala logartmica,assume o percurso indicado na Figura:

Caracterstica de R/V na escala logartmicalog(R) = log(K) + (1) log(V)

V

R log (V)

log (I)

log (R)

log (V)

Os DPSs fabricados com varistoresso denidos como de limitao,pois tm a capacidade de manterconstante a tenso nos terminaisdurante a absoro do surto detenso, uma caracterstica especialdos varistores.

0 fase 1 fase 2 fase 3 t (s)

U (V)

Ures

Figura 8: comportamento de um varistor em presena de um pico de tenso

19

Comparando a Figura 8 com a Figura 5, podemos ver os diferentes comportamentos de operao em relao ao centelhador: na Figura 5, podemos ver a operao ON-OFF, ouseja, em uma dada tenso Uin, o GDT acionado, cortando-a abruptamente. Na Figura 8,vemos uma limitao gradual, pois o varistor altera sua resistncia proporcionalmente tensonos terminais. A tenso nos terminais permanece constante apesar do aumento de corrente, ea passagem pela zona de conduo ocorre em poucos nanosegundos.A Figura 9 indica o percurso da tenso residual nos terminais do varistor quando muda a corrente que o atravessa. A tenso residual nos terminais do varistor depende da geometria eda espessura da pastilha, que, se for corretamente dimensionada, permite projetar DPSs comvrios desempenhos e para diferentes aplicaes.

V

70

50

30

10

-30

-50

-70

Nvel de proteo

-140 -100 -60 -20 20 60 100 140

A

Corrente impulsiva

Tenso de operao mxima admissvel

Figura 9:curva V/I caracterstica

Na imagem abaixo, so comparadas as caractersticas dos componentes de comutao e delimitao encontradas em ensaios de laboratrio: em azul, o GDT; em vermelho, o varistor. Percebe-se como o ltimo comea a trabalhar a baixas tenses, razo pela qual ele instaladoentre a fase e o neutro.

kV

4

3

2

1

00.0 0.5 1.0 1.5 2.0 2.5 s

Figura 10: comparao de um varistor com um GDT

20

4 - Caractersticas eltricas e aplicaes prticas do SPD

Para escolher o tipo de DPS que deve instalado em um sistema, necessrio conhecer suas caractersticas eltricas.

Tenso nominal [Un]: tenso nominal do sistema de alimentao (Ex: 230 V). Embora este dadono conste na plaqueta de um DPS, necessrio conhecer o valor da tenso nominal do sistemaa ser protegido, e vericar se Un < Uc.

Tenso mxima contnua [Uc]. o valor da tenso abaixo do qual o DPS certamente no seracionado, e deve ser pelo menos igual a 110% da tenso nominal do sistema (Un). Por exemplo,a Uc do DPS Finder da Classe II igual a 275 V (250 V + 10%).Esse parmetro o primeiro critrio para a escolha do DPS, e est ligado tenso nominal darede, conforme indicado na tabela a seguir (CEI 64-8/2), que apresenta o valor mnimo da Ucem funo do sistema de distribuio.

Nvel de tenso de proteo [Up]: representa o valor mximo de tenso que permanece nos terminais do DPS durante a sua operao. Se um DPS for caracterizado por um valor de Up

Tenso sem carga [Uoc]: este parmetro caracterstico dos DPSs de Classe III e correspondeao valor de pico da tenso sem carga do gerador de teste do tipo combinado, tendo uma formade onda de 1,2/50 s (Figura 11), capaz de fornecer ao mesmo tempo uma corrente comforma de onda de 8/20 Ns (Figura 12). O gerador de teste do tipo combinado utilizadopara classicar o desempenho dos DPSs de Classe III.

21

Corrente nominal de descarga [In 8/20]: este o valor de pico da corrente que atravessa o DPSquando testado com uma forma de onda de 8/20 s. As normas da srie EN 62305 prescrevemesta forma de onda para simular as correntes induzidas por raios em linhas de energia, sendoo teste caracterstico para os DPSs de Classe II.

Figura 11: forma de onda de tenso 1,2/50 s

Figura 12: forma de onda de corrente 8/20 sT1 = 8 s representa o tempo

necessrio para ir de10 a 90% da frente ascendente

T2 = 20 s representa o tempo necessrio para chegar a 50% do valor da frentedescendente

Corrente mxima de descarga [Imax 8/20]: valor de pico da corrente mxima com forma deonda de 8/20 s que o DPS pode descarregar pelo menos uma vez sem quebrar.

Corrente de impulso [Iimp 10/350]: corresponde ao valor de pico do impulso com forma deonda de 10/350 s, com o qual o DPS de Classe I testado. Esta forma de onda usadapara simular o primeiro impacto de um raio.

Figura 13:forma de onda de corrente 10/350 s

100%

50%

T1 = 1.2t (s)

T2 = 50

I

100%

50%

I (picco)

T1 = 8

T2 = 20

t (s)

100%

I (picco)

50%

T1 = 10

T2 = 350

t (s)

I (pico)

I (pico)

Fusvel de proteo: para abordar este assunto, consulte a seo dedicada (Sistemas de back-up: fusveis, disjuntores e disjuntores diferenciais, pgina 32). Comeamos dizendo que inclusivea capacidade mxima permitida indica a qualidade do DPS: quanto maior for esse valor, maiorser a qualidade do varistor utilizado, porque ele ser capaz de suportar e dissipar a energiade maneira autnoma. Isso, claro, se traduz num aumento da vida til do produto.

Disjuntor trmicoO disjuntor trmico tem a funo de desligar o DPS da rede eltrica quando ele atinge o m davida til, e acionado quando a corrente de fuga caracterstica do varistor ca demasiadamenteelevada, devido ao envelhecimento do componente, ou devido a um surto de tenso excessivo.O acionamento do disjuntor trmico indicado por uma pequena janela na parte dianteira docentelhador, que muda de cor, passando, em geral, do verde (dispositivo OK), para vermelho(falha do dispositivo) e, ao mesmo tempo, pode acionar um contato em resposta sinalizaoremota, a qual, por sua vez, pode comandar, por exemplo, um sinal luminoso ou sonoro.O dispositivo de proteo trmica pode ser acionado tambm aps a descarga de uma correntede raio elevada, superior In, para indicar que o DPS no mais capaz de proteger o sistema.

