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Um protetor contra surtos é um dispositivo de proteção que limita as sobretensões transitórias, desviando a corrente de surto para o aterramento e fixando a tensão em níveis seguros para o equipamento conectado. Diferentemente dos fusíveis ou disjuntores que interrompem o fluxo de corrente, os protetores contra surtos respondem em nanossegundos e se reinicializam automaticamente, fornecendo proteção contínua sem desconexão do circuito.
Nas redes de distribuição de média tensão que operam de 10 a 36 kV, os protetores contra surtos de óxido metálico (MOSAs) servem como a principal defesa contra descargas atmosféricas e transientes de comutação que, de outra forma, danificariam os transformadores, disjuntores a vácuo, e terminações de cabos. A seleção adequada depende de três parâmetros interdependentes: Tensão máxima de operação contínua (MCOV), tensão residual e classificação de energia. Cada um deles trata de um modo de falha distinto - e negligenciar qualquer um deles compromete todo o esquema de proteção.
Os modernos protetores contra surtos dependem da tecnologia de varistor de óxido de zinco (ZnO) para obter características de resistência dependentes da tensão. A microestrutura da cerâmica contém grãos de ZnO (geralmente com 10 a 20 μm de diâmetro) cercados por finas camadas intergranulares de óxido de bismuto e outros aditivos. Esses limites de grãos funcionam como diodos Schottky back-to-back, criando o comportamento não linear essencial para a proteção contra surtos.
Sob tensão operacional normal, o varistor apresenta resistência extremamente alta, superior a 10⁹ Ω, consumindo apenas corrente de fuga em nível de microampere (normalmente de 0,5 a 2 mA para unidades de classe de distribuição). Quando a sobretensão transitória excede o limite de condução, ocorre o tunelamento quântico e a quebra por avalanche nos limites dos grãos. A resistência cai por um fator de 10⁶ em nanossegundos.
A relação entre tensão e corrente segue uma equação de lei de potência: I = k × Vα, em que o coeficiente de não linearidade α varia de 25 a 50 para materiais MOV modernos. Essa não linearidade extrema significa que o aumento da tensão em 20% pode aumentar o fluxo de corrente em um fator de 105 ou mais.
Durante um surto de raio de 10 kA, um para-raios adequadamente selecionado limita o aumento da tensão a aproximadamente 2,5 a 3,5 vezes o MCOV enquanto conduz a corrente total do surto. O tempo de resposta é inferior a 25 nanossegundos - rápido o suficiente para proteger o equipamento contra impulsos de raios de frente íngreme.
O mecanismo de absorção de energia converte a energia do surto elétrico em calor dentro da matriz de ZnO. O aumento térmico durante um surto típico de comutação chega a 40-80°C acima da temperatura ambiente. Se a energia exceder a classificação do protetor, ocorrerá um descontrole térmico: o aumento da temperatura reduz a resistência, aumentando o fluxo de corrente e a geração de calor até que ocorra uma falha catastrófica.
O MCOV define a tensão RMS mais alta que um protetor pode suportar indefinidamente sem degradação. Esse parâmetro forma a primeira porta de entrada na seleção do protetor contra surtos - se estiver errado, o protetor falhará em meses, em vez de décadas.
A relação entre o MCOV e a tensão do sistema depende muito da configuração do aterramento:
Sistemas solidamente fundamentados: Durante faltas de linha única à terra, as tensões de fase saudável aumentam para aproximadamente 1,0-1,05 vezes o normal. Requisito de MCOV:
MCOV ≥ (Um / √3) × 1,05
Sistemas sem aterramento ou com aterramento ressonante: As fases saudáveis podem atingir a tensão total linha a linha durante as faltas à terra - potencialmente persistindo por horas. Requisito de MCOV:
MCOV ≥ Um × 1,05
Onde Um é igual à tensão máxima do sistema (não à tensão nominal - um erro comum de especificação).
| Sistema Um (kV) | MCOV solidamente aterrado (kV) | MCOV não aterrado (kV) |
|---|---|---|
| 12 | 7.6 | 12.7 |
| 24 | 15.3 | 25.5 |
| 36 | 22.9 | 38.0 |
| 40.5 | 25.5 | 42.5 |
A capacidade de sobretensão temporária (TOV) está diretamente ligada à seleção de MCOV. A rejeição de carga, o aumento de Ferranti em cabos sem carga ou a energização do transformador podem elevar a tensão acima dos níveis normais por segundos a minutos. A norma IEC 60099-4 especifica os requisitos de resistência a TOV: os protetores devem sobreviver a 1,4 × MCOV por 10 segundos sem sofrer danos.
