Informe tcnico Aplicao de para-raios em ambientes de temperatura elevada

(acima de 40oC)

1. Introduo Os para-raios para aplicao em sistema de potncia fabricados mundo afora e tecnologicamente atualizados so hoje produzidos com resistores no lineares de xidos metlicos (varistores), tendo o xido de zinco (ZnO) como base. Para a maioria das aplicaes em mdia tenso so fabricados com invlucros polimricos, ainda existindo invlucros em porcelana apenas para as aplicaes em alta e extra alta tenso, e apenas nas situaes em que elevadas cargas mecnicas estticas so esperadas. Segundo a Normalizao vigente [1,2], os para-raios so fabricados e testados para operar nas chamadas condies normais de operao, dentre as quais, com respeito temperatura ambiente, na faixa de -40oC 40oC. Os varistores de ZnO so confinados nos invlucros dos para-raios, e sua dissipao de calor para o ambiente limitada pelos materiais destes invlucros. Na execuo dos ensaios de tipo Normalizados em para-raios em que se verifica a estabilidade trmica dos para-raios na sua condio mais severa (envelhecido, aquecido, aps a injeo da sua energia mxima suportvel, e em condio de sobretenso no sistema eltrico no qual ele esteja instalado, tudo isso ao mesmo tempo, veja em Ensaio de Ciclo de Operao Operating Duty Test), na etapa do ensaio em que os surtos e sobretenses so combinados, o para-raios em teste ser pr-aquecido 60oC. Com o aquecimento 60oC, o que se pretende considerar a mxima temperatura ambiente (40oC) combinada com o aquecimento prprio do para-raios e com o efeito da radiao solar mxima incidente, considerada como 1,1 kW/m2 (ver em [1] seo 5.4.1) 2. Analizando a questo da estabilidade trmica A estabilidade trmica de um para-raios um dos principais critrios no dimensionamento da aplicao de para-raios. Ela divide com a caracterstica de proteo o primeiro lugar nos critrios de dimensionamento, e ambas caractersticas so concorrentes e contraditrias, como veremos adiante (ver seo 4 em [3]). 2.1 Temperatura e corrente de fuga A primeira informao importante que a temperatura sobre o varistor provoca alterao em sua corrente de fuga resistiva (apenas a componente resistiva da corrente de fuga deve ser

considerada, j que a componente capacitiva no produz calor por efeito Joule veja em [3], seo D.1.7.2). Quanto maior a temperatura, maior a corrente de fuga para uma mesma tenso. A dependncia da temperatura na curva caracterstica tenso x corrente de varistores de ZnO ilustrada na figura 1 abaixo.

Figura 1 Curvas caractersticas de Varistores de ZnO Dependncia da temperatura, adaptado de [4]

2.2 Calor injetado x troca de calor Para verificar a estabilidade trmica de um para-raios tomamos um grfico de calor injetado x dissipao de calor, como por exemplo o mostrado abaixo, retirado de [5]. No grfico observamos duas curvas, a vermelha ilustra o calor injetado no para-raios (Pel), composto pela potncia continuamente dissipada pela tenso continua (calor gerado pela componente resistiva da corrente de fuga) mais o calor injetado em eventuais surtos ou sobretenses. A curva azul ilustra a capacidade de troca de calor do invlucro (Pth), ou a habilidade de resfriamento de um dado para-raios.

Para-raios de mdia tenso classe 1

0,000

0,500

1,000

1,500

1 10 100 1000 10000Corrente resistiva (uApk)

Ten

so

(p.

u. de

U

c) 203040506070

Temperatura (o C)

Figura 2 Curvas de calor injetado (Pel) x dissipao de calor (Pth)

A figura a direita ilustra estas duas situaes. Em uma determinada condio de tenso de trabalho e temperatura ambiente, ocorre o equilbrio entre a potncia dissipada continuamente e a troca de calor do invlucro, que corresponde ao ponto de cruzamento das duas curvas esquerda, chamado ponto de operao estvel operao normal. Quando em operao normal acontece um evento de injeo de energia no para-raios, ele ganha temperatura, se deslocando ao longo da curva vermelha direita. Numa situao como essa, os varistores ganham dezenas ou at algumas centenas de graus, o que faz com que a corrente de fuga imediatamente aps o evento aumente drasticamente (ilustrado pelo crculo tracejado na figura). Para a garantia da estabilidade trmica deve ocorrer como na figura, que mostra que naquele ponto de temperatura atingido pelos varistores o invlucro possui uma maior capacidade de dissipao do que o calor gerado, visualmente a curva de capacidade de dissipao (azul) est acima da curva do calor injetado (vermelha). Desta forma o para-raios consegue se resfriar ao longo do tempo, retornando a temperatura ao ponto de equilbrio (encontro das curvas esquerda). Observando as curvas encontramos tambm um ponto de interseco destas direita, em uma temperatura bastante elevada. Este ponto chamado limite de estabilidade trmica, e ao atingi-lo se atinge a instabilidade trmica. A progresso desta situao leva o para-raios falha, desencadeando um processo que chamamos avalanche trmica (do ingls Thermal runaway), pois o calor gerado se torna maior do que a capacidade de dissipao trmica do para-raios. Esta