Dispositivo de proteo contra surtos DPS na prtica

Vimos que, de acordo com os mtodos de fabricao, os DPSs podem ser classicados comopor limitao, por comutao e combinados; apresentamos aqui esquematicamente ascaractersticas dos DPSs por limitao e por comutao, que j foram amplamente abordadas,e aprofundaremos a anlise dos DPSs do tipo combinado:

DPS a ignio, ou comutaoVantagens: Desvantagens:- Dimenses e correntes - Tenso de ignio elevada (Up alta)

de descarga elevadas - Corrente residual- Conabilidade- Isolamento galvnico

DPS por limitaoVantagens: Desvantagens:- Tempos de acionamento - No garantem o isolamento galvnico.reduzidos (25 ns) Portanto, a corrente de fuga no zero

- Preciso reprodutibilidade - A capacidade de descarga reduzidadas ignies

- Baixo nvel de proteo contra Up- Ausncia da corrente residual

DPS do tipo combinadoDependendo do tipo de ligao (em srie ou paralela), ser acionado em primeiro lugar, respectivamente, o GDT ou o varistor.

Ligao em srie:

22

U (V)

0 2 4 6 8 t (s)

800600400200

UresO varistor e o GDT esto em srie, a tenso residual elevada, a corrente residual zero.

Detalhes

Este tipo de DPS se caracteriza pela presena de dois componentes ligados em srie, caracterizados por dois nveis de proteo muito diferentes entre si: a que valor de surto detenso o equipamento a ser protegido realmente exposto ?Ao denir o argumento em termos tericos, o fabricante do DPS fornece um dispositivo doqual arma apenas a Up, que dependendo da tecnologia pode ser:

a) Up = Uin (tenso de ignio do GDT)b) Up = Ures (tenso residual do varistor)

Recordamos que importante conhecer o valor da Up, que, para a mesma corrente de descarga, ser tanto menor quanto melhor for o componente.Neste tipo de ligao, a corrente de operao contnua zero (Ic = 0), ento, o varistordura muito mais tempo, porque est sempre ON.Defeitos: neste caso, o GDT comandado pelo varistor, cujo desempenho menor em termosde energia dissipada, pois dissipa a sua prpria impedncia, de modo que a capacidadede descarga pode no ser muito elevada. No entanto, com as tecnologias atuais, ainda possvel ter correntes de descarga elevadas junto com uma vida prolongada dos varistorese correntes de fuga nulas.

23

U (V)

Ures

0 fase 1 fase 2 fase 3 t (s)

O varistor e o GDT so ligados em paralelo, com baixa tenso residual, e nvel de segurana baixo.

Ao contrrio do caso anterior, nesta congurao de circuito, o varistor acionado em primeirolugar, uma vez que caracterizado por tempos de acionamento menores que os do GDT. Nestecaso, a mdia de 20 ns. O fabricante garante que o aumento da tenso nos terminais do varistor determine a ignio do GDT que, desviando-se do varistor, o protege e garante correntesde descarga elevadas.

Vantagens: Desvantagens:- Acionamento mais rpido - A corrente residual no nula (Ures elevada)- Altas correntes de desacarga - A corrente de fuga no nula- Baixo nvel de proteo (Up baixa) - Preciso de acionamento

Ligao em paralelo:

Na ligao em srie, o centelhador e acionado em primeiro lugar: atinge-se a tenso de ignio, o arco surge no centelhador e a tenso residual, que antes caa at a tenso do arco,permanece em valores mais elevados. Isso se deve ao varistor em srie, que, impondo sua tenso residual (muito maior que a tenso do arco) ajuda o centelhador a extinguir o arco eanula a corrente residual.

Vantagens: Desvantagens:- Garantia do isolamento galvnico e - Nvel de proteo elevadoausncia de correntes de fuga (Up alta para uma tenso de ignio elevada)

- No h corrente residual - A capacidade de descarga reduzidadevido alta tenso residual - Alta tolerncia de ignio

(maior que a do varistor)

24

SPD

R T

Vale a equao:

Up/f = Up + U1 + U2Denimos U = U1 + U2

Up/f = Up + U

A norma EN 62305 quanticaU = 1 kV/m para DPSs de Classe I, mas insignicante para as Classes II e III.

Deduzimos, portanto, que fazer ligaes muito longas, seja na direo do DPS ou do equipamento a ser protegido, cria valores de tenso que no podem ser conhecidos e vo sesomar Up do protetor de surto, alterando ou mesmo eliminando a capacidade de proteooferecida pelo DPS.A frmula acima usada para calcular o valor efetivo de proteo vlida para os DPSs queusam varistores. Neste caso, na verdade, a queda U ocorre simultneamente a Up.Se a queda no ocorrer simultaneamente, como ocorre nos centelhadores, preciso escolhero maior valor entre U e Up. Neste caso, a queda indutiva nas conexes ocorre apenas apsa ignio do centelhador. Portanto, ela no se soma Up.Nos DPSs ligados em srie produzidos com varistor + centelhador, a Up total obtida pelomaior valor entre UpGDT e UpVAR. Se forem produzidos com 2 varistores em srie, a Up totalser a soma das Up dos varistores.