[Expert Insight: Margem MCOV na prática].
- As falhas de campo geralmente são atribuídas ao MCOV selecionado com base na tensão nominal (por exemplo, 10 kV) em vez da tensão máxima do sistema (por exemplo, 12 kV)
- Os sistemas industriais não aterrados frequentemente sofrem sobretensões contínuas durante a busca de falhas de aterramento - especifique uma margem generosa de MCOV
- Os sistemas aterrados ressonantes (bobina de Petersen) exigem o mesmo MCOV que os sistemas não aterrados
- Quando não tiver certeza sobre a configuração do aterramento, use como padrão os valores de MCOV não aterrados
A tensão residual - a tensão nos terminais do protetor durante a descarga do surto - determina a proteção real do equipamento. Duas formas de onda padronizadas caracterizam o desempenho do protetor:
Impulso de raio (8/20 μs): Simula descargas atmosféricas diretas ou próximas. O nível de proteção contra impulsos de raios (LIPL) é medido em correntes de descarga nominais de 5 kA, 10 kA ou 20 kA, dependendo da classe do para-raios.
Impulso de comutação (30/60 μs): Representa operações de comutação, como energização de bancos de capacitores ou religamento de linhas. O SIPL (Switching Impulse Protective Level, nível de proteção contra impulsos de comutação) aplica-se principalmente a para-raios de classe de transmissão.
O nível de proteção deve permanecer abaixo do nível básico de isolamento (BIL) do equipamento protegido. O cálculo da margem de proteção:
Margem de proteção (%) = [(BIL - Nível de proteção) / Nível de proteção] × 100
De acordo com a IEC 60099-5 (recomendações de seleção e aplicação), as margens mínimas de 20% para impulso de raio e 15% para impulso de comutação garantem uma proteção confiável, levando em conta o envelhecimento do para-raios e os efeitos da distância.
| Equipamento BIL (pico de kV) | LIPL máximo aceitável (pico de kV) | Margem resultante |
|---|---|---|
| 75 | ≤60 | 25% |
| 95 | ≤76 | 25% |
| 125 | ≤100 | 25% |
| 170 | ≤136 | 25% |
A tensão residual mais baixa oferece melhor proteção, mas normalmente requer um tamanho físico maior e um custo mais alto. Para aplicações de distribuição que protegem equipamentos de 95 kV BIL, a seleção de um para-raios com LIPL de 70 kV (margem de 36%) em vez de 76 kV (margem de 25%) pode não justificar o custo adicional.
A classificação de energia quantifica quantos joules o para-raios pode absorver sem falha térmica. Esse parâmetro é fundamental para aplicações que vão além da proteção básica contra raios - o chaveamento de bancos de capacitores, a energização de cabos e os sistemas com alta densidade de relâmpagos impõem demandas significativas de energia.
A IEC 60099-4 classifica a capacidade de energia por meio de várias métricas:
Classe de descarga de linha (Classe 1-5): Define a capacidade de lidar com eventos de descarga da linha de transmissão. A Classe 2 é adequada à maioria das aplicações de distribuição; a Classe 3-4 aplica-se à proteção de subestações e ao chaveamento de capacitores.
Classificação de energia térmica (kJ/kV de Ur): Energia total que o protetor pode absorver em um intervalo de tempo definido sem exceder os limites de estabilidade térmica.