situao terminal para o para-raios, e culmina em um curto-circuito, com o completo e irreversvel dano do para-raios. 2.3 Estabilidade trmica x temperatura ambiente Isso compreendido, vamos agora analisar a situao da operao em temperatura ambiente mais elevada. Como ilustrado nas curvas da figura 1 e exposto no texto, a corrente de fuga resistiva que produz calor em regime permanente no para-raios, e esta dependente da temperatura. Quando o para-raios deve operar em temperatura ambiente acima da mxima normalizada, se no se levar isso em conta no dimensionamento do para-raios, o ponto de equilbrio trmico (calor gerado x dissipao trmica) das curvas da figura 2 se deslocar para uma temperatura mais elevada, resultado da maior corrente de fuga somada maior temperatura ambiente. Considerando que o para-raios tem a mesma construo, i.e., sua capacidade de dissipao trmica no se altera, esta situao seria equivalente a deslocar a curva vermelha da figura 2 para cima. Desta forma, claro verificar que existe uma reduo na margem de trabalho trmico do para-raios, que definida pela rea formada pelas interseces das duas curvas. Daqui tambm fica claro que o limite mximo de estabilidade trmica (ponto direita das curvas) tambm ficar mais abaixo, de forma que o para-raios atinge a condio de instabilidade antes do que em condio normal, ou com uma injeo de energia menor. Fica muito claro que necessrio que a temperatura de trabalho acima da mxima normativa seja levada em conta no dimensionamento do para-raios, ver seo 4 adiante. 2.4 Capacidade de absoro de energia. Em razo do deslocamento da curva de calor injetado (vermelha) da figura 2, de se prever uma reduo na mxima capacidade de absoro de energia do para-raios, se no houver a compensao citada adiante (ver seo 4). Isso porque a quantidade de energia necessria para se atingir a temperatura do ponto de instabilidade trmica ser menor. Um pequeno estudo sobre esse tema segue abaixo, com o apoio do programa ATP Draw [6], baseado no trabalho publicado por Woodworth [7]. No circuito abaixo, implementado no ATP Draw, um para-raios de tenso nominal (Ur) 10 kV, MCOV (Uc) 8,4 kV (muito utilizado nos EUA) submetido a uma forte sobretenso sustentada em frequncia industrial de 1,58 p.u. por 130 ms. Esta sobretenso foi calculada para aplicar ao para-raios sua mxima energia suportvel, para este modelo de para-raios (tipo distribuio classe 1) estimada em 2,0 kJ/kV de Ur.

Figura 3 Modelo simplificado para estudo de transitrio de tenso no ATP Draw [7]

O brao direito do circuito utiliza funes matemticas do ATP para integrao da energia e clculo do incremento de temperatura x energia, baseado no calor especfico deste para-raios. Eu introduzi ao modelo de Woodworth um mdulo matemtico para levar em conta a temperatura ambiente. Fao uma ressalva de que este modelo no representa de forma perfeita o para-raios, pois o efeito do aquecimento do varistor no considerado no ATP. Um estudo sobre este efeito est em andamento para futura publicao aos usurios do ATP, incluindo a possibilidade de predio de falha dos para-raios em simulaes de transitrios. A sobretenso, corrente no para-raios e energia dissipada nesta situao foi:

(file TAMB_60hz_overvoltage_on_Arrester_with_temp_rise_output.pl4; x-var t) factors:offsets:

10,00E+00

t: ARRV 10,00E+00

c:CURR - 2000,00E+00

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25[s]-20

-15

-10

-5

0

5

10

15

20*103

Figura 4 Sobretenso e corrente pelo para-raios

(file TAMB_60hz_overvoltage_on_Arrester_with_temp_rise_output.pl4; x-var t) t: ENERGY 0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25[s]0

5

10

15

20

25*103

Figura 5 Energia dissipada pelo para-raios (J). As temperaturas mximas atingidas pelo para-raios em uma situao de temperatura ambiente mxima de 40oC e 70oC so ilustradas abaixo. Como concluso desta simulao, a temperatura atingida 40oC chega a mxima de 110oC, e para atingir esta mesma temperatura no para-raios em ambiente de 70oC necessria uma energia injetada 35% menor, sendo esta aproximadamente a proporo da perda de capacidade de absoro de energia, uma reduo bastante drstica.