Para garantir a proteo oferecida pelo DPS, necessrio tomar uma srie de precaues nafase de instalao, as quais so apresentadas a seguir.O equipamento a ser protegido deve ser ligado barra equipotencial qual o DPS est ligado,e no uma barra equipotencial qualquer presente no edifcio porque ambas so aterradas(Figura 16). Alm disso, o comprimento dos cabos de e para o DPS no deve ser maior que 50 cm.Isso se aplica aos DPSs do Tipo 1, quando so afetados por Iimp (10/350 s).No caso em que as ligaes forem maiores que 50 cm, necessrio fazer a ligao de entradae sada, que sempre recomendada, porque faz com que a contribuio de U seja insignicante. Na conexo de entrada e sada, os cabos de entrada e sada do DPS devem sermantidos separados tanto quanto possvel.

U1

Up

U2

IComo podemos ver, a indutncia parasita dos condutores desempenha um papel fundamental,especialmente se a forma de ondade tenso for caracterizada por umainclinao muito elevada. Se a inclinao da onda for conhecida,podemos calcular exatamente ovalor da U com a seguinte equao:

U = Ldi/dt

onde

L: indutncia do cabo

di/dt: variao da corrente

5 - Tcnicas de instalao

Aps a anlise das caractersticas estruturais e funcionais dos DPSs no mercado, continuamoscom a anlise do processo de instalao, que desempenha um papel importante na proteodos equipamentos: uma instalao malfeita inutiliza at mesmo a presena dos DPSs em um sistema. Comecemos examinando como e onde ligar o DPS, apresentando o conceito de nveleficaz de proteo Up/f. O nvel ecaz de proteo considera, alm da Up do DPS, a quedade tenso nos terminais dos condutores de conexo do DPS.

Ligao de entrada e sada

a + b 0.5 m

SPD SPD

Equi

pam

ento

ase

r pro

tegi

do

Equi

pam

ento

ase

r pro

tegi

do

Barra equipotencialdo plano

Barra equipotencialdo edifcio

Barra equipotencialdo plano

Barra equipotencialdo edifcio

25

I ONI ON I ON

7P.20.8.275.0020

T2RED: DEFECT

SURGE ARRESTED

Uc

In(8/20)

Imax(8/20)

Up

275 V~

20 kA

40 kA

Algumas tcnicas que ajudam a melhorar o nvel de proteo consistem em reduzir a indutnciaentre os condutores. Isso pode ser realizado tranando os os (Figura 14) ou usando cabosblindados (Figura 15). Entretanto, a conexo ideal continua sendo a de entrada e sada.

Apresentamos alguns exemplos de conexes incorretas: o erro mais comum realizar ligaesmuito longas para o DPS.

Ao lado representada a ligao do DPS auma barra equipotencial qualquer. Nestecaso, introduzida a indutncia que liga abarra equipotencial qual est ligado o equipamento a ser protegido com a barraequipotencial qual o DPS est ligado.Neste caso, U a soma das trs contribuies,e Up/f assume valores certamente muito elevados.

SPD SPD

I I

SPD

Figura 14 Figura 15

SPD

U L1

U L2

L1

L2

L3

U L3

Figura 16: conexo incorreta a uma barra equipotencial qualquer

NO !

SPDSPD

SPDSPD

L

N

L

N

Figura 17a: conexes incorretas,os cabos so muitolongos

Figura 17b: conexes incorretas,os cabos so muitolongos

NO ! NO !

26

Figura 18: instalao incorreta.O o terra passado junto com os condutoresprotegidos: pode ocorrer um acoplamento indutivo, anulando o efeito do DPS.

PE

I ONI ON I ON

7P.20.8.275.0020

T2RED: DEFECT

SURGE ARRESTED

Uc

In(8/20)

Imax(8/20)

Up

275 V~

20 kA

40 kA

28

Distncia de proteo

Aps decidir que um equipamento deve ser protegido, necessrio determinar onde instalar oDPS.Quanto mais perto o DPS estiver do equipamento a ser protegido, melhor ser a proteo.Quanto mais se afasta, menos se protege o que interessa, mas possvel aumentar a proteode outros dispositivos.Um DPS instalado num quadro no protege tudo o que vier depois dele; protege-se a certa distncia, de acordo com a tenso suportvel (Uw dos dispositivos conectados). Suponhamosque o dispositivo a ser protegido tenha uma tenso de impulso igual a 2,5 kV. possvel proteg-lo, por exemplo, at 20 m, mas se a Uw for igual a 4 kV, ser possvel proteg-lo, porexemplo, a uma distncia de at 40 m. Esses valores so apenas exemplos e no tm nenhumabase terica ou prtica.Atualmente, a norma no estabelece limites para a capacidade de proteo de um DPS localizado a 10 metros do equipamento a ser protegido, mas podemos supor que, no futuro, adistncia mxima de proteo talvez no ultrapasse os 3 m. Para garantir a proteo oferecidapelo DPS instalado, sempre melhor vericar a equao: Up/f < Uw/2 (EN 62305).

Vamos analisar o que fazer caso se interponham juntas de material isolante com elevada resistividade eltrica nas tubulaes metlicas (massas estranhas), que criam problemas gravesem caso de surtos de tenso.Geralmente, em relao as anges, suciente instalar acopladores em "U" para assegurar acontinuidade eltrica que no assegurada pelos parafusos. Em aplicaes muito raras pode ser necessrio instalar um DPS, nesse caso, o cumprimentomximo das ligaes de 40 cm.

SPDU

ange isolante

29

Detalhes

A necessidade de estabelecer a distncia mxima de proteo provm dos fenmenos complexos relacionados s ondas reetidas, nas quais uma onda de tenso, caso chegueao nal da linha e encontre uma carga no ajustada, se reete, volta para trs e se sobrepe onda de tenso que est se propagando.Isso signica que, se o surto de tenso residual (Ures), que permanece nos terminais do DPSpropagarem-se pela linha e encontrar no m da linha um circuito aberto, ele ser reetido,voltar para trs e, pelo fenmeno das ondas estacionrias, a tenso no m da linha (e,portanto, nos terminais do aparelho) pode at mesmo dobrar, atingindo um valor igual 2Ures.

