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Protec Protec ç ç ão ão de de Sobretensões Sobretensões Luis Luis Cabete Cabete Nelson Vieira Nelson Vieira Pedro Sousa Pedro Sousa

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ProtecProtecçção ão de de

SobretensõesSobretensõesLuisLuis CabeteCabeteNelson VieiraNelson VieiraPedro SousaPedro Sousa

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Sobretensões Sobretensões

São as diferenSão as diferençças de potencial anormais que se produzem as de potencial anormais que se produzem num circuito elnum circuito elééctrico, como consequência de diversas ctrico, como consequência de diversas perturbaperturbaçções, sendo susceptões, sendo susceptííveis de danificar os componentes veis de danificar os componentes desses sistemas ou de prejudicar a sua correcta exploradesses sistemas ou de prejudicar a sua correcta exploraçção, ão, se não forem tomadas medidas de protecse não forem tomadas medidas de protecçção adequadas.ão adequadas.

Protecção contra Sobretensões

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Tipos de Sobretensões:Tipos de Sobretensões:

Sobretensões TransversaisSobretensões Transversais

Sobretensões LongitudinaisSobretensões Longitudinais

Protecção contra Sobretensões

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Sobretensões TransversaisSobretensões Transversais

Quando o potencial ultrapassa o seu limite de variaQuando o potencial ultrapassa o seu limite de variaçção normalão normal

Estas sobretensões medemEstas sobretensões medem--se em relase em relaçção ão àà terra ou entre terra ou entre condutorescondutores

Provocam descargas sob a forma de arco elProvocam descargas sob a forma de arco elééctrico entre ctrico entre condutores ou entre condutores e terracondutores ou entre condutores e terra

Protecção contra Sobretensões

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Sobretensões LongitudinaisSobretensões Longitudinais

Quando o gradiente da tensão atinge valores superiores aos Quando o gradiente da tensão atinge valores superiores aos que se verificam em condique se verificam em condiçções normais.ões normais.

ManifestamManifestam--se entre espiras ou entre dois pontos prse entre espiras ou entre dois pontos próóximos de ximos de um mesmo condutor resultando pequenas faum mesmo condutor resultando pequenas faííscas que scas que provocam a perfuraprovocam a perfuraçção dos isolantes.ão dos isolantes.

Protecção contra Sobretensões

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ClassificaClassificaçção das sobretensões de acordo ão das sobretensões de acordo com a sua origemcom a sua origem

Sobretensão InternaSobretensão Interna

Sobretensão ExternaSobretensão Externa

Protecção contra Sobretensões

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Sobretensão InternaSobretensão Interna

Sobretensão cuja origem se situa no prSobretensão cuja origem se situa no próóprio sistema onde se prio sistema onde se verifica.verifica.

ÉÉ originada pelo estabelecimento ou pelo corte de originada pelo estabelecimento ou pelo corte de determinados circuitos.determinados circuitos.

IncluemIncluem--se as chamadas sobretensões de manobra, como as se as chamadas sobretensões de manobra, como as que resultam da abertura de disjuntores ou da ligaque resultam da abertura de disjuntores ou da ligaçção das ão das linhas em vazio. linhas em vazio.

Protecção contra Sobretensões

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Sobretensão ExternaSobretensão Externa

Sobretensão cuja origem Sobretensão cuja origem éé exterior ao sistema em que se exterior ao sistema em que se verifica.verifica.

IncluemIncluem--se as sobretensões de origem atmosfse as sobretensões de origem atmosféérica, devidas rica, devidas ààacacçção do raio, bem como as sobretensões devidas ão do raio, bem como as sobretensões devidas ààcomunicacomunicaçção directa ou indirecta de uma instalaão directa ou indirecta de uma instalaçção elão elééctrica ctrica com outra instalacom outra instalaçção de tensão diferente.ão de tensão diferente.

