EstudoSobreProteçõesContraSurtosPara LumináriasLED. · 2019. 10. 2. · A tarifa de energia, por...

Universidade Estadual de LondrinaCentro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica

Filipe Jacinto

Estudo Sobre Proteções Contra Surtos ParaLuminárias LED.

Londrina2018/2019

Universidade Estadual de Londrina

Centro de Tecnologia e UrbanismoDepartamento de Engenharia Elétrica

Filipe Jacinto


Trabalho de Conclusão de Curso orientado pelo Profa¯. Dra¯. Sil-

via Galvão de Souza Cervantes intitulado “Estudo Sobre ProteçõesContra Surtos Para Luminárias LED.” e apresentado à Universi-dade Estadual de Londrina, como parte dos requisitos necessáriospara a obtenção do Título de Bacharel em Engenharia Elétrica.

Orientador: Profa¯. Dra¯. Silvia Galvão de Souza Cervantes

Londrina2018/2019

Ficha Catalográfica

Filipe JacintoEstudo Sobre Proteções Contra Surtos Para Luminárias LED. - Londrina,2018/2019 - 71 p., 30 cm.Orientador: Profa¯. Dr

a¯. Silvia Galvão de Souza Cervantes

Surtos de Tensão; DPSs; Luminárias LED; Descargas Atmosféricas.I. Universidade Estadual de Londrina. Curso de Engenharia Elétrica. II.Estudo Sobre Proteções Contra Surtos Para Luminárias LED..

Filipe Jacinto


Trabalho de Conclusão de Curso apresentado ao Curso deEngenharia Elétrica da Universidade Estadual de Londrina,como requisito parcial para a obtenção do título de Bacharelem Engenharia Elétrica.

Comissão Examinadora

Profa¯. Dra¯. Silvia Galvão de Souza

CervantesUniversidade Estadual de Londrina

Orientador

Profo¯. Dro¯. Aziz Eliaz Demian Junior

Universidade Estadual de Londrina

Prof.o¯. Msc. Osni Vicente.Universidade Estadual de Londrina

Londrina, 4 de dezembro de 2018

ASDF DEDICATÓRIA.

Agradecimentos

Agradeço à minha mãe pelo apoio financeiro, à professora Silvia pele apoio intelectual,aos prodessores Aziz e Osni pelas sugestões e à todos que mantêm a Universidade Estadualde Londrina.

"Good cooking takes time. If you are made to wait, it is to serve you better, and toplease you."

(MENU DO RESTAURANTE ANTOINE, NOVA ORLEANS, US-LA)

Filipe Jacinto. Estudo Sobre Proteções Contra Surtos Para Luminárias LED..2018/2019. 71 p. Trabalho de Conclusão de Curso em Engenharia Elétrica - UniversidadeEstadual de Londrina, Londrina.

ResumoNeste trabalho são apresentados os principais aspectos relativos aos Dispositivos de Pro-teção contra Surtos (DPS) voltados para proteção de luminárias LEDs exteriorires. Sãoestudados os componentes que compõem um DPS, as técnicas de instalação e os parâme-tros necessários para a sua correta especificação.

Palavras-Chave: Surtos de Tensão; DPSs; Luminárias LED; Descargas Atmosféricas.

Filipe Jacinto. Study About Surges Voltage Protections For LED Luminaires..2018/2019. 71 p. Monograph in Electrical Engineering - Londrina State University,Londrina.

AbstractThis work presents the mais aspects relatives of Surge Protection Dispositives (SPDs) forLEDs luminaires. Thus, components of SPDs, installation techniques and other parame-ters are studies.

Key-words: Surge Voltage; SPDs; LED Luminaires; Atmospheric Discharges.

Lista de ilustrações

Figura 1.1.1–Estimativa da economia de energia até o ano de 2030 com a utilização delâmpadas LED para iluminação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 18

Figura 1.1.2–Comparação entre o impacto ambiental de diferentes tecnologias de iluminação. 19Figura 2.1.1–Representação esquemática de um dispositivo genérico ligado na rede. . . . 25Figura 2.1.2–Representação esquemático de dispositivos sob surtos modo-normal(esquerda)

e modo-comum(direita). . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 26Figura 2.1.3–Representação esquemático de dispositivos de proteção contra surtos (SPD),

para modo-normal(esquerda) e modo-comum(direita). . . . . . . . . . . . . 26Figura 2.2.1–Distribuição de cargas elétricas em nuvens e percurso do campo elétrico. . . 27Figura 2.2.2–Formas de onda típicas de uma descarga nuvem-solo de polaridade negativa.

Primeira curva: descarga principal; segunda e terceira curvas: descargassubsequentes. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30

Figura 2.2.3–Representação da indução elétrica ocasionada na rede por uma nuvem numpotencial elétrico qualquer. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Figura 2.2.4–Representação da indução elétrica ocasionada na rede por descargas atmos-féricas entre nuvens vizinhas em potenciais elétricos diferentes. . . . . . . . 31

Figura 2.2.5–Representação dos surtos de tensão ocasionados na rede por descargas at-mosféricas próximas à rede. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Figura 2.2.6–Representação dos surtos de tensão ocasionados na rede por descargas at-mosféricas próximas à rede. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32

Figura 2.2.7–Representação dos surtos de tensão ocasionados na rede por descargas at-mosféricas diretas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33

Figura 2.3.1–Representação dos surtos de tensão ocasionados na rede por descargas at-mosféricas diretas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34

Figura 2.3.2–Modelos normativos de surtos de tensão e de corrente. . . . . . . . . . . . 35Figura 3.1.1–Simbologia Utilizada em sistemas de aterramento de acordo com a NBR5410. 41Figura 3.1.2–Da esquerda pra direita: esquema TN-C e esquema TN-S. . . . . . . . . . 42Figura 3.1.3–Esquema TN-C-S. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42Figura 3.1.4–Da esquerda pra direita: ligação com eletrodo comum e eletrodos distintos. . 42Figura 3.1.5–Da esquerda pra direita: ligação com eletrodos separados e independentes

do aterramento da alimentação; ligação com eletrodo comum e independentedo aterramento da alimentação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Figura 3.1.6–Da esquerda pra direita: esquema IT sem aterramento da distribuição; Mas-sas coletivamente aterradas no mesmo eletrodo da alimentação. . . . . . . . 44

Figura 3.2.1–Representação de diferentes zonas de proteção. . . . . . . . . . . . . . . . 45Figura 3.3.1–Categorias de instalação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 46Figura 3.4.1–Atuação simplificada de um DPS. Ele não atua para a tensão de serviço,

UC , e atua se a tensão atingir o valor UP , que deve ser inferior ao valorsuportável pelo equipamento, UW . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 48

Figura 3.4.2–DPS comutador de tensão e DPS limitador de tensão.. . . . . . . . . . . . 48Figura 3.4.3–Dispositivos de proteção contra surtos. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 49Figura 3.4.4–Comportamento do GDT, de forma simplificada, na presença de um surto

de tensão. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 51Figura 3.4.5–Comportamento de um varistor em presença de um pico de tensão. . . . . . 53Figura 3.4.6–Comportamento da tensão nos terminais de um varistor em função da cor-

rente que o atravessa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Figura 3.4.7–Comportamento da tensão nos terminais de um varistor em função da cor-

rente que o atravessa. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 54Figura 3.4.8–Características de atuação de dispositivos de proteção. . . . . . . . . . . . 55Figura 3.4.9–Esquema para proteção do DPS utilizando fusível. . . . . . . . . . . . . . 56Figura 3.6.10–Distribuição geográfica de descargas atmosféricas. . . . . . . . . . . . . . . 61Figura 3.6.11–Mapa de curvas isoceráunicas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 62Figura 3.7.1–Representação esquemática da conexão em paralelo com o DPS. . . . . . . 64Figura 3.7.2–Representação esquemático da conexão em série do DPS. . . . . . . . . . . 64Figura 3.7.1–Esquemas de conexão dos DPS sugeridos na NBR5410. . . . . . . . . . . 66

Lista de tabelas

Tabela 1.1.1–Comparação da vida útil e consumo de energia entre lâmpadas incan-descentes tipo bulbo, halógenas tipo bulbo, fluorescentes compactas eLED tipo bulbo. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20

Tabela 2.2.1–Mediana e o desvio padrão para a intensidade de descargas principaisnegativas. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28

Tabela 2.2.2–Intensidade das descargas principais negativas nuvem/solo, adaptadada NBR5419. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29

Tabela 3.6.1–Valor mínimo da tensão Uc do DPS em função do esquema de aterra-mento presente na instalação. . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 59

Tabela 3.6.2–Exigência mínima de suportabilidade a impulsos, em kV dos compo-nentes da instalação, de acordo com a categoria de instalação. . . . . . 60

Tabela 3.6.3–Situação da linha aérea (BT) e da edificação. . . . . . . . . . . . . . . 63Tabela 3.6.4–Nível de exposição a sobretensões de origem transitórias (F ). . . . . . 63

Lista de Siglas e Abreviaturas

UEL Universidade Estadual de Londrina.CTU Centro de Tecnologia e Urbanismo.DEEL Departamento de Engenharia Elétrica.ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas.IEEE Institute of Electrical and Electronics Engineers.INPE Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais.ELAT Grupo de Eletricidade Atmosférica do Insituto Nacional de Pesquisas Espaciais.INMETRO Instituto Nacional de Metrologia, Qualidade e Tecnologia.ISO International Organization of Standards.ANSI American National Standards Institute.DOE Department of Energy of United States.CIE Comission Internationale de l’Eclairage.IES Illuminating Engineering Society.IEC International Electrotechnical Commission.ISO International Organization for Standardization.DPS Dispositivo de Proteção Contra Surtos.LEMP Lightning Electromagnetic Pulse.SEMP Switching Electromagnetic Pulse.ESD Electrostatic Discharges.GDT Gas Discharge Tube.MOV Metal Oxid Varistor.TVSD Transient Voltage Supressor Diode.LED Light Emitting Diode.PE Condutor de Proteção.PEN Condutor que combina funções de proteção e neutro.LT Linha de transmissão.TN-C Esquema de aterramento TN-C.TN-S Esquema de aterramento TN-S.TN-C-S Esquema de aterramento TN-C-S.TT Esquema de aterramento TT.SPDA Sistema de proteção contra descargas atmosféricas.PRMT Para raios de média tensão.PRBT Para raios de baixa tensão.RINDAT Rede Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas.