Se o comprimento dos cabos for maior que 10 m, a distncia de instalao pode ser calculada com a seguinte frmula: Lpo = [UN - Up/f]/K [m]

com K=25 V/m

Imagine que ocorra um aumento na tenso total a cada metro igual a:

U = 2S

onde

S: varia de acordo com a inclinao da forma de onda: 0,8 - 0,9, representam valores conservadores e razoveis

: o tempo necessrio para percorrer o trecho de cabo

= L/v

onde

v = velocidade de propagao da onda.

Assim, podemos obter K: K = 2S

Assim, a queda por metro de cabo U = KL [V/m]

Ento: Up/f + K Lpo < UW (esta frmula no se aplica a menos de 10 m)

Muitas vezes, no possvel instalar um nico DPS para proteger todos os equipamentossensveis. Portanto, necessrio instalar dois ou mais DPSs para que os equipamentos sejaminstalados dentro da distncia de proteo oferecida pelo DPS. Para isso, necessrio instalar os DPSs em cascata de tal forma que estejam coordenados do ponto de vista da alimentao.Dois ou mais DPSs coordenados na alimentao constituem um SISTEMA de DPSs.

30

A gura a seguir mostra um sistema de proteo contra surtos de tenso para um sistema TT trifsico.Neste caso, utiliza-se um DPS Tipo 1 de baixa Up, a pelo menos 5 m de distncia instaladoum DPS Tipo 2; e, em relao aos usurios nais (embora a pelo menos 1 m de distncia doT2), um DPS Tipo 3.

Os DPSs Tipo 1 da Finder garantem valores baixos de Up, semelhantes aos valores dos DPSsTipo 2 da Finder. Isso foi possvel somente com o uso de varistores de qualidade.Um sistema de proteo semelhante, mas com correntes de descarga maiores, obtido com acombinao de DPSs dos Tipos 1 e 2. Eles executam exatamente as funes dos DPSs de Classe Ie Classe II instalados em cascata (observe que Classe e Tipo so sinnimos).

Figura 20: coordenao de energiaentre DPS Tipo 1, Tipo 2 e Tipo 3

Sistema de DPS e coordenao de energiaUm sistema de DPS obtido atravs da ligao sucessiva de pelo menos dois DPSs com coordenao de alimentao. Essa expresso signica que a energia que atravessa o primeiroDPS compatvel com a energia que o DPS instalado depois capaz de suportar.A coordenao ocorre distanciando adequadamente os DPSs, atravs da insero de umaindutncia de valor adequado. Essa indutncia, dadas as frequncias presentes, introduzidaautomaticamente pelos cabos utilizados no sistema eltrico. As normas estabelecem 1 H/m,o que signica que, se dois DPS forem separados por 5 m, devemos inserir entre os dois dispositivos uma indutncia de 5 H.O valor mnimo da indutncia a ser inserida ou, em outras palavras, o comprimento do cabotil, em metros, para distanciar os produtos, declarado pelo fabricante. Esse valor, portanto, o mnimo necessrio para assegurar uma diviso dos surtos de tenso em termos de alimen-tao entre o DPS inicial e o DPS instalado depois dele. Dessa forma, o primeiro absorve aenergia de forma a no danicar o segundo (apndice 4 da norma EN 62305). Suponhamos que queremos proteger um edifcio contra surtos de tenso, instalando no quadrode distribuio principal um DPS de Tipo 1 e, no quadro instalado em um ponto posterior, umDPS de Tipo 2.Muitas vezes, um DPS na entrada da linha suciente para reduzir as chances de descargasperigosas e, portanto, incndios: o DPS de Classe I evita a morte de pessoas, mas no protegeos equipamentos. Essa tarefa realizada por um Sistema de DPS.Portanto, necessrio instalar um DPS de Classe II mais prximo dos equipamentos a seremprotegidos.Na proximidade de equipamentos eletrnicos sensveis e caros (TVs, PCs, etc.), deve ser instalado um DPS Tipo 3.

31

Figura 21: coordenao de energiaentre DPS de Tipo 1+2,Tipo 2 e Tipo 3

Os DPSs Tipo 1+2, os 7P.0x, fornecem, para todos os efeitos, a proteo oferecida por umDPS Tipo 1 e um DPS Tipo 2 perfeitamente coordenados. Na Figura 21, o DPS de Classe II foiadicionado assumindo um sistema com uma determinada extenso, mas, em sistemas de pequeno porte, nos quais a distncia de proteo observada, o DPS Tipo 2 no pode ser instalado (Figura 22).

Figura 22: coordenao de energiaentre DPSs Tipo 1+2 e Tipo 3

Figura 23: coordenao de energia num sistemadistribudo em vrios nveis

7P.2x

quadro principal

7P.2x

quadro secundrio

quadro secundrio

7P.0x

7P.3x

quadro secundrio

quadro secundrio

7P.2x

32

Sistemas de back-up: fusves, disjuntores e disjuntores diferenciais

Os DPSs podem ser instalados com ou sem fusveis.

F1 representa o dispositivo de proteo principal para sobrecorrente. Se F1 maior que o valorde corrente indicado no catlogo como "Proteo mxima para sobrecorrente", ento o DPSdeve ter proteo com um fusvel de back-up nos seguintes valores:

Para DPS Tipo 1+2 (7P.0x): 250 APara DPS Tipo 1+2 (7P.1x): 160 APara DPS Tipo 2 (7P.2x): 160 A

No vantajoso utilizar fusveis de dimenses menores que as indicadas, pois isso causa a reduo do desempenho do DPS: se forem subdimensionados, na verdade, os fusveis explodirocom correntes de raio mais baixas do que as indicadas nas caractersticas do DPS, reduzindo,assim, o desempenho.Um argumento semelhante pode ser apresentado se forem usados disjuntores diferenciais e disjuntores simples: no laboratrio, foram testados vrios disjuntores de curva C, com In de 25 Ae 32 A: durante a passagem do surto de tenso com forma de onda de 8/20 s, eles foramacionados, abrindo os contatos como se houvesse uma falha. Os valores em questo erammuito baixos: falamos de correntes de 5 kA contra os 20 kA de corrente nominal do DPS. Assim,ca claro que inserir um disjuntor automtico de back-up causa a reduo do desempenho doDPS que, assim, funcionar corretamente somente sob correntes mais baixas.