Protecção contra Sobretensões

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Efeitos das SobretensõesEfeitos das Sobretensões

Podem colocar vidas humanas em perigoPodem colocar vidas humanas em perigo

A nA níível econvel econóómico:mico:-- destruidestruiçção dos equipamentosão dos equipamentos-- interrupinterrupçção do fornecimento de energiaão do fornecimento de energia

Protecção contra Sobretensões

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Descargas atmosfDescargas atmosfééricasricas

Protecção contra Sobretensões

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Estudo das Descargas AtmosfEstudo das Descargas Atmosfééricasricas

NNíível Cerâunicovel Cerâunico –– éé o no núúmero de dias em que, durante o mero de dias em que, durante o ano, se ouve trovejar na região ou no local considerado.ano, se ouve trovejar na região ou no local considerado.

Densidade de descargas no soloDensidade de descargas no solo –– éé o no núúmero de mero de descargas por quildescargas por quilóómetro quadrado e por ano.metro quadrado e por ano.

NsNs = = NiNi ( 0,1+0,35 ( 0,1+0,35 coscosαα ))

αα representa a latitude da região consideradarepresenta a latitude da região considerada

Protecção contra Sobretensões

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Curvas de NCurvas de Níível Cerâunicovel Cerâunico

Protecção contra Sobretensões

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Onda de Choque Normalizada 1,2/50Onda de Choque Normalizada 1,2/50

Protecção contra Sobretensões

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Equipamentos para protecEquipamentos para protecçção contra ão contra Descargas AtmosfDescargas Atmosfééricasricas

PPáárara--Raios Raios -- Haste de FranklinHaste de Franklin-- Gaiola de FaradayGaiola de Faraday

Descarregadores de Sobretensões (DST)Descarregadores de Sobretensões (DST)

Explosores Explosores

Protecção contra Sobretensões

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ProtecProtecçção contra descargas Atmosfão contra descargas Atmosfééricasricas

1 1 –– InterligaInterligaçção das ão das massas metmassas metáálicaslicas

2 2 –– LigaLigaçção ão àà terra com terra com cabos curtoscabos curtos

3 3 –– ColocaColocaçção de dispositivos de ão de dispositivos de protecprotecçção contra sobretensõesão contra sobretensões

Protecção contra Sobretensões

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BlindagemBlindagem

Em linhas fortemente expostas a descargas atmosfEm linhas fortemente expostas a descargas atmosfééricasricas-- SubestaSubestaççõesões-- Linhas aLinhas aééreas de transmissão (as de distribuireas de transmissão (as de distribuiçção não justificam ão não justificam

devido aos custos serem elevados)devido aos custos serem elevados)

Protecção contra Sobretensões

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Caminhos de fugaCaminhos de fuga

Pelo condutor de terra mais prPelo condutor de terra mais próóximo da descargaximo da descarga

Correntes de descarga noutros condutores de terraCorrentes de descarga noutros condutores de terra

Contornamento do transformadorContornamento do transformador

Protecção contra Sobretensões

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Sobretensões de Origem Interna

São designadas por “Sobretensões de origem interna”porque têm origem no próprio sistema. Neste caso o sistema eléctrico de energia.

Originam sobreelevações de tensão

Protecção contra Sobretensões

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Sobretensões de Origem Interna

Protecção contra Sobretensões

Sobreelevação de tensão à frequência da rede

Sobretensões de manobra

Tipos:

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Sobretensões de Origem Interna

Protecção contra Sobretensões

Sobreelevação de tensão à frequência da rede

Exemplos:

Disparo brusco da carga de um alternador.

Efeito Ferranti.

Deslocamento do neutro.

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Sobretensões de Origem Interna

Protecção contra Sobretensões

Sobreelevação de tensão à frequência da rede

Disparo brusco da carga de um alternador.

Quando ocorre um disparo a queda de tensão interna dos alternadores e dos transformadores anula-se e a tensãoaproxima-se da f.e.m. dos alternadores. Perante esta situaçãoo alternador acelera podendo agravar a Sobreelevação da tensãoque desaparece mais ou menos rapidamente em função da acçãodos reguladores de tensão e de velocidade dos alternadores oude relés de alta tensão.