(file TAMB_60hz_overvoltage_on_Arrester_with_temp_rise_output.pl4; x-var t) t: DELT_T t: WT_AMB

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25[s]0

20

40

60

80

100

120

140

(file TAMB_60hz_overvoltage_on_Arrester_with_temp_rise_output.pl4; x-var t) t: DELT_T t: WT_AMB

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25[s]0

20

40

60

80

100

120

140

Figura 6 Temperatura acumulada final aps injeo de energia em para-raios nas temperaturas ambientes de 40oC e 70oC

3. Envelhecimento Alm da situao imediata de um para-raios operando em regime permanente em ambiente de temperatura elevada, preciso tambm avaliar a situao de longo prazo. Varistores envelhecem como todos os demais materiais, e o processo de envelhecimento potencializado pela constante tenso aplicada, pela corrente resistiva fluindo continuamente entre os terminais do para-raios, pelas descargas de energia sofridas ao longo da vida til e pela temperatura. Um ensaio de envelhecimento acelerado de varistores parte dos ensaios de tipo (ver seo 8.4 de [1]). O tema da estabilidade longo prazo de varistores vem sendo estudado ao longo do tempo por muitos autores, ver um resumo no brochure do CIGR [5]. No ensaio o envelhecimento projetado pelas leis de Arrenhius, o ensaio normalizado com os varistores energizados Uc por 1000h 115oC [1, 2]. Segundo esta projeo, o fator de acelerao do envelhecimento pode ser estimado por:

AFT = 2,5(T/10) (eq.1) Para uma temperatura ambiente de 40oC, AFT = 965, projetando 110 anos de vida. No entanto, fazendo a projeo para uma temperatura ambiente de 70oC, teremos AFT = 61,8, projetando pelo ensaio 7 anos de vida nessa situao. O artigo do CIGR, entretanto chama a ateno de que os varistores mais atuais possuem um andamento de degradao positivo, i.e., com um contnuo decaimento da potncia dissipada ao longo do tempo, como se o varistor em verdade melhorasse ao longo do tempo, colocando em cheque a atual metodologia de envelhecimento e a validade da aplicao das leis de Arrenhius nas projees desta avaliao (ver figura 7 abaixo).

Envelhecimento - Bloco 4 kV

500,0E-3

550,0E-3

600,0E-3

650,0E-3

700,0E-3

750,0E-3

800,0E-3

850,0E-3

900,0E-3

0 200 400 600 800 1000 1200

Potncia 1

Potncia 2

Potncia 3

Figura 7 Envelhecimento acelerado em varistores Balestro de 4 kV nominal (Uc = 3,4 kV) utilizados em para-raios de distribuio 10 kA classe 1 Grfico potncia dissipada

Uc x tempo 115oC. Ensaio efetuado em conformidade com [1]

Este tema est atualmente em estudo por muitos autores, j que a atual metodologia considerada pelos especialistas como sem um bom fundamento fsico ([5], pgina 85). Deste forma fica claro que no pela questo envelhecimento dos varistores que deve focar nossa preocupao para o caso de para-raios operando em temperaturas mais elevadas. 4. Recomendao Para-raios para operar em temperaturas mais elevadas devem sofrer um adequado de-rating na sua MCOV, de modo que o balanceamento da relao potncia injetada x calor dissipado possa apresentar o mesmo equilbrio trmico demonstrado nos ensaios de tipo, desta forma provendo uma operao segura e estvel ao longo da vida til dos para-raios. Para manter os nveis mximos de corrente de fuga resistiva 70oC no mesmo nvel do simulado no ensaio de tipo (60oC), seria necessrio reduzir a MCOV dos para-raios em 6% (e na mesma proporo a sobretenso Ur aplicada por 10s no ensaio). No entanto, considerando que o ensaio simula uma temperatura ambiente mxima de 40oC, e nesta situao de temperatura ambiente mxima que se efetua o ensaio, a reduo na MCOV atinge 20%. Considerando a menor velocidade de resfriamento dos para-raios, em razo de uma temperatura ambiente mais elevada, a medida mais correta para um operao termicamente estvel 70oC a reduo da MCOV em 20%. Desta forma, aos critrios de seleo da MCOV do para-raios [3], deve-se ao final do clculo se acrescentar este fator de de-rating de 20%. Exemplo: Tomando por exemplo um sistema de distribuio em mdia tenso trifsico de 13,8 kV de tenso nominal, mxima tenso do sistema 14,4 kV, transformador do lado fonte em estrela solidamente aterrada. Nesse sistema, a MCOV do para-raios correto a aplicar [5] seria: 14,4/3 * 1,2 = 9,97 kV mnima utilizar MCOV imediatamente acima = 10,2 kV, disto resulta um para-raios de tenso nominal Ur = 12 kV (o fator 1,2 acima o fator de aterramento para esta situao, ver [5]). Para o mesmo caso, porm considerando o para-raios operando 70oC e a recomendao acima: Para-raios de 12 kV, MCOV 10,2 kV MCOV @ 70oC alterada para 8,16 kV Para-raios de 15 kV, MCOV 12,7 kV MCOV @ 70oC alterada para 10,16 kV