Em concluso, portanto, os testes realizados permitem observar que disjuntores de 63 A, curva C,permitem que o DPS opere a at 38 kA, contra seus 40 kA de Imax, ainda insucientes para declarar a perfeita correspondncia com as caractersticas eltricas do DPS. aconselhvel,portanto, usar sempre fusveis que no piorem de modo algum a Up/f e cuja operao seja padronizada, independentemente do fabricante. importante vericar, em um DPS com centelhador, se o valor nominal de corte da corrente residual maior do que o valor da corrente de curto-circuito no ponto de instalao.Os DPSs sem fusvel da Finder tm uma capacidade de extino da corrente residual igual a100 A. Com o uso do fusvel, a capacidade corrente de curto-circuito aumenta at 35 kA.

Para determinar quandoinstalar os fusveis, podemos consultar o esquema:

Isso signica que: Apenas uma parte do surto de tenso ser limitada O DPS no sofrer danos, mas ser desligado do sistema at

que um operador rearme o disjuntor A norma no probe, mas arma que os diferenciais aumentam a Up/f,

o que reduz a distncia de proteo e aumenta a exigncia sobre os isolamentos Os disjuntores de diferentes fornecedores so muito diferentes entre si.

Portanto, no possvel determinar antecipadamente seu comportamento com o DPS.

33

Neste caso, o fusvel protege, alm do DPS, o dispositivo a ser protegido. Se um fusvel queimarporque o DPS foi danicado devido a um surto de tenso elevado, ocorre uma paralisao.

Se a alimentao for priorizada, os fusveis protegero apenas o DPS. Nesse caso, se um fusvelfor acionado porque o DPS foi danicado por um surto de tenso elevado, o aparelho continuar funcionando. O servio no se perde, mas o aparelho no estar mais protegido.Se for considerado oportuno, o sistema de proteo contra surto de tenso pode ser repetidoduas vezes.

Prioridade da proteo:

Prioridade da alimentao:

As protees de back-up podem ser instaladas para privilegiar a proteo ou a continuidadeda fonte de alimentao (ou seja, o servio) do dispositivo a ser protegido.

Conexo srie (V-Shape)A conexo srie (V-Shape) permite instalar com eficcia a proteo eliminando a tenso induzida pelos terminais do DPS, durante o dreno de sobrecorrente. O limite desta instalao dado pela corrente nominal do sistema que deve atravessar o borne duplo de conexo doDPS e no pode ultrapassar 125 A.

125 A

125 A

125 A

34

Ao retomar as imagens acima, podemos dizer que os condutores de ligao do DPS devem sercurtos e retos, tanto quanto seja possvel. As sees dos condutores de ligao entre o DPS eos condutores da linha de energia so os mesmos usados na sistema eltrico no ponto de instalao do DPS. As sees dos condutores de aterramento devem ter sees mnimas bemdenidas, conforme mostrado na tabela (para condutores de cobre):

DPS Seo mnima mm2

Classe I 6Classe II 4Classe III 1.5

Para sistemas em que a corrente nominal maior que125 A, se deve proceder coma instalao convencional do DPS em paralelo ao sistema (T-Shape).

Condutor de conexoDependendo do tipo de conexo, serial (V-Shape) ou paralela (T-Shape), deve-se atentar paraque o comprimento e seo mnima dos condutores sejam respeitados:

35

No sistema TN, o neutro est diretamente ligado ao aterramento. As massas so ligadas diretamente ao condutor do neutro (TN-C) ou atravs de um condutor de proteo (TN-S). Se ocondutor neutro tambm servir de condutor de proteo, levar o nome de PEN.

Fazendo referncia Verso 2 da norma CEI 64-8, o modo correto de instalao dos DPSsexige a conexo do Tipo A, que prev a instalao dos DPSs entre os condutores ativos e ocondutor principal de proteo ou entre os condutores ativos e o coletar principal de terra. Entreos dois, deve ser escolhido o caminho mais curto.

SISTEMA TN

R T

UTENZA

CABINA

PEN

PE

TN-C TN-S

N

6 - Aplicaes industriais

Premissa

No campo industrial, os critrios de instalao so semelhantes aos do setor civil. A diferenareside apenas no nmero de fases. As instalaes industriais podem ser TN, IT e TT, sendo queos ltimos tambm se aplicam ao setor civil.A norma EN 60364, da qual deriva a CEI 64-8, dene trs tipos de sistemas de distribuioque diferem de acordo com o aterramento do sistema dos condutores ativos e com o aterramentodas massas:

Para a sua classicao, usam-se duas letras que assumem os seguintes signicados:

1 letra: T = o neutro aterrado1 letra: I = o neutro no aterrado, ou aterrado atravs de uma impedncia

2 letra: T = massas aterradas 2 letra: N = massas ligadas ao neutro do sistema

Comeamos, assim, a analisar os mtodos de instalao dos DPS no setor industrial, mais complexo por ser mais articulado, analisando em ordem os sistemas TN, IT, e, nalmente, o sistema de TT, que servir como ponte para os sistemas civis.

Sistema TN

CABINE

USURIO

36

Em relao ao quadro secundrio, um sistema TN-C pode tornar-se um TN-S, e, como dispositivosde proteo contra contacto indireto, possvel usar disjuntores diferenciais (RCD), como mostraa Figura 25.