Lista de Símbolos

Un Tensão nominal.Uc Tensão contínua máxima.Up Nível de proteção de tensão.Il Corrente nominal.Isccr Corrente máxima de curto circuito.Iimp Corrente máxima de descarga atmosférica (tipo (10/350µs)).In Corrente nominal de descarga.Imáx Corrente máxima do DPS (tipo (8/20µs)).Ifi Capacidade de descarga de corrente subsequente.Ik Corrente de curto circuito.U Tensão entre fases.U0 Tensão entre fase e neutro.I0 Valor de pico da corrente de um raio (simulado ou não).i0 Corrente de um raio (simulado ou não).vind Tensão induzida.ε Força eletromotriz.Φ Fluxo magnético.U indcabo Tensão induzida em um cabo.Ipico Corrente de pico de um pulso simulado.T1 Tempo de frente de onda de um pulso simulado.T2 Tempo de cauda de onda de um pulso simulado.(T1/T2) Pulso simulado com parâmetros T1 e T2.∂(·) Operador derivada parcial.∇(·) Operador diferencial.~a×~b Produto vetorial entre ~a e ~b.∇× (·) Operador rotacional.P (X > x0) Probabilidade acumulada da variável aleatória X.~E Campo elétrico.~B Densidade de fluxo magnético.S Elemento de área.n̂ Vetor unitário.

Sumário

1 INTRODUÇÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.1 Motivação: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 161.2 Objetivos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.2.1 Gerais: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 221.2.2 Específicos: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22

2 CONCEITOS INICIAIS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.1 Surtos de Tensão: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 232.2 Descargas Atmosféricas: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 262.2.1 Tensões Induzidas por Nuvens Carregadas e Por Descargas

Atmosféricas: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 302.2.1.1 Descargas Diretas: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 332.3 Pulsos Simulados de Surtos de Tensão: . . . . . . . . . . . . . . 342.4 Normas: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.4.1 Norma NBR 5419: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 352.4.2 Norma IEC 61643: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.5 Características Fundamentais de Dispositivos de Proteção: . . 362.5.1 Tensão nominal de rede (Un): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.5.2 Tensão Contínua Máxima (Uc): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 362.5.3 Nível de Proteção de Tensão (Up): . . . . . . . . . . . . . . . . . 372.5.4 Corrente Nominal de Descarga (In): . . . . . . . . . . . . . . . . 372.5.5 Corrente Máxima de Curto Circuito (ISCCR): . . . . . . . . . . 372.5.6 Tensão Suportável Pelo Equipamento Protegido: (UW ): . . . . 372.5.7 Tensão de Proteção Efetiva (UP/F ): . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.5.8 Corrente máxima (Imáx) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 382.5.9 Corrente de Surto de Descargas Atmosféricas (IIMP ): . . . . . 382.5.10 Capacidade de Descarga de Corrente Subsequente (IFI) . . . . 382.5.11 Corrente Subsequente da Fonte (IF ): . . . . . . . . . . . . . . . . 38

3 METODOLOGIA: MÉTODOS DE PROTEÇÃO. . . . . . . . 403.1 Noções Sobre Aterramento: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.1.1 Importância do Aterramento: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.1.2 Esquemas de Aterramento: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 403.1.2.1 Esquemas TN: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 413.1.2.2 Esquams TT: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42

3.1.2.3 Esquemas IT Com Alimentação Aterrada Através de Impedância: 433.2 Zona de Proteção Contra Raios (LPZ): . . . . . . . . . . . . . . 443.3 Categorias de Instalação: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 453.3.1 Categoria de Instalação (ou de Surto de Tensão) I: . . . . . . . 453.3.2 Categoria de Instalação II: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.3.3 Categoria de Instalação III: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.3.4 Categoria de instalação IV: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 463.4 Dispositivos de Proteção Contra Surtos de Tensão (DPSs): . 473.4.1 Centelhadores (GDTs): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 503.4.2 Varistores (MOVs): . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 523.4.3 Diodos Supressores de Transientes de Tensão (TVSDs): . . . . 543.4.4 Sistemas de Back-Up: Fusíveis, Disjuntores e Disjuntores Di-

ferenciais: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.4.4.1 Fusível de Proteção: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 553.4.4.2 Disjuntor Térmico: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 563.5 Classes de DPSs: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.5.1 Classe I: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 573.5.2 Classe II: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.5.3 Classe I+II: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.5.4 Classe I/II: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.5.5 Classe III: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 583.6 Critérios Para Escolha e Dimensionamento dos DPSs: . . . . . 593.6.1 Esquema de Aterramento da Instalação: . . . . . . . . . . . . . 593.6.2 Categoria da Instalação: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.6.3 Nível Ceráunico: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 603.7 Esquemas de Conexão de DPSs: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 633.7.1 Conexão com DPS em Paralelo (T-Shape): . . . . . . . . . . . . 633.7.2 Conexão com DPS em Série (V-Shape): . . . . . . . . . . . . . . 643.7.3 Comprimento e Seção dos Condutores do DPS: . . . . . . . . . 653.7.4 Onde Instalar Um DPS? . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 653.8 DPSs Para Proteção de Luminárias LED Exteriores: . . . . . . 673.8.1 Proteção Contra Descargas Atmosféricas Indiretas: . . . . . . 683.8.2 Proteção Contra Descargas Atmosféricas Diretas: . . . . . . . 68

4 CONCLUSÃO . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 694.1 Considerações Finais: . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 69

REFERÊNCIAS . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 70

16

1 Introdução

1.1 Motivação:

A causa mais frequente da queima de equipamentos eletrônicos são as sobretensõestransitórias causadas por descargas atmosféricas (raios) ou as manobras de circuito. Con-tudo, os avanços tecnológicos na área de proteções elétricas já permitem a implementaçãode proteções eficazes contra esses efeitos indesejados. Instalados em diversos pontos dainstalação, dependendo do tipo de proteção que se deseja, os Dispositivos de ProteçãoContra Surtos (DPS), são capazes de evitar danos aos equipamentos, descarregando parao terra os pulsos de alta tensão causados pelos raios.

A relevância desta proteção fez com que a Norma Brasileira de Normas Técnicas –ABNT, definisse explicitamente com asNBR 5410 (ABNT, 2008) eNBR 5419 (ABNT,2014) a necessidade da instalação do DPS em locais com riscos de sobretensão. O Brasilé o país com a maior incidência de raios em todo o mundo. Por ano, cerca de 60 milhõesde raios atingem o território brasileiro. Segundo dados do Grupo de Eletricidade Atmos-férica, cada descarga atmosférica representa um prejuízo de R$10 para o setor de energia.Ao todo, os raios causam um prejuízo de US$1 bilhão anual à economia brasileira, sendoo setor elétrico o que acumula as maiores perdas, com cerca de R$600 milhões por ano.Também são atingidos os setores de seguro, eletroeletrônicos, construção civil, aviação,agricultura, entre outros.

Um setor de grande relevância que já começa a se beneficiar significativamente des-tas tecnologias de proteção contra surtos é o de iluminação pública. Luminárias comtecnologia LED apresentam vantagens enormes em relação as outras tecnologias usadasanteriormente, porém, devido ao elevado investimento necessário para implantação destasluminárias e à sensibilidade das mesmas em relação a surtos de tensão se faz necessário autilização de dispositivos de proteção de forma a tornar viáveis os projetos de iluminaçãocom tecnologia LED.

Segundo a Agência Internacional de Energia 1, o consumo de energia com ilumina-ção é responsável por uma fatia de 19% de toda a energia elétrica gerada no mundo.Estima-se que a demanda por energia elétrica no Brasil deverá crescer 55% até 2020(MINISTéRIO.DE.MINAS.E.ENERGIA, 2011). A última Pesquisa de Posse de Equipa-1 Dados de 2006.

Capítulo 1. Introdução 17

mentos e Hábitos de Uso, realizada e publicada pelo PROCEL (DTS-ELETROBRÁS,2017) em setembro de 2008, indica que, para o setor residencial, a iluminação repre-senta cerca de 14% do consumo total de energia elétrica nos domicílios brasileiros. Nosetor comercial, a iluminação responde por 22% do consumo e no setor público por 23%.Analisando os dados do consumo de energia do Balanço Energético de 2013 (MINISTé-RIO.DE.MINAS.E.ENERGIA, 2013) e a assumindo o percentual de consumo direcionadoà iluminação em cada setor (DTS-ELETROBRÁS, 2017), pode-se afirmar que o consumode energia para iluminação é de 16, 38TWh no setor residencial, 17, 38TWh no setor co-mercial e 8, 97TWh no público. No total, são 43, 15TWh de energia elétrica consumidacom iluminação nos três setores.

Estes dados revelam a importância de que o crescimento do consumo de energia sejaacompanhado pela eficiência energética dos produtos destinados à iluminação. O Pro-grama Ambiental das Nações Unidas aponta a tecnologia LED como a alternativa parailuminação que será mais eficiente energeticamente no curto e médio prazo. O Depar-tamento de Energia dos Estados Unidos também considera a tecnologia LED como aalternativa mais viável para a substituição das fluorescentes compactas e investe em de-senvolvimento e inserção do produto no mercado (U.S.DEPARTMENT.OF.ENERGY,2012a).

Nos Estados Unidos, a redução do consumo de energia prevista com a introdução deiluminação LED é de 67% do consumo com iluminação em 2025, o que permitiria umaeconomia de 21, 7 bilhões de dólares por ano. Esta energia não consumida é equivalente àgeração de toda a energia eólica projetada para 2025 naquele país, ou doze vezes a geraçãode energia solar projetada para o mesmo ano (??). Estas estimativas, no entanto, são ba-seadas em produtos LED de altíssimo desempenho, que dependem de um esforço conjuntodo governo e da indústria para que alcancem as metas de eficiência, preço e qualidade deiluminação. Estimativas mais conservadoras, baseadas nas eficiências e preços de produtosmedianos e em uma inserção no mercado mais lenta, indicam que a redução do consumo deenergia com iluminação seria de 40% em 2030(U.S.DEPARTMENT.OF.ENERGY, 2016).A figura 1.1.1 apresenta uma estimativa a economia de energia com a substituição daslâmpadas comuns por lâmpadas LED.