Portanto nesta situao o para-raios recomendado seria o de Ur = 15 kV, MCOV 12,7 kV, MCOV @ 70oC = 10,16 kV 5. Estabilidade trmica x caracterstica de proteo e coordenao de isolamento Como j mencionado na seo 2 acima, ambas propriedades so contraditrias. Ao mesmo tempo que seria desejvel do ponto de vista da estabilidade trmica utilizar um para-raios da maior MCOV possvel, desejvel tambm que a tenso residual do para-raios seja a menor possvel, de modo a prover a mxima proteo ao equipamento ao qual este esteja acoplado para a funo de proteo contra sobretenses. Desta forma a margem de proteo seria a maior possvel, e o risco de falha poderia ser at nulo. Na prtica, entretanto, necessrio um estudo de coordenao de isolamento e a escolha passa por um balanceamento entre estas propriedades. Analizando mais especificamente a proteo de mquinas rotativas, a questo se torna um tanto mais delicada. Sabe-se que a suportabilidade impulsos atmosfricos em mquinas girantes de isolamento slido inferior a de mquinas estticas isoladas leo, embora no exista ensaios nem verificao desta propriedade (o NBI do isolamento) aplicveis mquinas rotativas. Especificamente sobre a proteo de motores, a seo 7.3 da IEC 60099-5 [3], aqui traduzida e reproduzida por mim, diz: No est estabelecida uma recomendao para a coordenao de isolamento de mquinas rotativas, mas para-raios so freqentemente usados para a proteo de motores e geradores contra sobretenses. Os para-raios utilizados para esta aplicao so freqentemente no-padro e os requisitos devem ser definidos mediante acordo entre fabricante e usurio. De modo particular, ateno deve ser dada capacidade de curto-circuito de para-raios em geradores, porque os nveis de corrente de curto circuito podem ser apreciavelmente maiores do que aqueles cobertos pela IEC 60099-4 para para-raios padro. Para mquinas que estejam conectadas redes areas tanto diretamente como atravs de cabos isolados curtos, capacitores (normalmente na faixa de 0,1 uF 0,3 uF) e para-raios devem ser instalados entre fase e terra to prximo quanto possvel dos terminais da mquina para amortecer a frente da sobretenso por aproximadamente 10 us ou mais, e para prover proteo adicional. Em adio, deve ser aplicado um segundo jogo de para-raios na linha area na entrada da estao da mquina ou na estrutura area de transio para o cabo.

