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II Evoluo dos dispositivos de proteo contra sobretenses

A funo bsica dos dispositivos de proteo contra sobretenses a de reduziras amplitudes das sobretenses de frentes lenta e rpida nos terminais dosequipamentos ou dos sistemas protegidos a nveis preestabelecidos eoperacionalmente aceitveis, de modo que aps a ocorrncia destas solicitaes aisolao dos equipamentos ou dos sistemas protegidos no fique cmprometida.

Dentre os dispositivos existentes para este fim, os pra-raios tm se mostradogeralmente como os mais eficazes e efetivos, tanto sob os pontos de vista tcnicoe econmico.

Os pra-raios quando corretamente selecionados e aplicados possibilitam umareduo nos custos dos demais equipamentos, uma vez que a isolao dosequipamentos constitui uma parcela significativa no custo final de umequipamento, especialmente queles aplicados em sistemas de alta e extra altatenses.

possvel definir um pra-raios ideal como sendo um dispositivo de proteocontra sobretenses que apresente as seguintes caractersticas:

- Apresentar uma impedncia infinita entre os seus terminais nas condies deregime permanente do sistema, ou seja, comportar-se como um circuito abertoat a ocorrncia de uma sobretenso no sistema;

- Ter a capacidade instantnea de entrar em conduo quando da ocorrncia deuma sobretenso com valor prospectivo prximo ao da tenso nominal dosistema, mantendo esse nvel de tenso de incio de conduo durante toda aocorrncia da sobretenso;

- Parar de conduzir, ou seja, retornar a condio de circuito aberto assim que atenso do sistema retornar ao seu estado inicial.

Tal operao no deveria causar nenhum distrbio ou degradao ao sistema ouao prprio dispositivo de proteo.

No entanto, os pra-raios atualmente disponveis no tm capacidade de atenderplenamente a nenhum dos requisitos do pra-raios ideal, apresentado acima.

Atualmente a tecnologia mais aprimorada e prxima de um pra-raios ideal representada pelo pra-raios de xido de Zinco (ZnO) sem centelhadores, osquais representam o estado da arte de uma longa seqncia dedesenvolvimentos e aperfeioamentos sucessivos que teve incio noscentelhadores a ar, ainda hoje utilizados em algumas aplicaes especficas.

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II.1 Centelhadores com dieltrico de ar

O primeiro dispositivo utilizado como pra-raios foi um simples centelhador,denominado de centelhador tipo chifre, instalado entre a fase e o terra nasterminaes de linha e equipamentos importantes, e que utilizava como meiodieltrico o prprio ar.

Esse dispositivo, entretanto, apresenta alguns pontos negativos sua utilizao,sendo as suas principais desvantagens:

- A forte influncia das suas caractersticas disruptivas com as condiesatmosfricas;

- A incapacidade de extinguir na maioria das aplicaes o arco eltrico debaixa impedncia formado quando da sua disrupo, ocasionando apassagem da corrente de curto-circuito do sistema, corrente essa que sermantida at que a proteo contra sobrecorrentes atue e a falta sejaeliminada pelo sistema de proteo;

- Durante a operao do centelhador, h um corte brusco da tensodisruptiva (elevado efeito dv/dt), que ocasiona uma solicitao muito severana isolao entre espiras dos enrolamentos de transformadores e reatores;

- A elevada corrente de arco produz uma rpida eroso dos eletrodos doscentelhadores, ocasionando uma variao progressiva nos seus nveis deproteo.

Detalhes construtivos dos centelhadores com dieltrico de ar, aplicados em redesde distribuio, so apresentados na Figura II.1.

Figura II.1 Detalhes construtivos dos centelhadores tipo chifre

Outro fator crtico para os primeiros projetos de centelhadores, apresentado naFigura II.1 (a) a disrupo acidental provocada pela queda de pssaros,provocando um curto-circuito no sistema seguido pelo seu desligamento.

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Mais tarde, foi desenvolvido um novo projeto de centelhador onde uma hastemetlica foi instalada no ponto central do centelhador, Figura II.1 (b). A distncia(d/2) entre a haste central e a extremidade do centelhador deve ser dimensionadade maneira a garantir a suportabilidade dieltrica a freqncia fundamental. Destaforma, a queda acidental de pssaros no provoca a disrupo do centelhadorevitando, desta forma, a ocorrncia de curto-circuitos acidentais. Devido a suasimplicidade e ao baixo custo, este tipo de centelhador ainda hoje utilizado emaplicaes menos crticas, tais como em redes rurais longas.