No quadro principal, depois dos dispositivos de corrente mxima, instalado um DPS Tipo 1;no quadro secundrio, antes do disjuntor diferencial, um DPS Tipo 2, que ser do tipo 4+0,equipado com 4 varistores.Depois do disjuntor diferencial, podem ser usados o DPSs de Classe II na congurao 1+1.

PEPEN

N

SPD SPD SPD

R T

Figura 24: conexo do Tipo A: DPS entre condutores ativos e o PEN

Figura 25: conexo do Tipo A e coordenao de energia realizada com o DPS da Finder

RCD

7P.13 7P.25 7P.22 7P.32

Main EBB Local EBB Local EBB Local EBB

LPS

PEN PEPE

Quadro secundrioQuadro principal

37

Z n

R T

UTENZA

CABINA

Apertoo altaimpedenza

N

Sistema IT

No sistema IT, o neutro isolado ou aterrado atravs de uma impedncia de valor elevado(para 230/400 V, centenas de ohms), enquanto as massas so conectadas a um terra local.Este um sistema usado para instalaes com requisitos especcos de continuidade de operao.Alm disso, esse tipo de instalao exige a conexo de Tipo A.

Como dissemos, o sistema IT utilizado em certas condies, por exemplo, nas indstrias emque a produo no podem ser interrompida sob nenhuma circunstncia. Na primeira falha,um sistema IT passa a ser um TT ou TN, de modo que o sistema continue funcionando corretamentepara que a produo no pare. Na primeira falha, o PE assume o potencial da fase defeituosa,mas isso no problema, pois o PE e todas as partes que possam ser tocadas simultaneamenteassumem o mesmo potencial para que no possam surgir tenses perigosas. Isso implica que,na fase de projeto das protees contra surtos de tenso em um sistema IT de 230/400 V, emcaso de defeito no DPS, exista uma tenso de 400 V, no DPS que no apresente defeitos. Dependendo do tipo de IT, seja o neutro distribudo ou no-distribudo, deve-se escolher DPSsadequados levando em conta a tenso que pode surgir em caso de falha no DPS.

SPD SPD SPD

R T

Z nApertoo altaimpedenza

PE

Figura 26: conexo do Tipo A: DPS entre condutores ativos e o PE

CABINE

USURIO

aberto oude alta impedncia

aberto oude alta impedncia

38

Sistema IT com Neutro NO distribudo

Un 400 V AC

SPD L-PE:Uc = 600 V AC

portanto:

3 x SPD Uc = 600 V AC

PEN

SPD SPD SPD

Para o sistema IT com neutro distribudo o valor nominal de interrupo da corrente residualpara o DPS conectado entre entre neutro e PE deve ser o mesmo que para o DPS conectadoentre fase e neutro.

39

Sistema TT

N

R T1

R T2

UTENZA

CABINA

No Sistema TT: o neutro diretamente aterrado, ao passo que as massas so ligadas a um sistema de terra local separado do sistema do neutro.

Com referncia Verso 2 da norma CEI 64-8, no sistemas TT, os DPSs podem ser conectados rede eltrica de acordo com a conexo "Tipo B ou Tipo C. A conexo Tipo B prev osDPSs ligados entre cada um dos condutores ativos e o condutor principal de proteo, ou, seo caminho for menor, entre cada um dos condutores ativos e o coletor principal de terra.

N

PE

SPD SPD SPD SPD

SISTEMA TT - B

R T1

R T2

N

Figura 27: conexo do Tipo B: os DPSs ligados s fases e ao neutro so aterrados

CABINE

USURIO

A conexo de TipoC prev a conexodos DPSs entre cadacondutor de fase e oneutro, e entre ocondutor de neutro eo condutor de proteoou, se o percurso formais curto, entre oneutro e o coletorprincipal de terra.

Na conexo de Tipo B, os DPSs so conectados aps o disjuntor diferencial, para que umeventual surto de tenso atravesse o disjuntor diferencial antes de chegar ao DPS. Isso signicaque um diferencial normal, aps todas as solicitaes eletrodinmicas associadas aos surtosde tenso, pode explodir ou simplesmente abrir-se, interrompendo o circuito. Os diferenciaisdo tipo S so testados, entre outras coisas, com 10 impulsos de surto de tenso com forma deonda de 8/20 s e 3 kV de amplitude, a m de evitar o acionamento tempestivo, permitindoque o DPS funcione corretamente. Isso, no entanto, vale apenas para valores baixos de surtosde tenso, mas at eles podem ser destrudos.Ento, convm instalar os DPS antes do disjuntor diferencial, conforme descrito na conexo deTipo C. Nesse caso, no entanto, os DPSs devem estar na congurao 3+1: varistores entrefase e neutro, GDT entre o neutro e a terra.

importante manter a congurao 3+1 porque, com quatro varistores (congurao 4+0),cria-se um ponto fraco potencialmenteperigoso no sistema.Imagine que instalamos em um sistema TT um DPS fabricado com4 varistores ligados de acordocom a conexo Tipo B antes dodisjuntor diferencial.Em caso de falha de um varistor,uma determinada quantidade decorrente segue em direo terra, levando tenso as massas.O disjuntor diferencial, por estaraps a falha, no a detecta e noabre o circuito. Assim, as massasligadas ao aterramento so submetidas a uma tenso perigosapara as pessoas.

N

SPD SPD SPD

PE

N

SISTEMA TT - C

R T1

R T2

SPD

Figura 28:conexo do Tipo C: os DPSs so conectados entre a fase e o neutro e entre o neutro e a terra

PE

N

SPD SPD

R T2

SPD

40

41

Interpondo um GDTentre o neutro e aterra, podemos resolver este problema:

N

E/I

SPD SPD SPD

A TT - C

R T2

R T1

Figura 29: Conexo de um DPS equipado com Varistores +GDT antes do disjuntor diferencial

kWh

SPD

SPD

SPD

PEL

N

Figura 30: edifcio equipado compra-raios (SPDA).DPS sempre antes dodisjuntor diferencial

Com a congurao 3+1, as massas ligadas depois do disjuntor diferencial no podem receber tenso em caso de falha do varistor, pois o GDT garante isolamento eltrico com oaterramento, proporcionando segurana s pessoas.