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Sobretensões de Origem Interna

Protecção contra Sobretensões

Sobreelevação de tensão à frequência da rede

Efeito Ferranti

Funcionamento em vazio de uma linha de grande dimensão.Quando é alimentada numa das suas extremidades e a outra seencontra aberta, produz-se um fenómeno de ressonância que semanifesta pelo facto de a tensão crescer ao longo da linha até àextremidade aberta.

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Sobretensões de Origem Interna

Sobreelevação de tensão à frequência da rede

Deslocamento do neutro

Ocorre o deslocamento do neutro quando se verifica um defeitofase-terra afectando uma das fases de uma rede trifásica, asoutras duas sofrem uma variação do respectivo potencial emrelação à terra que se traduz por uma sobreelevação de tensão.

Protecção contra Sobretensões

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Sobretensões de Origem Interna

Sobretensões de manobra

Sobretensões de manobra correspondem a fenómenos ocorridos na sequencia de uma manobra, os quais são rapidamente amortecidos ao contrário do que se passa com as Sobretensões analisadas anteriormente (Sobretensões dinâmicas ou temporárias)

As modificações da configuração eléctrica de uma rede originamregimes transitórios que podem provocar sobretensões mais oumenos elevadas.

Protecção contra Sobretensões

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Protecção contra Sobretensões

Sobretensões de Origem Interna

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Protecção contra Sobretensões

Sobretensões de Origem Interna

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Sobretensões de Manobra

Em termos genéricos, uma manobra conduz à injecção na rede de um sinal que se sobrepõe ao regime permanente .

Sobretensões de Origem Interna

Protecção contra Sobretensões

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Classificação de Manobras

Manobras voluntáriasLigação (fecho) ou corte de um elemento da rede

Manobras involuntárias Ruptura de um condutor ou curto-circuito

Protecção contra Sobretensões

Sobretensões de Origem Interna

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Sobretensões de Origem Interna

Protecção contra Sobretensões

Sobretensões de manobra podem ser criadas por manobras

De fecho

De corte

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Sobretensões de Origem Interna

Protecção contra Sobretensões

Manobras de fecho

Ligação e reengate de linhas em vazio.

Colocando sob tensão transformadores abertos.

Colocação sob tensão baterias de condensadores.

Reengate sobre um defeito permanente

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Sobretensões de Origem Interna

Protecção contra Sobretensões

Manobras de corte

Correntes capacitivas (linhas em vazio, baterias decondensadores).

Pequenas correntes indutivas (transformadores em vazio).

Correntes muito elevadas (eliminação de defeitos).

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Sobretensões de Origem Interna

Protecção contra Sobretensões

Comutação de uma bateria de condensadores

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Sobretensões de Origem Interna

Protecção contra Sobretensões

Onda de tensão (carga) Onda de corrente (gerador)

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Equipamentos de protecEquipamentos de protecçção:ão:

Visam limitar a tensão à entrada dos equipamentos a proteger, por outro lado localizar o ponto de escoamento a terra dacorrente de descarga (recorrendo à criação intencional “pontos fracos” no isolamento).

A localização deste aparelhos deve ser feita o mais próximapossível dos equipamentos a proteger.

Protecção contra Sobretensões

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Dispositivos protectores, com funDispositivos protectores, com funçção de eliminar as sobretensõesão de eliminar as sobretensõesprovenientes de descargas atmosfprovenientes de descargas atmosfééricas (curta duraricas (curta duraçção) eão) emanobra no sistema elmanobra no sistema elééctrico.ctrico.

Protecção contra Sobretensões

Como estes estão permanentemente ligados aos circuitos que seComo estes estão permanentemente ligados aos circuitos que sedestinam a proteger, devem obedecer destinam a proteger, devem obedecer ààs condis condiçções:ões:

-- não permitir, em condinão permitir, em condiçções normais o escoamento de ões normais o escoamento de corrente elcorrente elééctrica para a terra.ctrica para a terra.

-- quando descarregada para a terra a corrente, deverquando descarregada para a terra a corrente, deveráá voltarvoltaràà sua condisua condiçção de isolamento.ão de isolamento.