De acordo com a Associação Brasileira da Indústria de Iluminação, o gasto de energiaelétrica com iluminação representa cerca de 20% do total de energia produzida (ABILUX,2015), sendo que a iluminação pública representa em média 3, 5% do total. A tarifa deenergia, por sua vez, é um agregado complexo de custos sendo eles custo de geração,transmissão e Distribuição, custo das perdas de energia (técnicas e não-técnicas), impos-tos, tributos, encargos, entre outros. Os tributos da conta são o PIS/PASEP, o COFINS


Figura 1.1.1 – Estimativa da economia de energia até o ano de 2030 com a utilização de lâm-padas LED para iluminação.

Fonte:(U.S.DEPARTMENT.OF.ENERGY, 2012a).

e o ICMS, podendo somente o ICMS, que varia de estado para estado, responder sozinhopor mais de 30% da conta de energia elétrica (ABRADEE, 2018). Vale lembrar que ocusto da energia no Brasil está entre os mais altos do mundo.

No que se refere as despesas com iluminação pública, algumas alternativas tecnológicasdisponíveis podem ser utilizadas para reduzir estes gastos em até 50% (ABILUX, 2015),são elas:

• Trocar os aproximadamente cinco milhões de pontos de iluminação pública exis-tentes com lâmpadas a vapor de mercúrio, com eficiência de aproximadamente 50lùmens por Watt por luminárias modernas com LEDs, >100 lùmens por Watt, comcontroles inteligentes.

Com essa medida a economia será de cerca de 70% da energia consumida. A ilumi-nação pública consome cerca de 3, 5% da energia elétrica no país e a mudança sugeridarepresenta cerca de 0, 8%, ou seja, 3, 7TWh ano, algo como 440 milhões de reais ano aocusto marginal de energia (ABILUX, 2015).

• Tornar o Programa Brasileiro de Etiquetagem de Edificações compulsório de imedi-ato para edifícios a serem construídos e em reforma.


Esta medida garantiria eficiências máximas de equipamentos e garantiria consumosmínimos de energia por metro quadrado.

A figura 1.1.2 mostra uma comparação entre os impactos ambientais causados pordiversos tipos de lâmpadas, desde a fabricação até o descarte. Como as lâmpadas incan-descentes apresentaram os maiores impactos ambientais em todos os quesitos, os respec-tivos valores para outros produtos foram normalizados em relação aos apresentados pelasincandescentes. Assim, na figura 1.1.2, para o quesito "aquecimento global", por exem-plo, o impacto causado pelo LED 2012 é de aproximadamente 25% do impacto causadopor incandescentes. A comparação é feita normalizando-se os produtos para a mesmaquantidade de lúmens-hora emitidos. Isto significa que uma lâmpada incandescente in-dividualmente pode causar um menor impacto ambiental, porém como o LED tem umavida útil muito maior são necessárias várias incandescentes para cobrir o mesmo tempode serviço e emitir a mesma quantidade de lúmens. Adicionalmente, os produtos LEDapresentam a vantagem de não usarem materiais tóxicos em sua composição, como o mer-cúrio usado em lâmpadas fluorescentes.

Figura 1.1.2 – Comparação entre o impacto ambiental de diferentes tecnologias de iluminação.

Fonte: Adaptado de(U.S.DEPARTMENT.OF.ENERGY, 2012b).


A vida útil de uma lâmpada incandescente é de aproximadamente mil horas, enquantoa vida útil de uma fluorescente e de um LED é de 8500 e 25.000 horas, respectivamente.Para 2015, é previsto que o LED alcançará até 40.000 horas de vida útil. Durante a vidaútil destes produtos, o LED é a opção mais eficiente, consumindo a menor quantidade deenergia por lúmen-horas (??). A tabela 1.1.1 expõe estas relações.

Tabela 1.1.1 – Comparação da vida útil e consumo de energia entre lâmpadas incandes-centes tipo bulbo, halógenas tipo bulbo, fluorescentes compactas e LEDtipo bulbo.

Tipo Potência (W) Fluxo Vida Consumo de energiaLuminoso (lm) útil (h) (MJ/106lm · h)

Incand. 60 900 1000 15100Hológena 43 750 1000 13000Fluoresc. 15 900 8500 3780

LED (2012) 12, 5 800 25000 3540LED (2015) 5, 8 800 40000 1630

Fonte: Adaptado de (U.S.DEPARTMENT.OF.ENERGY, 2012b).

Apesar de apresentarem eficiências luminosas semelhantes às das fluorescentes atual-mente, o uso de LED ainda pode ser vantajoso se forem considerados todos os impactosambientais e a vida útil do produto. A referência1.1.2 mostra os resultados obtidos na refe-rência (U.S.DEPARTMENT.OF.ENERGY, 2012b) comparando quinze tipos de impactosambientais entre incandescentes, fluorescentes e LED. Estes resultados foram obtidos apartir de um método validado pela International Organization of Standards (ISO). Foramfeitas estimativas para um produto LED com tecnologias de fabricação disponíveis em2017, que causariam os menores impactos ambientais.

Espera-se que nos próximos anos o LED ultrapasse as eficiências das fontes de ilumi-nação artificial conhecidas. As metas de pesquisa e desenvolvimento para 2025 são deprodutos com eficiências luminosas maiores que 200lm/W , vida útil de cerca de 40 milhoras e preços equivalentes aos de outras fontes de iluminação.

No âmbito da iluminação pública, as luminárias LED exteriores são as responsáveispor são a alternativa que disponibilizam as vantagens da iluminação com LED. Contudo,as luminárias externas com esta tecnologia são facilmente afetadas por surtos transitóriosindutivamente acoplados ao sistema de potência, causados, principalmente por descargasatmosféricas. De acordo com dados do Grupo de Eletricidade Atmosférica do InsitutoNacional de Pesquisas Espaciais (ELAT - INPE), a quantidade de dias com tempestadeno Brasil aumentou 79% quando comparamos a média de 1910 a 1951 com a média de


1951 a 2010. O aquecimento das águas do Oceano Atlântico fará com que a quantidadede tempestades duplique no interior dos estados de São Paulo, Minas Gerais e Rio deJaneiro, chegando a triplicar nas cidades litorâneas em 2070. Para cada grau Celsius quea temperatura média global aumentar, é previsto um aumento de 12% na incidência dedescargas atmosféricas. Isso significa que até 2100 a quantidade de raios será na ordemde 90 milhões/ano no Brasil.

Os danos em equipamentos tais como luminárias externas, podem ocorrer por descar-gas diretas ou indiretas. A descarga direta é aquela na qual o raio cai diretamente sobreo imóvel ou em sua proximidade imediata, como na estrutura do prédio ou na própriarede elétrica. Embora seja naturalmente a situação de menor incidência estatística, éa mais violenta e que traz os maiores riscos devido à grande quantidade de energia en-volvida2. As descargas indiretas3, que no setor residencial significam a grande maioriadas ocorrências, são aquelas nas quais o surto de tensão chega ao imóvel através da redede alimentação elétrica e são resultantes de um raio que caiu em alguma região distante.Em outras palavras, não é necessário que o raio caia sobre uma casa para provocar danos4.

Resumindo, as luminárias LED estão diretamente expostas a surtos provocados pordescargas atmosféricas ou por chaveamento nas linhas de energia. Estes surtos podemreduzir a vida útil, diminuir a intensidade luminosa ou até mesmo danificar permanen-temente a luminária, uma vez que elas estarão expostas a tensões impulsivas de algunsmilhares de volts. Situações essas que certamente terão impacto nos custos de manuten-ção e, consequente, no aumento do tempo de amortização. Como solução faz-se necessárioutilizar um DPS apropriados para mitigação dos riscos de danos, protegendo assim o in-vestimento realizado nas luminárias.

Será discutido neste trabalho que instalações sujeitas a descargas diretas podem serprotegidas utilizando dispositivos de proteção contra surtos (DPS) classe I ou DPS classeI+II, devendo-se instalar estes dispositivos no ponto de entrada da linha na edificação. Jáas instalações sujeitas a descargas indiretas podem ser protegidas utilizando DPS ClasseII ou DPS classe I+II – deve-se instalar o DPS no ponto de entrada da linha na edificaçãoou no quadro de distribuição principal, o mais próximo possível da linha do ponto de en-trada. Será discutido também especificamente a proteção para luminárias LED para usoexterior, devido à importância destas nos projetos de iluminação pública e à necessidadede proteção das mesmas devido à vulnerabilidade destas à variações de tensão na rede deenergia.2 50% dos raios ultrapassam os 25kA de pico e 1% chegam a ultrapassar valores de 180kA.3 As sobretensões de manobra têm características similares às descargas indiretas.4 Do ponto da descarga elétrica direta até um raio de 3km de distância, as instalações elétricas poderão

sofrer influências nocivas por efeito eletromagnético.


1.2 Objetivos:

1.2.1 Gerais:

1.2.2 Específicos:

23

2 Conceitos Iniciais

2.1 Surtos de Tensão:

Entende-se por surto de tensão um aumento desta grandeza que surge em instalaçõesou circuitos elétricos de forma indesejada. Os surtos em redes de energia são ocasiona-dos, principalmente, devido a descargas atmosféricas (raios) ou manobras na rede elétrica.Essa alta tensão é a responsável por danos às instalação elétrica e aos equipamentos eletro-eletrônicos ligados na mesma. Também denominada tensão transitória, a tensão aparecepor uma fração de segundos, com um tempo de subida muito curto, na ordem de micros-segundos, e decrescem em um intervalo de até centenas de microsegundos. O DPS, comojá dito, é o dispositivo responsável por proteger as instalações elétricas e equipamentoscontra as sobretensões transitórias e também escoar correntes de surto.

Diversos tipos de surtos de tensão podem ocorrer em sistemas elétricos e eletrônicos.Eles diferem, basicamente no tempo de duração e na amplitude. Dependendo da causados surtos eles podem durar de microsegundos a dias e suas amplitudes podem variar depoucos milivolts a milhares de volts.

Os surtos de tensão são ocasionados principalmente pelas motivos citados à seguir:

• Descargas Atmosféricas (LEMP - Lightning Electromagnetic Pulse): Descargas at-mosféricas são as principais causas, direta ou indiretamente, de surtos, geralmentecom amplitudes elevadas e que ocasionam, frequentemente, elevados fluxos de cor-rente - que por sua vez podem causar sérios danos à rede e a equipamentos nelaligados.

• Operações de chaveamento (SEMP-Switching Electromagnetic Pulse): Estas opera-ções geram pulsos eletromagnéticos que podem ocasionar sobretensões induzidas narede.