Centelhadores com dieltrico de ar tambm tm sido utilizados em algumasempresas concessionrias de energia eltrica na entrada de subestaes comtenses nominais at 138 kV. Nesta aplicao, a distncia entre os centelhadoresdeve ser ajustada para operar somente em situaes transitrias quando odisjuntor da subestao estiver em condio aberta. Detalhes de montagem de umcentelhador aplicado na entrada de uma subestao de 138 kV so apresentadosna Figura II.2.

Figura II.2 - Detalhes de montagem de um centelhadorpara aplicao na entrada de subestaes

II.2 Pra-raios tipo expulso

Devido aos problemas encontrados com o uso de centelhadores a ar surgiram, porvolta de 1920, os primeiros pra-raios do tipo expulso. Estes eram constitudosbasicamente por dois centelhadores montados em um tubo isolante e conectadosem srie. Uma vez que os dois centelhadores possuam diferentes espaamentose eram constitudos por diferentes materiais dieltricos, no existia uma

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distribuio uniforme de tenso entre esses e o incio da disrupo era sempredeterminado pelo centelhador montado na parte superior do pra-raios. Com adisrupo do centelhador superior, toda a tenso passava a ser aplicada sobre ocentelhador inferior, que iniciava o processo de formao do arco no seudieltrico, constitudo por um material fibroso com a propriedade bsica de gerargases que provocavam a deionizao do arco, provocando a interrupo dacorrente de freqncia fundamental de forma natural quando da passagem dacorrente pelo zero.

O princpio de funcionamento do pra-raios de expulso o mesmo atualmenteadotado para os elos fusveis de expulso e chaves corta-circuito. A sua principaldesvantagem era a vida til pequena, limitada a durabilidade do material utilizadopara a deionizao do arco eltrico.

II.3 Pra-raios de Carbeto de Silcio (SiC)Os pra-raios do tipo expulso tiveram uma vida muito curta, sendo substitudospelos pra-raios tipo vlvula, os quais foram desenvolvidos em paralelo com ospra-raios tipo expulso e acabaram por substitu-los totalmente. Estes pra-raioseram formados basicamente por centelhadores montados em srie com resistoresno-lineares (denominados nas normas ANSI como elementos vlvula). Vriostipos de materiais foram originariamente empregados para a confeco dosresistores no-lineares, tais como Hidrxido de Alumnio, xido de Ferro e Sulfetode Chumbo.

Posteriormente, foram desenvolvidos resistores no-lineares de Carbeto de Silcio(SiC) formado a partir dos cristais de Carbeto de Silcio. Estes pra-raios, aindahoje utilizados nos sistema eltricos, apresentam um conjunto de centelhadoresmontados em srie os blocos de resistores no-lineares de SiC.

Neste tipo de pra-raios os centelhadores apresentam duas funes: (a) "isolar" opra-raios do sistema sob condies de regime permanente, uma vez que sem apresena dos centelhadores os elementos de SiC apresentam, sob condiesnormais de operao, uma elevada amplitude de corrente de freqnciafundamental, provocando perdas apreciveis e um aquecimento excessivo nosresistores no-lineares de SiC, que ocasionaria a sua falha em poucos ciclos;(b) auxiliar na extino da corrente subsequente que flui atravs dos elementosno-lineares, quando da proximidade do zero ou da sua passagem pelo zero,dependendo do projeto construtivo do centelhador.Projetos mais modernos, aplicados a pra-raios classe distribuio utilizavamcentelhadores parcialmente ativos, formados por resistores equalizadores,utilizados para minimizar o efeito de distribuio no uniforme de tenso ao longodos centelhadores, especialmente em condies de ambientes poludos. Projetosde centelhadores mais complexos foram aplicados a pra-raios classe estao.

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Apesar das melhorias sucessivas, a presena dos centelhadores na montagemdos pra-raios tornou-se indesejvel, principalmente devido aos fatoresapresentados abaixo:

- A montagem dos centelhadores se d, via de regra, de forma artezanalpropiciando erros de montagem, detectados somente quando da inspeoatravs de ensaios de rotina;

- Disperses significativas nos valores das tenses disruptivas de freqnciafundamental e impulsivas;

- A disrupo dos centelhadores representa um transitrio na tenso,transitrio esse que ao atingir os enrolamentos dos equipamentosprotegidos pode causar uma solicitao entre espiras muito severa;

- A disperso dos centelhadores dificulta a aplicao de pra-raios emparalelo, fundamental na proteo de grandes bancos de capacitores srie,de estaes HVDC e alguns sistemas de Extra Alta Tenso, onde elevadosnveis de absoro de energia so requeridos pelos pra-raios.