Equipamentos de protecEquipamentos de protecçção:ão:

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Hastes de FranklinHastes de Franklin

Haste metHaste metáálica que se destina a captar descargas lica que se destina a captar descargas atmosfatmosfééricas.ricas.

Mais simples e mais visMais simples e mais visíível.vel.

Mais barato.Mais barato.

Menos eficiente.Menos eficiente.

Protecção contra Sobretensões

PPáárara--raiosraios

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A A áárea protegida por um prea protegida por um páárara--raios pode ser calculada de modoraios pode ser calculada de modoaproximado pela modelo aproximado pela modelo eletrogeomeletrogeoméétricotrico..

d = d = 9,4*I9,4*I2/32/3

Onde d Onde d éé a distância de a distância de escorvamentoescorvamentoque que éé funfunçção do valor de crista daão do valor de crista dacorrente de descarga (KA)corrente de descarga (KA)

Haste de FranklinHaste de Franklin

PPáárara--raiosraios

Protecção contra Sobretensões

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Gaiola de Gaiola de FaradayFaraday

Consiste num sistema de vConsiste num sistema de váários receptores que são rios receptores que são colocados nos extremos dos edifcolocados nos extremos dos edifíícios (formando um gaiola).cios (formando um gaiola).

Mais segura e mais eficiente.Mais segura e mais eficiente.

Oferecem protecOferecem protecçção contra raios que caiam directamente ão contra raios que caiam directamente na região protegida. na região protegida.

Protecção contra Sobretensões

PPáárara--raiosraios

ConstituConstituíído por um conjunto de condutores fixados exteriormente ou do por um conjunto de condutores fixados exteriormente ou interiormente, dispostos na cobertura e nas paredes do edifinteriormente, dispostos na cobertura e nas paredes do edifíício a cio a proteger e por um conjunto de elproteger e por um conjunto de elééctrodos de terra, sendo este parte ctrodos de terra, sendo este parte integrante da terra de protecintegrante da terra de protecçção do edifão do edifíício. cio.

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Protecção contra Sobretensões

PPáárara--raiosraios

Gaiola de Gaiola de FaradayFaraday

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Constituído por dois eléctrodos metálicos separados pelo ar um ligado ao elemento a proteger e outro ligado à terra.

Distância entre eléctrodos determina nível de protecção.

Protecção contra Sobretensões

ExplosoresExplosores

As vAs váárias formas que podem tomar em antena, ou mais rias formas que podem tomar em antena, ou mais elaborados com anelaborados com anééis de forma a eliminar efeitos de coroa.is de forma a eliminar efeitos de coroa.

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ExplosoresExplosores

Simplicidade

Robustez

Mais económico de todos os equipamentoscontra sobretensões

Vantagens:

Protecção contra Sobretensões

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Desvantagens:

Origina um curto-circuito à terra em que arco não se extingueespontaneamente.

Desaconselhável para sobretensões de manobra.

Depende de parâmetros tais como ionização do ar, condiçõesatmosféricas, sujidade dos eléctrodos.

Escorvamento origina onda cortada.

Sensíveis condições externas: aves, animais, queda de ramosneve.

Níveis de isolamento mais elevados

Protecção contra Sobretensões

ExplosoresExplosores

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DescarregadoresDescarregadores

Criados com objectivo de ultrapassar os inconvenientes dos Criados com objectivo de ultrapassar os inconvenientes dos explosoresexplosores..

Limitam amplitude e duraLimitam amplitude e duraçção da corrente que os percorre, sem queão da corrente que os percorre, sem queos disjuntores actuem.os disjuntores actuem.

Escoam para terra uma onda de corrente, quando atingidos por umaEscoam para terra uma onda de corrente, quando atingidos por umasobretensãosobretensão..

ConstituConstituíídos por vdos por váários explosores ligados em srios explosores ligados em séérie rie com uma ou vcom uma ou váárias resistências não lineares, norias resistências não lineares, nointerior de um invinterior de um invóólucro isolante e estanque. lucro isolante e estanque.