• Descargas eletrostáticas (ESD-Electrostatic Discharges): Estas descargas ocorremquando superfícies condutoras em diferentes potencias entram em contado. Estefenômeno pode ocasionar a queima de componentes eletrônicos sensíveis.

Ainda assim, os surtos ocasionados por descargas atmosféricas são os mais críticos eos de maior interesse neste trabalho. O campo eletromagnético de um raio possui in-tensidade elevada e é altamente variável e os condutores elétricos, que geralmente sãocompostos por feixes trançados se comportam como bobinas na presença desses campos.

Capítulo 2. Conceitos Iniciais 24

Por esse motivo os condutores sofrem, na presença destes campos intensos e variáveis,movimentações de cargas elétricas também intensas e indesejadas. A lei de indução deFaraday permite entender este fenômeno.

De acordo com a lei de Faraday, a força eletromotriz (fem) induzida sobre o circuitoé igual a taxa de variação do fluxo magnético. A forma matemática da lei da indução,mostrada em (2.1) foi dada em 1845 pelo físico alemão Franz Ernst Neumann

ε = −∆Φ∆t (2.1)

na qual ε corresponde à tensão induzida no condutor, Φ representa o fluxo magnéticoe t o tempo.

Essa é a lei da indução na forma mais apropriada para se trabalhar com circuitos,pois relaciona parâmetros que podem ser medidos diretamente ou calculados a partirda geometria do circuito. A equação (2.1) só tem sentido se for definido o sentido dofluxo e da corrente induzida sobre o circuito, o que é dado pela regra da mão direita: aocurvar a mão direita no sentido da corrente, o polegar aponta no sentido do fluxo positivo.

A força eletromotriz induzida é nada mais do que a integral de linha do campo elétricosobre o circuito. Assim, tem-se a relação dada na equação (2.2),

∮∂S

~E · d~l = − ddt

∫∫S

~B · n̂ · dS (2.2)

que é a forma integral da lei de indução, expressa em função dos campos, e é umadas equações de Maxwell. Ela pode ser convertida para uma forma diferencial, usando oteorema de Stokes no lado direito da equação, resultando na relação (2.3).

∇× ~E = −∂~B

∂t(2.3)

O sinal negativo da lei de indução mostrada em (2.1), que dá a direção da tensãoinduzida, é explicado pela chamada lei de Lenz, publicada por Heinrich Lenz em 1834.

Para mais informações sobre cálculos de tensões induzidas por descargas atmosféricaspode-se consultar a referência (SORWAR; GOSLING, 1999).

Simplificadamente, a tensão total gerada pelo fenômeno da indução em um cabo sub-metido a uma descarga atmosférica pode ser calculada com a equação (2.4),

Ucabos = Lcabosdiraiodt

(2.4)


na qual Uraios corresponde à tensão induzida nos cabos, iraio a corrente de do raio,fortemente variável, Lcabos a indutância dos cabos e t o tempo. Pode ainda haver aco-plamentos magnéticos numa instalação no caso de uma descarga direta causando efeitosdesastrosos.

Os surtos de tensão na rede são classificados, de forma geral, em dois grupos:

• Surtos em modo diferencial: este tipo representa os surtos de tensão que circulamentre fase/neutro ou fase/fase. Ou seja, entre condutores vivos.

• Surtos em modo comum: este tipo representa os surtos entre condutores vivos eterra, ou seja, entre fase/terra e entre neutro/terra..

Um dispositivo genérico ligado na rede elétrica pode ser representado esquematica-mente conformo mostrado na figura 2.1.1.

Figura 2.1.1 – Representação esquemática de um dispositivo genérico ligado na rede.

Como comentado a pouco, os surtos podem ocorrer devido a gradientes de tensão en-tre cabos ativos ou entre cabos e o chão. Estas situações estão ilustradas na figura 2.1.2.O surto ocasionado por gradiente entre condutores ativos (fase/fase ou fase/neutro) échamado de surto modo diferencial (ou normal) e entre um condutor ativo e o terra surtomodo-comum.

Ou seja, os DPSs devem garantir proteção, naturalmente, entre os condutores ativospara surtos modo-normal e entre condutores ativos e o terra para surtos modo-comum,como mostrado na figura 2.1.3.

Assim, de forma geral, os DPSs oferecem dois tipos de proteção:

• Modo de proteção comum: quando os elementos estão ligado entre condutor vivo ePE1 (fase-PE ou neutro-PE).

1 Na na seção 3.1.2 e, PE corresponde a um condutor de proteção.


Figura 2.1.2 – Representação esquemático de dispositivos sob surtos modo-normal(esquerda) emodo-comum(direita).

Figura 2.1.3 – Representação esquemático de dispositivos de proteção contra surtos (SPD),para modo-normal(esquerda) e modo-comum(direita).

• Modo de proteção diferencial: quando os elementos estão ligados entre condutoresvivos (fase-fase ou fase-neutro).

2.2 Descargas Atmosféricas:

A maior parte das descargas está associada com nuvens de chuva que são formadaspor gotas de água, vapor de água e cristais de gelo que são carregados eletrostaticamentedevido ao atrito e à pulverização das gotas de água e de cristais de gelo que atingem mai-ores volumes. Em toda atividade atmosférica que envolve grandes movimentações de ar,tais como, erupções vulcânicas, tempestades, furacões e tornados é comum a ocorrênciade descargas atmosféricas.

A zona tropical do planeta, região compreendida entre os Trópicos de Câncer e Capri-córnio, é caracterizada por temperaturas ambiente altas e índices de chuvas e tempestadeselevados sendo, assim, a região que compreende a maior incidência de descargas atmos-féricas no planeta. O Brasil é o país com maior extensão territorial localizada em regiãotropical tornando-se, o país com maior incidência de raios.

As cargas acumuladas na nuvem induzem cargas de sinal contrário na superfície do


solo estabelecendo-se um campo elétrico essas cargas de polaridades opostas. Dentro daprópria nuvem e entre nuvens próximas existem cargas opostas acumuladas em diferentesregiões, gerando também campos elétricos de altas intensidades entre nuvens. As des-cargas ocorrem quando os valores desses campos excedem o valor suportável pelo ar 2,levando à sua ionização. Como consequência, o ar que antes se comportava como um iso-lante passa a se comportar como um condutor, permitindo a circulação de cargas elétricas.

Assim, descargas podem ocorrer em direções diversas, inclusive do chão para umaregião da nuvem que esteja positivamente carregada. A figura 2.2.1 ajuda a compreendereste fenômeno.

Figura 2.2.1 – Distribuição de cargas elétricas em nuvens e percurso do campo elétrico.

Fonte:(PAULINO et al., 2016).

As distâncias envolvidas em uma descarga atmosférica entre nuvem e solo são da or-dem de centenas de metros e a ionização do ar se dá em etapas. Um trecho de ar decomprimento na faixa de 50 a 100m é ionizado, o processo é interrompido por algunsmicrossegundos e um novo trecho é ionizado. O trajeto formado apresenta diversas rami-ficações, resultando em um canal ionizado semelhante a uma raiz. Esse canal é chamadode líder descendente. Quando a ponta da raiz se aproxima do solo, um segundo canalionizado originado no solo avança em direção ao líder descendente e, ao se encontrarem,2 Rompimento do dielétrico.


inicia-se a circulação de uma corrente intensa denominada corrente de retorno. Esse canalionizado que parte no solo é chamado de líder ascendente.

As descarga atmosféricas podem começar na nuvem e se propagar em direção ao solo,descargas descendentes, ou pode começar no solo e se propagar em direção à nuvem, des-cargas ascendentes,. Em terrenos planos, em geral, a descarga se inicia na nuvem e sepropaga em direção ao solo. Em terrenos com elevações, como terrenos montanhosos oucom torres de energia, a descarga pode se iniciar nos pontos mais elevados e se propagarem direção à nuvem.

Assim, define-se:

• descargas de polaridade negativa: quando a nuvem está carregada negativamenteem relação à terra;

• descargas de polaridade positiva: quando a nuvem está carregada positivamente emrelação à terra;

A NBR 5419 sugere a adoção de um percentual de 90% para as descargas de polari-dade negativa se o local não for especificado.

A descargas atmosféricas podem, ainda, ser classificadas em três tipos:

• Raios entre nuvens: quando a descarga ocorre entre duas nuvens vizinhas;

• Raios intranuvem: quando a descarga ocorre dentro da mesma nuvem;

• Raios entre nuvem e terra: quando a descarga ocorre entre o solo e a nuvem, inde-pendentemente da origem;

Na referência (UMAN; MCLAIN, 1969) são apresentados dados estatísticos sobre aintensidade de descargas à partir dos quais os autores propuseram os valores apresentadosna tabela 2.2.1 para a mediana e o desvio padrão para descarga principal negativa.

Tabela 2.2.1 – Mediana e o desvio padrão para a intensidade de descargas principais ne-gativas.

Mediana = 31, 1kADesvio Padrão = 0, 48kA.

Fonte: (UMAN; MCLAIN, 1969).

É importante lembrar que a mediana corresponde ao valor acima do qual 50% dasdescargas são superiores e 50% são inferiores. No caso da descarga principal negativa,


isso significa que 50% das descargas são superiores a 31, 1kA e 50% são de valores inferi-ores a 31, 1kA. Na referência (GUIMARAES; SOBREIRO; VISACRO, 2014) os autores,analisando apenas dados medidos em Minas Gerais, propõem um valor para a mediana dadescarga principal negativa igual a 45kA, ou seja, um valor superior ao utilizado quandose considera as medições realizadas ao longo do planeta.

Medições realizadas pelo sistema RINDAT mostram que é comum a ocorrência devárias descargas no mesmo canal ionizado (relâmpago). A primeira descarga geralmenteé a de maior intensidade e é chamada de descarga principal. As demais componentes sãochamadas de descargas subsequentes. Na tabela 2.2.2 é apresentada a porcentagem porintensidade de descargas principais negativas.

Tabela 2.2.2 – Intensidade das descargas principais negativas nuvem/solo, adaptada daNBR5419.

Valor de pico (kA) % de descargas comda corrente valores acima dos valores

da primeira coluna3 995 9520 8030 6035 5050 3060 2080 10100 5

Fonte: Adaptada da NBR5419.

Estes valores são obtidos aplicando-se uma margem de segurança encima dos valoresobtidos com a relação 2.5, presente na referência (ANDERSON; ERIKSSON., 1980).