Se o edifcio estiver equipado com um pra-raios (SPDA), deve ser usada a conexo do Tipo C.No permitido usar a conexo Tempo B.Isso se deve ao fato de que, quando um raio descarregado na terra atravs da queda, o sistema de aterramento recebe tenso. O DPS atua fechando o pico de tenso na linha cujo potencial est em 0. Os equipamentos conectados ao sistema so estimulados por um pico detenso igual Ures do DPS.

42

RCD

7P.14 7P.24 7P.22 7P.32

Main EBB Local EBB Local EBB Local EBB

LPS

Figura 31: conexo do Tipo C e coordenao de energia realizada com o DPS da Finder

RCD

7P.04 7P.22 7P.32

Main EBB Local EBB Local EBB

LPS

Tipos de proteo dos DPSsEm resumo, podemos dizer que os DPS podem ser ligados de diversas maneiras, conforme descrito acima, de acordo com as ligaes do Tipo A, Tipo B e Tipo C, conforme expostona tabela (CEI 64-8/2):

DPS ligado entre Congurao do sistema no ponto de instalao do DPS

cada condutor: Conexo tipo A Conexo tipo B Conexo tipo C

Fase e o neutro NA NA

Fase e o PE NA NA

Neutro e o PE NA

Fase e o PEN NA NA

Condutor de fase + + +

- Exigido

NA - no se aplica

+ - opcional, adicional

Figura 32: conexo do Tipo C e coordenao de energiarealizada com o DPS da Finder do tipo combinado

43

7 - Aplicaes em obras civis

Muitas vezes, pensa-se que no necessrio instalar protetores de surtos de tenso em sistemascivis, tais como casas, apartamentos, vilas, mas se esquece que esses sistemas tambm estoligados a uma linha de mdia tenso de alimentao, com certa extenso, e sujeita a surtos detenso de manobra e impactos diretos indiretos de raios. A proteo ideal conseguida atravsda instalao, no quadro principal, de um DPS de Classe I em relao ao ponto de entrada daenergia eltrica, aps o medidor. No quadro secundrio, instalado - de acordo com a coordenao de energia - um DPS de Classe II. Como alternativa, possvel instalar no quadroprincipal um DPS combinado de Tipo 1+2, que realiza as duas funes (poupando dinheiro etamanho).

DPS de MTNa linha MT de distribuio de eletricidade, so instalados DPSs para a proteo de aparelhosdedicados operao normal da linha, e os DPSs de MT podem ser instalados nas cabinestransformadoras para a proteo dos transformadores. Nesse caso, aumenta da probabilidadede falha dos eletrodomsticos: durante a operao do DPS, o sistema de aterramento da casapode chegar a tenses da ordem de dezenas de kV, que encontramos nos eletrodomsticos.Vejamos por que: Suponhamos que h um DPS por MT instalado perto de uma casa, como naFigura 33.

quadro principal

quadro secundrio

R T1R T

Linha rea MT

SPD(MT)

condutor de terra

instalao de terra do poste

instalao do terra de cabine

Figura 33: exemplo de proteo por DPS para MT instalada perto de uma casa

O poste equipado com um sistema de aterramento, assim como uma casa.Suponhamos que um surto de tenso com forma de onda de 8/20 s e amplitude de 2 kA sepropague pela linha.Quando ele encontra o DPS, ele entra em ao, descarregando a corrente para a terra.Entre a linha e a terra, temos uma diferena de potencial indicada pela soma de trs fatores: A tenso residual do DPS. Ures=1,5 kV A queda de tenso ao longo do condutor de aterramento do poste (U = 2 kV) O valor da tenso suportado pelo aterramento a descarga.

Pressupondo uma resistncia de aterramento de 5 , Ut = 10 kV

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Figura 34: aplicao dos DPSs nossistemas monofsicos

Conforme mostrado na Figura 34, o DPS deve ter a congurao 1+1. Portanto, deve haverum GDT que garanta o isolamento eltrico entre o neutro e a terra. Em caso de falha, isso garante que no haver tenses perigosas nas massas ligadas terra.Depois do disjuntor, possvel instalar um DPS com varistor e GDTs ou dois varistores.

Nos terminais do aparelho do usurio, haver, ento, um surto de tenso igual a:

U = Ures + U + Ut = 1.5 + 2 + 10 = 13.5 kV

apparecchioutilizzatore

R T

linea aerea MT

SPD(MT)

conduttoredi terra

impiantodi terradel palo

Ures

Ut

U

U

DPS instalado antes ou depois do disjuntor diferencial?Para os sistemas TT domsticos, recomenda-se instalar o DPS antes do disjuntor para proteg-loe para no precisar usar disjuntores de retardo (analise as caractersticas dos disjuntores TipoS e suas restries previstas nas normas).

Perceba que a forma de onda considerada neste exemplo refere-sea um surto de tenso induzido.No estamos falando do impactodireto de um raio. No entanto, astenses a que esto sujeitos os isolamento dos aparelhos aterradosso muito elevadas, e a probabilidadede danos irreparveis muito elevada.Com a introduo de um sistemaadequado de proteo contra picosde tenso, vivel mesmo com DPSsdo Tipo 1+2, o pico de tenso proveniente do aterramento se fechanovamente na linha, protegendo,assim, os aparelhos eletrnicos conectados rede e ao sistema deaterramento.

linha area MT

condutorde terra

Equipamentode utilizao

instalao de terrado poste

DPS(MT)

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CEI 64-8 Verso 3

A seguir, analisamos a Verso 3 da norma CEI 64-8, que prescreve o uso do DPS em ambientesresidenciais: "Lembre-se que um circuito eltrico de um sistema o conjunto de componentesde um sistema, alimentados por um nico ponto e protegidos contra surtos de tenso por umnico dispositivo de proteo". Deve-se notar que, nesses casos, de impacto de um raio, o riscomais provvel est ligado aos prejuzos nanceiros - (L4-R4) perda de aparelhos tais como televisores, mquinas de lavar loua, condicionadores de ar, aparelhos de som, etc., excetonos casos em que o componente R1 for alto. A Verso 3 analisada destacando alguns aspectosdo sistema, que remetem o leitor Verso 3 da norma.