Protecção contra Sobretensões

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DescarregadoresDescarregadores

Resistências não lineares:Resistências não lineares:

Protecção contra Sobretensões

São elementos que não obedecem lei de ohm, quando estão São elementos que não obedecem lei de ohm, quando estão ààtensão nominal funcionam como isolante, tensão nominal funcionam como isolante, àà medida que tensãomedida que tensãosobe este comesobe este começça comportara comportar--se como curtose como curto--circuito.circuito.

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DescarregadoresDescarregadores

Protecção contra Sobretensões

Óxido de Zinco (ZnO):

São os descarregadores mais utilizadosSão os descarregadores mais utilizados

Funcionam com resistência não linear, dai a necessidade da terraFuncionam com resistência não linear, dai a necessidade da terraonde se ligam os aparelhos apresentar um valor o mais baixoonde se ligam os aparelhos apresentar um valor o mais baixoposspossíível, inferior a 20vel, inferior a 20ΩΩ..

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DescarregadoresDescarregadores

Protecção contra Sobretensões

Características Técnicas:

Tensão estipulada.Tensão estipulada.

Tensão mTensão mááxima de servixima de serviçço em regime permanente.o em regime permanente.

Tensão residual mTensão residual mááxima ou nxima ou níível de protecvel de protecçção.ão.

Corrente nominal de descarga.Corrente nominal de descarga.

Comprimento da linha de fuga.Comprimento da linha de fuga.

Capacidade de absorCapacidade de absorçção de energia.ão de energia.

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DescarregadoresDescarregadores

Protecção contra Sobretensões

Vantagens:

SeguranSegurançça de pessoas e equipamentos. a de pessoas e equipamentos.

ReduReduçção de avarias. ão de avarias.

Melhoria da qualidade de serviMelhoria da qualidade de serviçço. o.

ReduReduçção da energia não fornecida. ão da energia não fornecida.

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DescarregadoresDescarregadores

Protecção contra Sobretensões

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Protecção contra SobretensõesProtecção contra Sobretensões

Cabos de guardaCabos de guarda

Como o Como o escorvamentoescorvamento dos isoladores duma linha de fase tem grandedos isoladores duma linha de fase tem grandeprobabilidade de ocorrer, tentaprobabilidade de ocorrer, tenta--se obter a protecse obter a protecçção colocando porão colocando porcima destes cabos de guarda, esta proteccima destes cabos de guarda, esta protecçção depende fortementeão depende fortementeda qualidade da terra.da qualidade da terra.

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Protecção contra Sobretensões

CoordenaCoordenaçção de isolamentoão de isolamento

Localizar as descargas em pontos predefinidos de forma a minimizLocalizar as descargas em pontos predefinidos de forma a minimizararos danos na instalaos danos na instalaçção.ão.

Normalmente existem três nNormalmente existem três nííveis:veis:

Baixo Baixo –– explosores e descarregadores de sobretensões.explosores e descarregadores de sobretensões.

IntermInterméédio dio –– isoladores e distância livre no ar entre pisoladores e distância livre no ar entre póólo e terra.lo e terra.

Elevado Elevado –– transformadores, cabos, condensadores, distância entretransformadores, cabos, condensadores, distância entrecontactos abertos e diferentes fases de aparelhos corte.contactos abertos e diferentes fases de aparelhos corte.

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Protecção contra Sobretensões

CoordenaCoordenaçção de isolamentoão de isolamento

A coordenaA coordenaçção de isolamentos entre linhas e subestaão de isolamentos entre linhas e subestaçções ões éégeralmente inferior nas subestageralmente inferior nas subestaçções e superior nas linhas,ões e superior nas linhas,diminuindo as perturbadiminuindo as perturbaçções nas linhas e deixando que as ões nas linhas e deixando que as descargas inevitdescargas inevitááveis se verifiquem em locais determinados juntoveis se verifiquem em locais determinados juntoààs subestas subestaçções, onde existem os aparelhos de protecões, onde existem os aparelhos de protecçção, atão, atééporque as sobretensões vão amortecendo ao longo das linhas.porque as sobretensões vão amortecendo ao longo das linhas.

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