P (I0 > i0) =I

1 +(i031

)2,6 (2.5)P (I0 > i0) é a probabilidade de que o valor de pico da corrente I0 assuma um valor

maior que i0.

Para ter uma melhor dimensão da composição das descargas principais e subsequentes,na figura 2.2.2 é apresentado um gráfico com das correntes de descargas em função do


tempo. 3

Figura 2.2.2 – Formas de onda típicas de uma descarga nuvem-solo de polaridade negativa.Primeira curva: descarga principal; segunda e terceira curvas: descargas subse-quentes.

Fonte:Adaptado de (ANDERSON; ERIKSSON., 1980).

As formas de onda mostradas na figura 2.2.2 são difíceis de serem reproduzidas emlaboratório e a normas utilizam formas de onda mais simples, em geral denominadas dedupla exponencial (porque podem ser matematicamente representadas pela soma de duasexpressões exponenciais) e que são facilmente geradas em laboratório. Na seção 2.3 sãomostradas formas de onda típicas geradas em laboratório com indicação dos principaisparâmetros que caracterizam a forma de onda.

2.2.1 Tensões Induzidas por Nuvens Carregadas e Por Descar-gas Atmosféricas:

Quando uma nuvem em potencial elétrico diferente do potencial da rede se aproximadesta há uma redistribuição das cargas elétricas por indução. Isto pode ocasionar fluxosde cargas indesejados na rede resultando em pequenos surtos de tensão. Esta situação éilustrada na figura.

3 É comum que entre a descarga principal e as descargas subsequentes ocorra uma etapa de correntecontínua que pode durar um tempo longo, na ordem de milissegundos.


Figura 2.2.3 – Representação da indução elétrica ocasionada na rede por uma nuvem numpotencial elétrico qualquer.

No caso de haver descargas entre nuvens que estejam na mesma vizinhança, podeocorrer um fluxo de cargas conforme ilustrado na figura 2.2.4.

Figura 2.2.4 – Representação da indução elétrica ocasionada na rede por descargas atmosféricasentre nuvens vizinhas em potenciais elétricos diferentes.

Quando a descarga atmosférica ocorre entre a nuvem e o chão, próximo à rede, ossurtos ocorrem de acordo com o ilustrado na figura 2.2.5.

Figura 2.2.5 – Representação dos surtos de tensão ocasionados na rede por descargas atmosfé-ricas próximas à rede.


Outra situação que ainda pode ser citada é a na qual uma descarga atinge um para-raios. Um equipamento ligados à rede próximo a esse para-raio será levado a um potencialelétrico maior que um segundo equipamento a uma distância maior, ocasionando um surtode tensão conforme representado na figura 2.2.6.

Figura 2.2.6 – Representação dos surtos de tensão ocasionados na rede por descargas atmosfé-ricas próximas à rede.

Na NBR 5419, são considerados quatro níveis de proteção, NP, contra descargasatmosféricas, de I a IV. Para cada NP4, é fixado um conjunto de parâmetros máximos emínimos das correntes das descargas atmosféricas5,6.

Em relação à incidência dos raios, estes podem ser classificados da seguinte forma:

• Raio direto sobre um edifício: Se o edifício estiver equipado com um sistema de pára-raios, o raio será descarregado na terra aumentando a tensão do aterramento e detudo o que estiver conectado a ele. No impacto direto constata-se ou o acoplamentoindutivo, por exemplo, entre o aterramento e um condutor que corre paralelamentea ele, ou o acoplamento resistivo, por exemplo, entre o aterramento e tubulações me-tálicas eventualmente presentes no solo. Os surtos de tensão que ocorrem através deum acoplamento resistivo podem gerar descargas perigosas, pois contêm energia su-ficiente para iniciar um incêndio ou destruir equipamentos. O acoplamento resistivoentre as partes condutoras também provoca o aparecimento de tensões perigosas depasso e de toque. As tensões de passo apresentam um percurso decrescente e sãoperigosas para seres humanos e animais;

4 Nível de Proteção.5 A proteção contra descargas atmosféricas cujos parâmetros máximos e mínimos de corrente excedam

aqueles correspondentes ao NP I requer medidas de proteção mais eficientes, as quais recomenda-seque sejam escolhidas e implementadas para cada caso específico.

6 A probabilidade de ocorrência de descargas atmosféricas cujos parâmetros de correntes estejam forado intervalo máximo e mínimo do NP I é menor que 2%.


• Raio indireto sobre um edifício: Neste caso apenas o acoplamento indutivo é consi-derado. Os surtos de tensão são gerados pelo campo magnético associado à correntedo raio que faz contato com as partes metálicas condutoras do edifício;

• Raio direto sobre uma linha: A corrente do raio é dividida igualmente em ambas asdireções, passando através do transformador MT/BT, e gera surtos de tensão emtudo o que estiver aterrado;

• Raio indireto sobre uma linha (acoplamento indutivo): Os surtos de tensão indu-zidos, cuja amplitude varia de 3 a 5kV , não têm energia suficiente para iniciar umincêndio, mas podem destruir os equipamentos conectados na rede;

Em laboratório descargas diretas são simuladas com pulsos do tipo (10/350µs) e des-cargas indiretas são simuladas com pulsos (8/20µs) 7.

2.2.1.1 Descargas Diretas:

Se um raio atingir uma linha de energia elétrica, a corrente do raio (e o respectivosurto de tensão) se propaga em ambos os sentidos da linha (figura 2.2.7), dividindo-se empartes iguais e provocando efeitos indesejados nas cargas presentes no percurso.

Figura 2.2.7 – Representação dos surtos de tensão ocasionados na rede por descargas atmosfé-ricas diretas.

7 na seção 2.3


2.3 Pulsos Simulados de Surtos de Tensão:

Como comentado na seção 2.2, as formas de ondas das descargas atmosféricas, ondasprincipais e subsequentes, são difíceis de serem reproduzidas em laboratório e a nor-mas utilizam formas de onda mais simples, em geral denominadas de dupla exponencial(porque podem ser matematicamente representadas pela soma de duas expressões expo-nenciais) e que são facilmente geradas em laboratório.

A figura 2.3.1 mostra um modelo genérico de onda típicas geradas em laboratório comindicação dos principais parâmetros que caracterizam a forma de onda. Os principiasparâmetros das ondas mostradas na figura 2.3.1 são o valor de pico, Ipico, o tempo defrente de onda, Tfrente e o tempo de cauda de onda, Tcauda.

Figura 2.3.1 – Representação dos surtos de tensão ocasionados na rede por descargas atmosfé-ricas diretas.


Pode-se afirmar que um circuito submetido a uma descarga atmosférica fica subme-tido, de forma simplificada, a esforços eletromecânicos, térmicos e eletromagnéticos. Aprimeiro depende da intensidade da corrente, o segundo o tempo em que o circuito épercorrido pela corrente e o último pela taxa de variação da corrente. A normalizaçãobrasileira de proteção contra descargas atmosféricas também utiliza um conjunto de ondasde corrente que representa todas as etapas da descarga, considerando todos os tipos desolicitação.

Assim, a função de limitação de tensão dos DPSs é testada em laboratório usandosurtos de correntes com forma de pulso. As formas mais comuns são as (8/20µs), mos-trado no gráfico da esquerda da figura 2.3.2. Os números 8 e 20 representam um tempode subida de 8µs e um tempo de decaimento até metade do valor de 20µs.

Esta forma de pulso também fornece informações sobre o comportamento da respostadinâmica do DPS. Para chaveamentos na rede o comportamento das oscilações também é


Figura 2.3.2 – Modelos normativos de surtos de tensão e de corrente.

testado usando um pulso de surto de tensão de curtíssima duração com a forma de pulsode (1, 2/50µs), mostrado no gráfico central da figura 2.3.2. DPSs projetados para protegercontra correntes diretas de descargas são adicionalmente testado usando correntes de picocom uma forma de pulso de (10/350µs), mostrado no gráfico da direita da figura 2.3.2.A amplitude é baseada na corrente de surto de descargas atmosféricas do dispositivoespecificado pelo fabricante. Ou seja, de forma geral, os pulsos são representados por(T1/T2 µs) e obtidos pela relação 2.6,

I(t) = I0k

(t/T1)101 + (t/T1)10

· e−t

T2 (2.6)

na qual,

• T1 = Tempo de frente de onda, que corresponde ao tempo que o sinal leva paracrescer até 90% de seu valor de pico.

• T2 = Tempo que o sinal leva para decrescer até 50% do valor de pico, contado desdea origem do pulso.

Na tabela são mostrados

2.4 Normas:

2.4.1 Norma NBR 5419:

A Norma NBR 5419 fixa as condições exigíveis ao projeto, instalação e manutençãode sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) de estruturas, bem comode pessoas e instalações no seu aspecto físico dentro do volume protegido. Esta Normaaplica-se às estruturas comuns, utilizadas para fins comerciais, industriais, agrícolas, ad-ministrativos ou residenciais entre outras estruturas especiais.


2.4.2 Norma IEC 61643:

Os DPSs são geralmente classificados de acordo com valores de desempenho, classe deproteção e localização de uso. Esta classificação é encontrada na norma de produto IEC61643, que contém definições de gerais de requisitos e procedimentos de teste para estesdispositivos de proteção contra surtos de energia. Alguns dos padrões da série são:

• IEC 61643-11: Proteção contra surtos dispositivos conectados a baixa tensão sis-temas de energia - Requisitos e métodos de teste (IEC, 2011).

• IEC 61643-21: Proteção contra surtos dispositivos conectados a telecomunicaçõese redes de sinalização - requisitos de desempenho e teste métodos (IEC, 2009).

• IEC 61643-31: Proteção contra surtos para dispositivos conectados na baixa ten-são - Requisitos e métodos de teste para proteção contra surtos para dispositivosusados em instalações fotovoltaicas.

Futuramente será adicionado o seguinte padrão a esta série:

• IEC 61643-41: Proteção contra surtos para dispositivos conectados na baixa ten-são para sistemas de potência DC - Requisitos e métodos de teste.

2.5 Características Fundamentais de Dispositivos deProteção:

2.5.1 Tensão nominal de rede (Un):

A tensão nominal indicada para um DPS corresponde à tensão do sistema no local deinstalação do dispositivo para um sistema trifásico padrão, por exemplo, 127/220V CA.Embora este dado não conste na plaqueta de informação dos DPSs comerciais, é neces-sário conhecer o valor da tensão nominal do sistema a ser protegido, e verificar se Un < Uc.