Aspectos gerais

A nova Verso 3 da norma IEC 64-8 Sistemas eltricos de usurios com tenso nominal nosuperior a 1000 V em corrente alternada e 1500 V em corrente contnua" entrou em vigor em01/09/2011 e se refere s unidades imobilirias de uso residencial unifamiliar ou miltifamiliar,ou no interior de condomnios.O pacote de regras visa garantir a segurana das pessoas, da propriedade, e a melhorar odesempenho e a conabilidade das instalaes domsticas.A Verso 3 se aplica s instalaes novas e a reformas completas de instalaes existentes emcaso de reestruturao.A Verso 3 introduz pela primeira vez o conceito de desempenho da instalao, que expressoatravs de trs nveis (L1, L2 e L3) que diferem entre si essencialmente pela estrutura e peloequipamento mnimo que caracteriza o sistema eltrico.

Os trs nveis tm o seguinte em comum:

I. Potncias mnimas de 3 kW para unidades residenciais com menos de 75 m, e de 6 kW para metragens maiores.

II. A instalao deve ser dividida em pelo menos dois circuitos separados, cada um com seu disjuntor diferencial, para reduzir o tempo de inatividade em caso de falha. Se, aps o medidor, estiver instalado um disjuntor diferencial, ele deve assegurar a separao total em relao aos disjuntores diferenciais instalados antes do medidor. Se o disjuntor principal do sistema for do tipo disjuntor diferencial, ele deve ser equipado com aparelho de rearme automtico.A Verso prev a utilizao de novos tipos de disjuntores de acordo com a carga instalada na linha, por exemplo, disjuntores do Tipo A para a proteo dos circuitos de alimentao de mquinas de lavar e/ou condicionadores de ar xos.

III. O quadro principal da casa DEVE conter o condutor de proteo proveniente do aterramento da construo, a m de permitir o aterramento adequado do DPS.

Nveis de desempenho

L1: Nvel mnimo estabelecido pela Verso 3 da norma IEC 64-8: prev pelo menos dois disjuntores diferenciais e um nmero mnimo de tomadas e soquetes de luz, dependendo da metragem quadrada e do tipo de cada local.

L2: em relao ao L1, prev um nmero maior de componentes no sistema, bem como servios auxiliares: - Vdeo interfone

- Alarme antifurto- Sistemas de controle de cargas

L3: equipamentos amplos e inovadores: automao residencial que proporcione a economia de energia dentro do imvel.

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Um sistema de automao residencial deve gerenciar pelo menos quatro das seguintes funes:- Controle dos cenrios (persianas, etc.)- Alarme antifurto- Gesto do comando de luzes- Gesto da temperatura, mesmo remotamente- Controle de cargas- Sistemas anti inundao e/ou de deteco de gs- Sistema de alto-falante- Deteco de incndio

Lista incompleta - apenas ilustrativa - das funes individuais de automao que podem ser incorporadas aos nveis L1 e L2.

A Verso 3 na prtica

Cada imvel deve ser equipado com um ou mais quadros de distribuio. Os quadros devemprever pelo menos dois mdulos livres para modicaes subsequentes na instalao. O ideal que prevejam 15% dos mdulos a mais em relao aos mdulos efetivamente utilizados.Deve-se chegar ao quadro principal de distribuio diretamente do condutor de proteo proveniente do aterramento da construo, para o aterramento adequado do DPS.Deve ser instalada, no quadro principal, uma chave geral de fcil acesso para o usurio. Se achave geral for um disjuntor diferencial, ele deve garantir a separao total em relao s protees que se encontram depois dele. Recomenda-se usar disjuntores diferenciais caracterizados por uma elevada resistncia a desarmes indesejados.Em aplicaes civis, o sistema de distribuio utilizado o TT, que tambm prev o uso de disjuntores do tipo AC que funcionam corretamente com correntes diferenciais da natureza senoidal, mas no so muito sensveis a correntes em direo terra com componentes contnuos.Como j foi dito, a Verso 3 prev a instalao de disjuntores do tipo A ou B nas linhas dedicadas, por exemplo, para alimentar mquinas de lavar roupa ou condicionadores de ar.Isso ocorre por causa dos conversores estticos utilizados na alimentao DC e para o comandodo motor.Os disjuntores do tipo A so adequados a correntes alternadas senoidais, tais como o tipo AC,mas tambm so adequados para componentes unidirecionais e chaves unidirecionais superpostas a componentes contnuos.Os disjuntores do tipo B tm o desarme assegurado como ocorre nos disjuntores do tipo A,alm de serem acionados para correntes alternadas senoidais com frequncia mxima de 1000 Hz,para correntes diferenciais pulsantes unidirecionais reticadas, e para correntes diferenciaiscontnuas.

Pontos de amostragem de energia e comando

Junto a tomadas de telefone e transmisso de dados, necessrio prever pelo menos uma tomada eltrica.As tomadas de TV previstas na tabela A da Verso 3 devem estar preparadas para seis tomadaseltricas.O interruptor de luz de um local deve ser instalado perto da porta, dentro ou fora do local. Seo comando de luzes for para luminrias externas, ele deve ser dotado de uma luz de indicaoligado.

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Exemplo de instalao para aplicao residencial

Quadro modular conforme CEI 64-8 V3

Tomada protegida por DPS coordenadocom o DPS instalado no quadro d