A impossibilidade de se obter melhorias tecnolgicas substanciais naspropriedades no-lineares dos resistores a base de Carbeto de Silcio, visando areduo ou eliminao das correntes subsequentes, limitou a evoluo tecnolgicadesse tipo de varistor.

Apesar das limitaes tecnolgicas, ainda existe uma quantidade siginificativa depra-raios de SiC instalados nos sistemas eltricos, tanto nas redes dedistribuio quanto nas subestaes. Ainda possvel se constatar em algumasempresas concessionrias a opo pela aquisio de pra-raios de SiC.

II.4 Pra-raios de xido de Zinco (ZnO) sem centelhadoresA tecnologia dos varistores de SiC perdurou sem concorrncia at o final dadcada de 60, quando um novo tipo de dispositivo utilizado para a proteo contrasobretenses foi desenvolvido pela Matsushita Electrical Co. Ltd.

Este dispositivo, formado por elementos cermicos a base de xido de Zinco(ZnO) e pequenas quantidades de outros xidos metlicos adicionados ao ZnO,apresenta um elevado grau de no linearidade na sua caracterstica tenso xcorrente, proporcionando aos elementos de ZnO baixos valores de corrente naregio de operao, associado a uma boa estabilidade quando continuamentesolicitados pela tenso normal de operao.

Esses elementos no-lineares a base de ZnO comearam a ser produzidos emescala industrial a partir de 1968, sendo inicialmente destinados a proteo decircuitos eletrnicos, caracterizados por baixos valores de tenso e de energia. Apartir desse desenvolvimento, diversas empresas sob a licena da Matsushita,iniciaram estudos visando o desenvolvimento de resistores no-lineares de altacapacidade de absoro de energia que pudessem ser utilizados em sistemaseltricos de potncia.

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Os primeiros pra-raios de ZnO desenvolvidos para sistemas de potncia foramlanados no mercado no final de dcada de 70 pela Meidensha ElectricManufacturing Company Ltda. Na dcada de 80 diversas empresas japonesas,europias e americanas, desenvolveram e produziram para-raios de ZnO paraaplicao em redes de distribuio, subestaes e linhas de transmisso.

Os pra-raios de ZnO so constitudos basicamente por um conjunto de resistoresno-lineares base de ZnO. DA ausncia dos centelhadores (elementosindispensveis na montagem dos pra-raios de SiC) neste tipo de pra-raios deve-se a elevada no-linearidade na caracterstica "tenso versus corrente" doselementos de ZnO, associadas a sua estabilidade trmica e a sua elevadacapacidade de absoro de energia para sobretenses temporrias e transitrias.A no utilizao dos centelhadores torna os projetos de pra-raios de ZnO maissimplificados, alm de oferecer muitas vantagens em suas caractersticas deproteo e de operao.

No entanto, pelo fato de no possurem centelhadores os pra-raios de ZnO almde estarem permanentemente submetidos a tenso fase-terra de operao dossistemas e a condies climticas algumas vezes bastante adversas, podem sereventualmente solicitados por sobretesnes temporrias ou transitrias que impeaos pra-raios uma quantidade de energia que deve ser dissipada para o meioexterno, afim de garantir a estabilidade trmica do pra-raios. Portanto, cuidadosdevem ser tomados quando da seleo do tipo e das caractersticas dos pra-raios, em funo das reais necessidades dos sistemas.

Pra-raios de xido de Zinco (ZnO) sem centelhadores vm sendo largamenteutilizados na proteo dos sistemas eltricos. Em alguns pases, como porexemplo o Japo, praticamente a totalidade dos pra-raios instalados em seusistema eltrico so a base de ZnO sem centelhadores. No Brasil, empresasconcessionrias de energia e grandes consumidores industriais vm adquirindopra-raios de ZnO, seja na substituio aos pra-raios convencionais de SiC ouem novos projetos.

II.5 Pra-raios de xido de Zinco com centelhadoresUm outro tipo construtivo de pra-raios utilizado principalmente na aplicao emredes de distribuio o de xido de Zinco com centelhadores.Neste projeto, os centelhadores so adicionados em srie aos elementos no-lineares de ZnO e tm como funo principal "isolar" o pra-raios do sistema sobcondies de regime permanente, reduzindo a possibilidade de degradao doselementos de ZnO, que so geralmente de caractersticas inferiores quelesutilizados na montagem dos pra-raios sem centelhadores. Desta forma, oscentelhadores utilizados nesse projeto podem ser de construo simplificada,quando comparados aos utilizados na montagem dos pra-raios de SiC.