2.5.2 Tensão Contínua Máxima (Uc):

Esta tensão corresponde ao valor quadrático médio máximo da tensão que é permi-tido ser aplicada nos terminais do DPS sem danificá-lo. A tensão contínua máxima deveser pelo menos 10% superior ao valor da tensão nominal, Un. Em sistemas com maioresvariações de tensão esta diferença entre Uc e Un deve ser maior.


2.5.3 Nível de Proteção de Tensão (Up):

Indica a capacidade do DPS em limitar sobretensões e está associada diretamente atensão máxima (valor instantâneo) de limitação medida entre os terminais do DPS naocorrência de falha. Podemos dizer então que Up é a tensão que o DPS deixa passar àinstalação. O nível de proteção do DPS deve ser compatível com os valores de suporta-bilidade a impulsos exigidos dos componentes da instalação, que caracteriza o nível desobretensões transitórias que o isolamento do produto é capaz de suportar, sem disrupções.

Se um DPS for caracterizado por um valor de Up < 1, 2kV , por exemplo, isso significa,que se um surto de tensão de com tensão de pico assumindo qualquer valor acima de1, 2kV será limitado pelo centelhador até um valor máximo de 1, 2kV .

2.5.4 Corrente Nominal de Descarga (In):

Esta corrente corresponde ao valor máximo da corrente fluindo através do DPS comforma de pulso (8/20µs). A forma de pulso (8/20µs) de um surto corrente é característicados efeitos das descargas atmosféricas indiretas ou da comutação de operação de dispo-sitivos ligados na rede. O valor do nominal da corrente de descarga é usado para umavariedade de testes em um DPS, incluindo os testes usados para determinar o nível deproteção de tensão.

2.5.5 Corrente Máxima de Curto Circuito (ISCCR):

Esta grandeza reflete qual a capacidade de suportar correntes de curto-circuito do DPS.Os testes para determinar este valor realizados com o máximo de dispositivos conectadospermitido pelo dispositivo de proteção de sobrecorrente (OCPD). No caso especial no qualos dispositivos de proteção são para proteção de sistemas fotovoltaicos, esta corrente érepresentada por ISCPV .

2.5.6 Tensão Suportável Pelo Equipamento Protegido: (UW):

Como o próprio nome já diz, essa é a tensão suportável pelo equipamento sem que omesmo se danifique. Assim, a tensão UP deve ser sempre menor que UW .


2.5.7 Tensão de Proteção Efetiva (UP/F ):

A tensão de proteção efetiva do DPS, (UP/F ), depende da tensão de proteção do DPSUP e das características da instalação. Por melhor que seja a instalação considerada (emtermos de proteção contra surtos), a tensão de proteção do DPS deve sempre ser inferiorao nível de resistibilidade do equipamento UW .

2.5.8 Corrente máxima (Imáx)

Valor máximo de um impulso de corrente com forma de onda 8/20µs que o disposi-tivo pode funcionar com segurança. Geralmente um surto de corrente no valor de Imáxresultará no funcionamento uma única vez do produto.

2.5.9 Corrente de Surto de Descargas Atmosféricas (IIMP):

Valor máximo da corrente fluindo através do DPS com forma de pulso 10/350µs. Aforma de pulso 10/350µs de uma corrente de surto é usada para simular fluxo de correntede descargas atmosféricas diretas. O valor desta corrente de surto é usado em testesespeciais de um SPD para demonstrar sua capacidade de carga no que diz respeito àscorrentes de alta energia.

2.5.10 Capacidade de Descarga de Corrente Subsequente (IFI)

É a máxima corrente de curto-circuito que o dispositivo é capaz de interromper por sisó, sem operar o desligador. Esta refere-se, em particular, ao DPS Classe I e Classe I eII (combinado), por serem modelos baseados em centelhadores. Deve-se ter IFI > Ik, naqual Ik representa a corrente presumida de curto-circuito no ponto de instalação do DPS.Conforme comentado na seção anterior, a NBR 5410 requer IN > 100A (valor eficaz).

2.5.11 Corrente Subsequente da Fonte (IF):

Na situação na qual a chave está fechada porque o valor da tensão da fonte somadoao valor da tensão de um surto presente na linha atingiu o valor UP , circula pelo DPSuma parcela de corrente proveniente da fonte IF e outra do surto. Considera-se aqui quea corrente do surto é igual à corrente nominal do DPS, IN .


No momento em que a corrente de surto se extingue circula pelo DPS apenas a correntesubsequente da fonte IF . Caso a corrente que o DPS seja capaz de interromper por simesmo IF I seja maior que a corrente subsequente da fonte IF , a chave interrompe acorrente da fonte e abre o circuito, restabelecendo a condição normal de operação.

40

3 Metodologia: Métodos de Prote-ção.

3.1 Noções Sobre Aterramento:

3.1.1 Importância do Aterramento:

Um SPDA 1 protege contra picos de energia que podem causar danos elétricos, alémde desviar as correntes que excedem às nominais dos aparelhos ligados na rede, além deproteger as pessoas contra choques elétricos que podem ocorrer ao entrar em contato comequipamentos energizados, como um chuveiro, por exemplo. Porém, apenas o sistema deaterramento não é suficiente para garantir o controle sobre as sobretensões transitórias ereduzi-las a valores aceitáveis para os equipamentos, explicando assim a obrigatoriedadedo uso do DPS imposta pela norma NBR 5410 (ABNT, 2008). Além disso, para garantiro desempenho do DPS é necessário que a instalação possua um aterramento adequado.

Para que o DPS funcione corretamente e consequentemente proteja sua instalação elé-trica é necessário que o sistema de aterramento e a equipotencialização da planta estejambem feitas. Esses sistemas são responsáveis por coibir diferenças de potencial danosas, sejapara segurança das pessoas, seja para o bom funcionamento dos equipamentos. Na normaNBR 5410 existe um capítulo denominado "Aterramento e equipotencialização2"no quala norma deixa claro que estes dois conceitos são inseparáveis. Vale lembrar que o sistemade aterramento de uma instalação é obrigatório e determinado por lei.

3.1.2 Esquemas de Aterramento:

A NBR 5410 prevê os sistemas de aterramento TT, TN-C, TN-S, TN-C-S e IT.Estes sistemas de aterramento são designados pela simbologia mostrada na figura acordocom a norma NBR 5410 (ABNT, 2008).

1 Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas.2 "Conjunto de medidas que visa a redução das tensões nas instalações causadas pelas descargas atmos-

féricas a níveis suportáveis para essas instalações e equipamentos por elas servidos, além de reduzirriscos de choque elétrico. Tais medidas consistem tipicamente em ligações entre partes metálicasdas instalações e destas ao SPDA, direta ou indiretamente (por meio de DPS), envolvendo massasmetálicas de equipamentos, condutores de proteção, malhas de condutores instaladas sob ou sobreequipamentos sensíveis, blindagens de cabos e condutos metálicos, elementos metálicos estruturais,tubulações metálicas entre outros- NBR 5419 (ABNT, 2014).

Capítulo 3. Metodologia: Métodos de Proteção. 41

Figura 3.1.1 – Simbologia Utilizada em sistemas de aterramento de acordo com a NBR5410.

Fonte: NBR5410 (ABNT, 2008).

Na simbologia mostrada no parágrafo anterior, tem-se:

• 1a letra - Situação de alimentação em relação à terra:T - Um ponto diretamente aterrado;I - Isolação de todas as partes vivas em relação à terra ou aterramento de um pontoatravés de impedância;

• 2a letra - Situação das massas em relação à terra:T - Diretamente aterradas;N - Massas ligadas ao ponto de aterramento ;I - Massas isoladas, não aterradas;

• Outras letras - Disposição do condutor neutro e do condutor de proteção:S - Neutro e proteção por condutores distintos;C - Neutro e proteção em um único condutor (PEN);

3.1.2.1 Esquemas TN:

O esquema TN possui um ponto da alimentação diretamente aterrado, sendo as massasligadas a esse ponto através de condutores de proteção. São consideradas três variantes deesquema TN, de acordo com a disposição do condutor neutro e do condutor de proteção,a saber:

• esquema TN-S, no qual o condutor neutro e o condutor de proteção são distintos;

• esquema TN-C-S, em parte do qual as funções de neutro e de proteção são combi-nadas em um único condutor;

• esquema TN-C, no qual as funções de neutro e de proteção são combinadas em umúnico condutor, na totalidade do esquema.

Na figura 3.1.2 e 3.1.3 são mostrados alguns esquemas TN.


Figura 3.1.2 – Da esquerda pra direita: esquema TN-C e esquema TN-S.


Figura 3.1.3 – Esquema TN-C-S.


3.1.2.2 Esquams TT:

O esquema TT possui um ponto da alimentação diretamente aterrado, estando asmassas da instalação ligadas a eletrodo(s) de aterramento eletricamente distinto(s) doeletrodo de aterramento da alimentação. Os esquemas TT são mostrados na figura 3.1.4.

Figura 3.1.4 – Da esquerda pra direita: ligação com eletrodo comum e eletrodos distintos.



3.1.2.3 Esquemas IT Com Alimentação Aterrada Através de Impedância:

No esquema IT todas as partes vivas são isoladas da terra ou um ponto da alimentaçãoé aterrado através de impedância. As massas da instalação são aterradas, verificando-seas seguintes possibilidades:

• massas aterradas no mesmo eletrodo de aterramento da alimentação, se existente;

• massas aterradas em eletrodo(s) de aterramento próprio(s), seja porque não há ele-trodo de aterramento da alimentação, seja porque o eletrodo de aterramento dasmassas é independente do eletrodo de aterramento da alimentação.

Nas figuras 3.1.5 e 3.1.6 são mostrados alguns esquemas IT.

Figura 3.1.5 – Da esquerda pra direita: ligação com eletrodos separados e independentes doaterramento da alimentação; ligação com eletrodo comum e independente doaterramento da alimentação.


Na imagem da esquerda da figura 3.1.5 as massas são aterradas em eletrodos separa-dos e independentes do eletrodo de aterramento da alimentação. Na imagem da direita asmassas são coletivamente aterradas em eletrodo independente do eletrodo de aterramentoda alimentação.

Na imagem da esquerda da figura 3.1.6 o neutro não possui aterramento da alimentação(pederia ser aterrado por impedância). Na imagem da direita da figura 3.1.6 as massascoletivamente aterradas no mesmo eletrodo da alimentação.