As caractersticas dos para-raios devem ser selecionadas de acordo com a seo 6 e a suportabilidade a impulso do isolamento ou o valor recomendado pelo fabricante [do motor] deve ser comparado com o nvel de proteo do para-raios. Geralmente, somente margens de proteo pequenas entre os nveis de proteo e as tenses suportveis so atingveis. Mquinas conectadas linha area atravs de transformadores podem no requerer a aplicao de para-raios se forem conectados por cabos suficientemente longos, ou se houverem capacitores na faixa de capacitncia citada acima instalados. Se um disjuntor for instalado entre o transformador e a mquina, os capacitores devem estar nos terminais do transformador (no mesmo enrolamento do motor). Para mquinas conectadas a transformadores estrela-tringulo, para-raios adicionais instalados fase-fase podem prover uma proteo melhorada. Para-raios instalados na mquina ou no mesmo lado do transformador que a mquina no so submetidos a grandes correntes de descargas atmosfricas. Grandes turbo geradores possuem baixas impedncias de surto, tornando-se importante que se evitem barramentos monofsicos encapsulados e curto-circuitos entre fases. Para-raios no devem ser instalados entre fases. Suficiente proteo deve ser alcanada pelos para-raios instalados na alta tenso do tranformador. Nota: Alm de limitar as sobretenses entrantes na estao da mquina, os para-raios na transio da rede area fazem com que os para-raios adicionais instalados na mquina descarreguem correntes mais baixas. As menores tenses residuais que resultam disso nos para-raios acoplados mquina provm uma proteo adicional para a mquina. Esta citao ao caso chamado especial da proteo de mquinas rotativas na IEC no apresenta nenhuma orientao adicional, no entanto a leitura completa da Norma permite adaptar a tcnica de coordenao de isolamento seguindo estas recomendaes. Como uma recomendao adicional para o caso de mquinas maiores e mais caras, a aplicao de para-raios precisa ser eficaz para de fato prover proteo. No entanto a aplicao de para-raios em ambiente 70oC introduz, como j demonstrado, uma nova dificuldade para o dimensionamento, ao impor a necessidade de de-rating na MCOV (Uc) do para-raios. Diante desta contradio, recomendvel instalar para-raios de melhores caractersticas protetivas quando for necessrio a majorao da tenso nominal para que o para-raios possa operar 70oC. Para melhores caractersticas protetivas necessrio aumentar a classe de descargas de LT do para-raios, como mostrado adiante. Tomando novamente o exemplo da seo 4 acima, assumindo que os para-raios originalmente elegidos sejam do tipo distribuio, classe 1, temos:

Modelos Balestro equivalentes: PBP 12/10 tenso residual mxima para 10 kApico = 39,6 kVpico PBP 15/10 (adequado para operar 70oC na situao do exemplo) tenso residual mxima para 10 kApico = 49,5 kVpico Portanto para este caso haveria uma perda (aumento da tenso residual) na caracterstica de proteo de 25%, um valor eventualmente muito elevado e inadequado considerando o descrito na IEC 60099-5 (acima) acerca das margens de proteo mais estreitas na proteo de mquinas rotativas. A sugesto para este caso adotar um para-raios de maior classe de descarga de linha, pois com o aumento do dimetro do varistor do para-raios e conseqente reduo da densidade de corrente no mesmo para um mesmo surto, temos por conseqncia uma reduo da tenso residual para a mesma corrente de descarga. Em nmeros, tomando o exemplo: PBP 12/10 tenso residual mxima para 10 kApico = 39,6 kVpico PBPE 15/10/2 (adequado para operar 70oC na situao do exemplo) tenso residual mxima para 10 kApico = 39,2 kVpico Desta forma a coordenao de isolamento original no ficaria comprometida, alm do ganho em confiabilidade do para-raios. A capacidade de absoro de energia de um para-raios classe 2 pula para 5 kJ/kV de Ur, de forma que a curva de estabilidade trmica ganha maior amplitude do que no classe 1, i.e., o ponto de instabilidade de temperatura mais dificilmente atingido. Desta forma tambm estaria devidamente compensada a perda na capacidade de absoro de energia mostrada na seo 2.4 acima. Note no entanto que a questo da estabilidade trmica em regime permanente temperatura elevada segue a mesma regra j descrita acima, sendo tambm aplicvel o de-rating na MCOV. 6. Referncias. No pretenso deste artigo esgotar este assunto nem ser um guia definitivo sobre o tema. A leitura da literatura abaixo, citada no texto, amplamente recomendada, em especial o guia de aplicao de para-raios [3] abaixo, que explora com maior profundidade a temtica da correta escolha de para-raios para a proteo de sistemas de potncia. [1] IEC 60099-4 Surge arresters Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c. systems;

[2] ABNT NBR 16050 Para-raios de resistor no linear de xido metlico sem centelhadores, para circuitos de potncia de corrente alternada; [3] IEC 60099-5 Surge arresters Part 5: Selection and application recommendations; [4] Haddad, A. and Warne, D. (2004) ZnO surge arresters, Advance in High Voltage Engineering, IET Power & Energy Series, 40, p191-215; [5] CIGR Brochure 544 (2013) MO Surge Arresters Stresses and Test Procedures, Working Group A3.17; [6] Hidalen, H. K. (1994-2010) ATPDraw- Graphical Preprocessor to ATP. Windows version NTNU/SINTEF, Norway, version 5.7p6; [7] Woodworth, J. (2011) Arrester Facts 030 Modeling temperature rise in arresters from energy absorption, from ArresterWorks.com. Mogi Mirim, maio/2015 Adriano Dellallibera Engenharia de Aplicao Balestro