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Entre as vantagens desse tipo de pra-raios em relao aos pra-raios de SiC,pode-se citar a maior no-linearidade na caracterstica "tenso x corrente" doselementos no-lineares de ZnO, que reduz a amplitude da corrente subsequente avalores muito baixos; e menores valores de tenso residual.

As caractersticas tenso x corrente transitrias dos pra-raios de desempenhotimo (pra-raios ideal), e dos pra-raios de Carbeto de Silcio (SiC) e xido deZinco (ZnO) so apresentadas nas Figuras II.3a, II.3b e II.3c.

Figura II.3 Caractersticas V x I transitrias dos pra-raios

II.6 Pra-raios de xido de Zinco (ZnO) com invlucro polimricoUma evoluo tecnolgica bastante significativa surgiu em meados da dcada de80, com a utilizao de invlucros polimricos. At ento, praticamente todos ospra-raios produzidos utilizavam o invlucro de porcelana.

Diversos estudos realizados apontam a penetrao de umidade devido a perda deestanqueidade do invlucro de porcelana como sendo a principal causa de falhaverificada nos pra-raios ao longo do tempo. A perda de estanqueidade pode sedar por vrios motivos: danificao das gaxetas de vedao durante o processo defechamento dos pra-raios; envelhecimento das gaxetas ao longo do tempo comperda de suas propriedades, facilitando a penetrao de umidade; trincas oufissuras que se formam ao longo do tempo na porcelana ou na cimentao entre aporcelana e as flanges terminais, no caso de pra-raios classe estao; porvariaes bruscas de temperatura; descolamento da cimentao, entre outrascausas.

Alm da penetrao de umidade, outros fenmenos podem provocar adegradao dos elementos no-lineares e dos centelhadores (no caso dos pra-raios de SiC ou ZnO com centelhadores) ao longo do tempo, alterando as

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caractersticas de operao dos pra-raios. Estas alteraes podem conduzir opra-raios a sua degradao total, com a conseqente passagem da corrente decurto circuito do sistema.

Neste caso, devido as caractersticas construtivas dos pra-raios de porcelana(espaamento interno de ar entre a parte ativa do pra-raios e a parte interna doinvlucro), a passagem da corrente de falta do sistema acarreta a formao degases de alta presso que tendem a provocar a fragmentao do invlucro ou atmesmo a exploso do pra-raios, caso este no possua um dispositivo de alviode alta presso.

Os dois grandes problemas verificados nos pra-raios ao longo do tempo: perdade estanqueidade e fragmentao com ou sem exploso do invlucro, vm sendobastante minimizados pela utilizao de pra-raios com invlucro polimrico, quecomearam a ser produzidos em escala industrial em meados da dcada de 80.

A experincia de campo tem demonstrado que os pra-raios polimricos, emespecial os projetos sem espaamentos internos de ar entre as partes ativas e aparte interna do invlucro, so bem menos propensos a perda de estanqueidadepor penetrao de umidade do que os pra-raios com invlucros de porcelana,reduzindo a causa mais comum de falha nos pra-raios.

importante ressaltar que uma eventual falha do pra-raios no acarreta somentena perda do equipamento, podendo causar tambm distrbios severos no sistema,bem como a danificao de outros equipamentos adjacentes (como por exemplo,buchas de transformadores), em caso de fragmentao ou exploso do invlucroisolante ou desprendimento dos elementos de ZnO.

Em adio, os pra-raios com invlucro polimrico apresentam outras vantagensadicionais em relao aos pra-raios com invlucro de porcelana, tornando a suautilizao mais atrativa:

- Melhor desempenho sob contaminao, bem como uma melhor distribuiode tenso ao longo do pra-raios:

A contaminao tem se mostrado um fenmeno bastante crtico para adegradao dos pra-raios de SiC e de ZnO com invlucros de porcelana,especialmente em projetos de pra-raios aplicados a subestaes. Depsitos decontaminantes nas superfcies dos invlucros dos pra-raios associados com aumidade, podem causar uma elevao da corrente de fuga pelo invlucro,provocando uma distribuio de tenso no uniforme ao longo dos pra-raios.