Figura 3.1.6 – Da esquerda pra direita: esquema IT sem aterramento da distribuição; Massascoletivamente aterradas no mesmo eletrodo da alimentação.


3.2 Zona de Proteção Contra Raios (LPZ):

O ambiente eletromagnético associado à descarga de um raio pode ser dividido emregiões, as LPZs. Medidas de proteção, tais como SPDA, cabos blindados, DPSs, de-finem uma zona de proteção. As zonas são caracterizadas pela atenuação significaticados efeitos eletromagnéticas (por exemplo, intensidade do campo eletromagnético, valoresda corrente do raio, valores de surtos de tensão, etc.), devido à presença de medidas deproteção.

Associa-se auma LPZ um número entre 0 e 3 (LPZ0, LPZ1, etc.). Quanto mais altofor o número, mais os efeitos eletromagnéticos dos raios naquela região.

• LPZ0A: zonas livres. Não há nenhuma proteção, se houver, estarão fora do pára-raios. Neste caso, existe a possibilidade de incidência direta de raio e, portanto, acorrente do raio é alta e o campo ELM 3 não é atenuado;

• LPZ0B: abaixo do dispositivo sensor. A corrente de raio é pequena, o campo ELMnão é atenuado;

• LPZ1: no interior do edifício, depois do primeiro DPS, a corrente do raio é limitada.O campo ELM é atenuado;

• LPZ2: zona caracterizada pela inclusão de outro DPS. A corrente do raio é aindamais limitada; o campo ELM é muito atenuado;

3 Campo eletromagnético.


• LPZ3: inclusão de outro DPS. Isso corresponde a uma tomada ou ao interior de umdispositivo eletrônico;

Estas regiões estão representadas na figura 3.2.1.

Figura 3.2.1 – Representação de diferentes zonas de proteção.

3.3 Categorias de Instalação:

A categoria do sistema fornece uma ideia da resistência ao impulso dos equipamentos,ao passo que a LPZ, conforme comentado, define regiões com variações eletromagnéticasmais ou menos significativas devido à presença de descargas atmosféricas.

A NBR5410 há uma exigência mínima de suportabilidade a impulso dos componen-tes da instalação e acordo com a categoria de instalação, conforme será comentado naseção 3.6.2, na qual estas informações são mostradas na tabela 3.6.2.

3.3.1 Categoria de Instalação (ou de Surto de Tensão) I:

Esta categoria inclui equipamentos muito sensíveis a picos de tensão, como equipa-mentos eletrônicos.


Figura 3.3.1 – Categorias de instalação.

3.3.2 Categoria de Instalação II:

Esta categoria inclui os aparelhos tais como ferramentas portáteis ou eletrodomésticosentro outros equipamentos elétricos sem partes eletrônicas.

3.3.3 Categoria de Instalação III:

Refere-se aos aparelhos que fazem parte do sistema, como interruptores, tomadas,quadros, etc.

3.3.4 Categoria de instalação IV:

Pertencem a esta categoria os dispositivos instalados antes do quadro de distribuição,tais como os contatores e as luminárias LED exteriores.


3.4 Dispositivos de Proteção Contra Surtos de Ten-são (DPSs):

É importante fazer a distinção entre um DPS e um componente de proteção (e.g.,centelhador, varistor ou diodo). Um DPS contém um ou mais componentes de proteçãoencapsulados em um invólucro seguro e apropriado para a instalação, o que inclui umsistema de fixação mecânica e conectores elétricos apropriados para a aplicação. Alémdisso, é comum que o DPS seja capaz de indicar o seu fim de vida útil, facilitando amanutenção. Por questões de segurança é altamente recomendável que um DPS estejaem conformidade com as normas aplicáveis.

A NBR 5419-4 (ABNT, 2014) define DPS como: “Dispositivo destinado a limitaras sobretensões e desviar correntes de surto. Contém pelo menos um componente nãolinear”. A mesma norma classifica o DPS em dois tipos: comutador de tensão e limitadorde tensão. Um DPS comutador de tensão ideal pode ser representado por uma chave,controlada pelo valor da tensão nos seus terminais, conectada em paralelo com o circuitoou equipamento que se quer proteger. Se a tensão está abaixo de certo limite, a chavepermanece aberta, caso contrário a chave se fecha automaticamente, conforme mostradona figura 3.4.1. O limite especificado para o fechamento da chave UP deve ser menor queo valor de tensão suportável pelo equipamento protegido Uw. É importante observar quea tensão contínua máxima UC não pode provocar o fechamento da chave.

Um DPS comutador de tensão apresenta baixa tensão entre seus terminais quando noestado de condução. Já o DPS limitador de tensão apresenta uma impedância não-linearno estado de condução, resultando em uma tensão entre seus terminais que é próxima dasua tensão de proteção Up. Isto é ilustrado na figura 3.4.2.

É importante destacar que, quanto menor a tensão de proteção, Up, de um DPS,melhor proteção ele oferece ao equipamento. Portanto, o valor de Up deve ser o menorpossível, desde que não se comprometa a margem de segurança da tensão máxima de ope-ração contínua do DPS UC . A tensão de proteção de um DPS comutador normalmentedepende da taxa de crescimento da tensão nos seus terminais. Quanto maior a taxa decrescimento, maior a tensão de proteção. Já para um DPS limitador, a sua a tensão deproteção normalmente depende do valor da sua corrente de descarga nominal (PAULINOet al., 2016).

A proteção contra surtos deve garantir que as tensões não causem danos às instalações,equipamentos ou dispositivos finais. Assim os DPSs cumprem as seguintes funções:


Figura 3.4.1 – Atuação simplificada de um DPS. Ele não atua para a tensão de serviço, UC ,e atua se a tensão atingir o valor UP , que deve ser inferior ao valor suportávelpelo equipamento, UW .


Figura 3.4.2 – DPS comutador de tensão e DPS limitador de tensão..


• Limitam a amplitude dos surtos de energia de modo que estes não excedam valorespermitidos pelos dielétricos dos dispositivos;


• Descarregam a energia de surto em um terra isolado do equipamento;

Os DPSs funcionam como chaves de tensão controlada. Quando a tensão na rede émenor que a tensão de ativação do DPS, este funciona como um elemento passivo. Casocontrário o DPS desvia a energia do surto garantindo, assim, a proteção dos dispositivos.Para escolher um DPS deve-se considerar a exposição do equipamento a descargas atmos-féricas e o impulso máximo de tensão que o equipamento precisa suportar4.

A forma de onda usada para avaliar a imunidade contra surtos em luminárias usadasem na iluminação de ambientes externos é uma combinação de tensão de circuito abertode 1, 2 × 50µs e curto-circuito de 8 × 20µs5. Para realizar este teste, a corrente de picoespecificada é calibrada no pico do gerador, conectando a saída para terra antes da cone-xão com a luminária.

Os DPSs são implementados utilizando uma grande variedade de componentes deproteção. Estes incluem varistores de óxido metálico (MOVs), tubos de descarga de gás(GDTs) e diodos de supressão de tensão transiente (TVSD). Quando um transiente anor-mal de alta tensão ocorre, os dispositivos são ativados para absorver a energia transitóriapara posteriormente voltarem para o seu modo normal em standby.

Os MOVs são utilizados para proteção em painéis de distribuição de energia devidoà sua alta capacidade de manuseio de energia e à sua resposta rápida à transitórios.Portanto, os MOVs também são adequados para uso como dispositivos de proteção emaplicações de iluminação LED ao ar livre.

Na figura 3.4.3 é mostrada a simbologia de alguns dispositivos de proteção.

Figura 3.4.3 – Dispositivos de proteção contra surtos.

4 Modelos de impulsos foram apresentados na seção 2.3.5 Estas formas de onda foram mostradas na seção 2.3


O primeiro e o segundo componentes, da esquerda para direita, são um centelhador eum diac 6. Estes dois componentes comutam os surtos de tensão.

O terceiro e o quarto componentes são um diodo TVS 7 e um varistor, respectivamentee ambos componentes são limitadores de tensão.

O quinto e o sexto são duas associações em série de centelhador a gás e varistor, e deum diac com um diodo TVS. Estes esquemas limitam os surtos de tensão em série comos componentes que os comutam.

A duas últimas conexões, da esquerda para a direita são um centelhador a gás co-nectado em paralelo com um varistor e um diodo TVS conectado em paralelo com umdiac. Ambas conexões limitam os surtos de tensão em paralelo com os componentes queos comutam.

3.4.1 Centelhadores (GDTs):

Os centelhadores mais simples são constituídos de dois eletrodos no ar. Ao se aplicaruma sobretensão entre esses eletrodos, a rigidez dielétrica do ar é rompida e forma-se umarco elétrico entre eles. A tensão entre os dois eletrodos depois que o arco se forma é re-lativamente baixa e a sobretensão que causa o arco elétrico é chamada tensão de disparo.Como os eletrodos estão no ar, a tensão de disparo depende das condições ambientais,como pressão, temperatura e umidade. Em decorrência dessas desvantagens, os centelha-dores a ar foram substituídos pelos centelhadores a gás 8 em muitas aplicações.

Para tensões abaixo da sua tensão de disparo, a resistência do centelhador a gás é daordem de 10GΩ, enquanto na condição de condução (arco elétrico) ela cai para cerca de0, 1Ω. A capacitância de um centelhador a gás é muito baixa, da ordem de alguns pF .Essa característica torna esse componente especialmente adequado para a proteção decircuitos de comunicação ’de alta frequência. Os centelhadores podem drenar correntesmuito elevadas e sua tensão de disparo nominal pode variar de 70V a vários kV .

6 O diac é basicamente uma combinação paralela inversa de camadas semicondutoras com dois terminais,permitindo o disparo em qualquer direção.

7 O diodo TVS é equivalente a dois diodos zener ligados em série e invertidos, porém diodos zener nãosão os dispositivos apropriados para esta finalidade, tanto pela sua velocidade de reposta como pelaquantidade de energia que podem manusear

8 A diferença do centelhador a gás em relação ao centelhador a ar consiste na instalação dos eletrodosdentro de uma câmara cheia de um gás nobre (argônio e neônio) a baixa pressão.


Uma das limitações para o uso de centelhadores em linhas de potência é sua dificuldadeem extinguir o arco elétrico após a passagem do surto. Isso ocorre porque, após a extinçãoda corrente de surto, a corrente subsequente da fonte, IF , mantém o centelhador ionizadocausando um curto circuito na linha. A elevada corrente que flui por esse curto-circuitoimpede que o centelhador restabeleça o isolamento do circuito. Portanto, um centelhadornão deve ser utilizado diretamente em uma rede elétrica de baixa tensão. Cabe ressaltarque existem centelhadores que são especialmente projetados para uso em linhas de potên-cia em corrente alternada, onde mecanismos sofisticados de expulsão e resfriamento doarco elétrico possibilitam que o mesmo seja extinto na passagem da corrente por zero.

O centelhador pode ser descrito como uma resistência variável que, dentro de 100nsaltera seu valor, passando de vários GΩ em estado de repouso a valores abaixo de 1Ω,durante um surto de tensão. A proteção retorna ao seu estado original de alta impedânciadepois que o surto de tensão diminui. O funcionamento do GDT é mostrado simplifica-damente na figura 3.4.4,

Figura 3.4.4 – Comportamento do GDT, de forma simplificada, na presença de um surto detensão.

na qual:

• Fase 1: A descarga não é iniciada (circuito aberto);

• Fase 2: A descarga ocorre e a corrente flui através do DPS.Na tensão de igniçãoUin, à qual corresponde o nível de proteção UP do protetor de surto, a tensão nosterminais do DPS cai até a Ures, que coincide com a tensão do arco. Portanto, oequipamento protegido por um DPS por comutação fica sujeito a um surto de tensãocorrespondente à Uin;

• Fase 3: Extinção do arco;

Durante a operação, a tensão nos terminais do GDT é muito baixa e corresponde àtensão do arco, ao passo em que a corrente é muito elevada. Durante a descarga, a tensão


nos terminais do GDT, Ures, atinge valores muito baixos, com o risco de que a tensãoda rede, sendo maior do que a Ures, mantenha o dispositivo ligado e dificulte ou mesmoimpossibilite a extinção do arco. O arco, na verdade, pode permanecer depois que o picode tensão cesse, pois é mantido pela tensão do circuito e a corrente até o terra, denomi-nada corrente residual, pode durar muito. A corrente residual coincide com a corrente decurto-circuito do sistema no ponto de instalação do centelhador, sem a redução de tensãoprovocada pela presença do arco.

Os DPSs conectados entre o neutro e a PE nos sistemas TT ou TN devem permitir,após sua operação, uma corrente residual para uma frequência industrial superior ou iguala 100A. Para valores elevados de corrente de curto-circuito no ponto de instalação do cen-telhador (DPS), devem ser instaladas proteções de corrente máxima, acionadas quandoo arco não se extinguir espontaneamente, ou deve-se usar DPSs caracterizados por umaligação interna em série entre o varistor e o GDT.

3.4.2 Varistores (MOVs):

Os varistores são dispositivos utilizados para proteção contra surtos de tensão, fabri-cados com uma mistura de cerâmica e partículas de óxido de zinco (MOV) ou óxido demagnésio sinterizado 9. Eles podem ser considerados como uma resistência cujo valormuda de acordo com a tensão aplicada aos terminais: quanto maior a tensão, menor aresistência. A equação que representa o comportamento da corrente em um varistor emfunção da tensão aplicada é mostrada em (3.1),

I = K · V α, (α > 1) (3.1)

Em baixa tensão a resistência do varistor é da ordem de 1mΩ e a sua resistênciaaparente cai para menos de 1Ω durante a condução de uma corrente impulsiva elevada.O varistor é normalmente caracterizado pela tensão desenvolvida entre os seus terminaisquando ele é percorrido por uma corrente de 1mA. Essa tensão é conhecida como tensãode varistor ou tensão de referência.

Uma desvantagem do varistor é que a tensão da rede provoca a circulação permanentede uma corrente de fuga, de valor muito baixo µA quando o componente é novo, mas quevai aumentando de valor ao longo do tempo. Essa corrente de fuga aquece o componentee pode levar a uma degradação térmica. Dessa forma, é recomendável que um varistorseja instalado em uma linha de potência acompanhado de um dispositivo de segurança9 A sinterização é um processo no qual pós com preparação cristalina ou não, uma vez compactados,

são submetidos a temperaturas elevadas, ligeiramente menores que a sua temperatura de fusão. Esteprocesso cria alterações na estrutura microscópica do elemento base.


que desliga o varistor em caso de sobreaquecimento.

Como o varistor mantém uma tensão residual entre os seus terminais, ele não causa umcurto-circuito na linha. Essa característica torna esse componente particularmente apro-priado para a proteção de linhas de potência, já que ele interrompe a corrente após o surto.Além disso, há varistores capazes de drenar várias dezenas de kA. Essas característicasfazem com que os varistores sejam largamente utilizados em sistemas elétricos de potência.

Os DPSs fabricados com varistores são definidos como de limitação, pois têm a capa-cidade de manter constante a tensão nos terminais durante a absorção do surto de tensão.Esta é uma característica especial dos varistores. Na figura 3.4.5 está representado ocomportamento de um varistor em presença de um surto de tensão.

Figura 3.4.5 – Comportamento de um varistor em presença de um pico de tensão.

Comparando as figuras 3.4.4 e 3.4.5, se pode perceber algumas diferenças entre o cen-telhador e o varistor. Enquanto o GDT age abruptamente sobre a tensão, quando estaatinge o limite Uin. Já o varistor altera sua resistência proporcionalmente com a tensãoaplicada em seus terminais, o que implica em uma limitação gradual.

A tensão nos terminais do varistor permanece constante apesar do aumento de cor-rente, e a passagem pela zona de condução ocorre em poucos nanosegundos. A figura 3.4.6indica o percurso da tensão residual nos terminais do varistor em função da corrente. Atensão residual depende da geometria da pastilha que, pode ser dimensionada de formasdistintas para projetar DPSs com desempenhos variados e para diferentes aplicações.

Na figura 3.4.7 são comparadas as características dos componentes de comutação e delimitação encontradas em ensaios de laboratório. Percebe-se como o varistor começa atrabalhar em baixas tensões, razão pela qual ele é instalado entre a fase e o neutro.


Figura 3.4.6 – Comportamento da tensão nos terminais de um varistor em função da correnteque o atravessa.

Figura 3.4.7 – Comportamento da tensão nos terminais de um varistor em função da correnteque o atravessa.

3.4.3 Diodos Supressores de Transientes de Tensão (TVSDs):

Embora os diodos zener comuns possam ser usados em alguns casos, eles não sãoos dispositivos apropriados para esta finalidade, tanto pela sua velocidade de repostacomo pela quantidade de energia que podem manusear. Os diodos supressores de surtose frequentemente dois diodos são montados juntos em um mesmo encapsulamento, compolaridades opostas. Essa montagem confere ao conjunto uma característica bidirecional.

Para os diodos com tensão nominal até 6V , o mecanismo de condução é o efeito zener.Acima deste valor, o principal mecanismo é o efeito avalanche. São encontrados comerci-


almente diodos de proteção com tensão nominal de 3 a 200V e corrente de surto até 10kA- onda (8/20µs).

Uma característica muito positiva do diodo é que a sua atuação não é sensível à taxade crescimento da tensão aplicada. Além disso, os principais parâmetros do diodo podemser determinados a partir do projeto do componente, i.e., o diodo pode ser projetado deforma customizada para uma determinada aplicação. Essas características, aliadas à suabaixa capacitância, tornam o diodo um componente adequado para a proteção de circuitoseletrônicos.

Uma comparação entre as características de proteção dos MOVs, dos TVSDs e dosGDTs é mostrada na imagem 3.4.8.

Figura 3.4.8 – Características de atuação de dispositivos de proteção.

3.4.4 Sistemas de Back-Up: Fusíveis, Disjuntores e DisjuntoresDiferenciais:

Os sistemas de back-up são os dispositivos, fusíveis ou disjuntores, que devem ser usadoem conjunto com o DPS. Esse dispositivo protege o DPS de sobrecarga e de curto-circuitoem caso de sobrecorrente.

3.4.4.1 Fusível de Proteção:

Os valores máximos de corrente permitidos por este elemento indica a qualidade doDPS. Quanto maior for o valor máximo de proteção desse elemento, maior será a qua-lidade do varistor utilizado, porque ele será capaz de suportar e dissipar a energia de


maneira autônoma. Isso, é claro, se traduz num aumento da vida útil do DPS.

A figura 3.4.9 permite compreender melhor a atuação dos fusíveis de proteção.

Figura 3.4.9 – Esquema para proteção do DPS utilizando fusível.

No caso da corrente que passa pelo fusível F1 > 160A, então deve-se instalar o fusívelF2 com valor nominal de 160A. F1 representa o dispositivo de proteção principal parasobrecorrente. Se F1 é maior que o valor de corrente indicado no catálogo como Proteçãomáxima para sobrecorrente, então o DPS deve ter proteção com um fusível de back-upnos seguintes valores:

• Para DPS classe 10 I+II :250A;

• Para DPS classe I+II :160A;

• Para DPS classe II :160A;

Não é vantajoso utilizar fusíveis de dimensões menores que as indicadas, pois isso causaa redução do desempenho do DPS: se forem subdimensionados, na verdade, os fusíveisexplodirão com correntes de raio mais baixas do que as indicadas nas informações doDPS, reduzindo, assim, o desempenho do sistema de proteção.

3.4.4.2 Disjuntor Térmico:

O disjuntor térmico tem a função de desligar o DPS da rede elétrica quando ele atingeo fim da vida útil, e é acionado quando a corrente de fuga característica do varistor ficamuito elevada, devido ao envelhecimento do componente ou devido a um surto de tensãoexcessivo. O acionamento do disjuntor térmico é indicado por uma flag na parte dianteira10 Será comentado sobre classes de DPSs na seção 3.5.


do centelhador, que muda de cor, passando, em geral, do verde (dispositivo OK), paravermelho (falha do dispositivo) e, ao mesmo tempo, pode acionar um contato em respostaà sinalização remota, a qual, por sua vez, pode comandar, por exemplo, um sinal lumi-noso ou sonoro para indicar a falha. O dispositivo de proteção térmica pode ser acionadotambém após a descarga de uma corrente de raio elevada, superior à In, para indicar queo DPS não é mais capaz de proteger o sistema.

3.5 Classes de DPSs:

Os DPSs são divididos em classes de acordo com o tipo de proteção que oferecem. Osdispositivos Classe I (destinados a limitar surtos de tensão, os quais a totalidade ou parteda corrente do raio está associada), Classe II (destinados a proteger os equipamentoscontra surtos de tens

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