Esse efeito pode causar um aquecimento excessivo nos elementos de ZnO (pra-raios de ZnO) e alteraes significativas nas caractersticas disruptivas doscentelhadores (pra-raios de SiC).

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Alm disso, a contaminao do invlucro de porcelana gera o fenmeno deionizao interna, que pode acarretar na degradao dos elementos de ZnO(pra-raios de ZnO) e na degradao dos elementos de SiC e alterao dascaractersticas disruptivas dos pra-raios (pra-raios de SiC).O efeito da contaminao externa do invlucro, crtico em pra-raios cominvlucros de porcelana, bastante atenuado quando da utilizao de invlucrospolimricos. Isto se d pela maior distncia de escoamento dos projetos de pra-raios polimricos comparados aos de porcelana de mesmo comprimento,associada a capacidade de hidrofobicidade apresentada por materiais polimricos,especialmente os polmeros a base de silicone.

Maiores detalhes sobre os efeitos da contaminao em pr-raios para aplicaoem subestaes so apresentadas no Captulo IV.

- Reduo das perdas de energia provenientes da menor corrente de fuganos invlucros polimricos, comparado aos de porcelana;

- A maior distncia de escoamento do invlucro polimrico, para um mesmocomprimento, o que permite a montagem de pra-raios com invlucros demenor comprimento, facilitando a montagem. Em pra-raios classe estaoaplicados em subestaes, est reduo pode ser de at 40% ou mais;

- Menor peso em relao aos pra-raios com invlucro de porcelana(tipicamente menos de 50% do peso no caso de pra-raios semespaamentos internos de ar para aplicao em subestaes), acarretandoem menores esforos mecnicos sobre as estruturas e permitindo umamaior versatilidade na montagem dos arranjos;

- Maior facilidade de transporte, armazenamento, manuseio e instalao,proporcionando uma reduo significativa de custos. Tais facilidades somais significativas a medida que se aumenta os nveis de tenso.

- No necessitam, geralmente, de dispositivos de alvio de sobrepresso(pra-raios sem espaamentos internos de ar para aplicao emsubestaes), tornando os projetos dos pra-raios mais simples e baratos;

- No apresentam problemas de trincas ou lascas nas saias, ocasionadas portransporte, mau manuseio durante a instalao ou mesmo vandalismo, eque podem vir a comprometer a estanqueidade do pra-raios ao longo dotempo;

- Possuem uma melhor capacidade de dissipao de calor, aumentando assuas propriedades trmicas e melhorando a sua capacidade de absorode energia.

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Pelo fato de apresentarem menor peso, maior facilidade e flexibilidade demontagem e pela no fragmentao ou exploso do invlucro comdesprendimento dos elementos de ZnO, esse tipo de pra-raios tem sido instaladomais prximo aos equipamentos a serem protegidos, melhorando de modoconsidervel as caractersticas de proteo desses equipamentos quando daocorrncia de sobretenses atmosfricas de frente rpida, atravs da reduo dastenses impulsivas nos seus terminais devido ao menor comprimento dos cabosde conexo (pra-raios aplicados em redes de distribuio) e a menor distnciaem relao aos pra-raios (pra-raios de subestaes).Em alguns casos tem sido prtica a instalao dos pra-raios diretamente nacarcaa dos transformadores. Para redes de distribuio, este procedimento reduzde forma considervel a tenso nos terminais dos equipamentos protegidos pelospra-raios, atravs da reduo das tenses impulsivas devido ao menorcomprimento dos cabos de conexo entre o pra-raios e o equipamento por eleprotegido.

Devido as vantagens tcnicas e econmicas apresentadas em projetos de pra-raios com invlucros polimricos, quando comparado aos projetos de pra-raiosde porcelana, a utilizao desse tipo de pra-raios vem crescendo de umamaneira bastante acentuada em subestaes. Existe atualmente uma grandequantidade de pra-raios com invlucro polimrico instalados em redes dedistribuio e em subestaes com tenses nominais at 500 kV.

No Brasil, as empresas concessionrias de energia eltrica e grandesconsumidores industriais vm utilizando este tipo de pra-raios desde o incio dadcada de 90. Desde ento o processo de aquisio de pra-raios polimricosvem crescendo ano a ano.

No caso da aplicao em sistemas de extra alta tenses, ou em regies deelevado nvel de contaminao, cuidados devem ser tomados com relao ascaractersticas do material polimrico empregado na fabricao do invlucro, emespecial com relao s caractersticas de hidrofobicidade, envelhecimento porexposio de raios ultra - violeta e trilhamento eltrico.