Classificação de transferência de carga (Coulombs): Abordagem de classificação mais recente que captura o manuseio de correntes de impulso e de longa duração.
| Aplicação | Classe recomendada | Energia típica (kJ/kV Ur) |
|---|---|---|
| Alimentador de distribuição de média tensão | Classe 2 | 2.5-4.0 |
| Proteção de transformadores de subestações | Classe 3 | 4.5-6.0 |
| Banco de capacitores / reator shunt | Classe 3-4 | 6.0-8.0 |
| Terminação de cabo longo | Classe 3 | 5.0-7.0 |
A absorção de energia depende do tamanho do grão de ZnO e das concentrações de dopantes. Materiais MOV de qualidade lidam com energia específica de 150 a 200 J/cm³. O tamanho físico se correlaciona diretamente com a capacidade de energia - os para-raios de classe de estação com diâmetros de disco de 100 mm absorvem muito mais energia do que as unidades de classe de distribuição com discos de 40 a 60 mm.
O teste de estabilidade térmica por IEC 60099-4 verifica se, após a injeção de energia nominal, o protetor retorna aos níveis estáveis de corrente de fuga sem fuga térmica. Esse teste simula as piores condições de campo, em que ocorrem vários surtos antes de o protetor esfriar totalmente.
[Percepção do especialista: Considerações sobre o campo de classificação de energia].
- Os transformadores conectados a cabos podem gerar energias de comutação de 6 a 8 kJ/kV durante a energização - os protetores de distribuição padrão podem ser inadequados
- Regiões com alta densidade de relâmpagos (>8 relâmpagos/km²/ano) exigem classificações de energia aprimoradas para eventos de múltiplos impactos
- As instalações de bancos de capacitores impõem estresse repetitivo de energia; o envelhecimento térmico cumulativo acelera a falha
- Em caso de dúvida, especifique uma classe acima da sugerida pelos cálculos - o prêmio de custo é mínimo em comparação com os custos de substituição
Considere um sistema industrial não aterrado de 12 kV que protege um transformador imerso em óleo BIL de 170 kV.
Etapa 1: Determinar a tensão máxima do sistema
Um = 12 kV (não 10 kV nominal)
Etapa 2: Identificar a configuração do aterramento
Sistema não aterrado → as fases saudáveis atingem a tensão total da linha durante as faltas à terra
Etapa 3: Calcular o MCOV mínimo
MCOV ≥ Um × 1,05 = 12 × 1,05 = 12,6 kV
Selecione o protetor com MCOV ≥ 12,7 kV (classificação padrão)
Etapa 4: Verifique a tensão residual
Protetor selecionado: LIPL a 10 kA = 42 kV de pico
Etapa 5: Verificar a margem de proteção
Margem = [(170 - 42) / 42] × 100 = 305%
Excede em muito o mínimo de 20% ✓
Etapa 6: Avaliar a necessidade de energia
Alimentador de distribuição padrão, sem bancos de capacitores, região de raios moderados
Classe 2 suficiente (≥3,0 kJ/kV Ur)
Especificação final:
Montagem do protetor em isoladores de poste deve manter as folgas consistentes com o BIL do sistema. O comprimento do cabo entre os terminais do protetor e o equipamento protegido afeta o nível de proteção real - mantenha as conexões abaixo de 1 metro sempre que possível.
As classificações de laboratório pressupõem condições padrão: altitude abaixo de 1.000 m, temperatura ambiente de 20 °C, superfície da caixa limpa. As instalações reais raramente correspondem a essas premissas.
Redução de altitude: Acima de 1.000 m, a densidade reduzida do ar diminui a tensão de flashover externa em aproximadamente 1% por 100 m. Na elevação de 2.000 m, considere selecionar a próxima classe de tensão ou especificar caixas de polímero de fuga estendida.
Gravidade da poluição: A norma IEC 60815 define classes de poluição de “muito leve” a “muito pesada”. Os depósitos de contaminação nas carcaças dos para-raios reduzem a margem de flashover. Os invólucros de polímero superam os de porcelana em caso de poluição pesada - sua superfície hidrofóbica elimina a contaminação e mantém maior resistência ao flashover. Especifique uma distância de fuga ≥25 mm/kV para ambientes altamente poluídos.
Temperaturas extremas: Os protetores padrão operam em ambientes de -40°C a +40°C. Temperaturas mais altas aceleram o envelhecimento do MOV; temperaturas mais baixas afetam a flexibilidade do invólucro de polímero. Verifique as especificações do fabricante para instalações em climas extremos.
Seleção do material do alojamento:
Integração da chave seccionadora: Os supressores de distribuição geralmente incluem seccionadores integrais que isolam as unidades com falha e fornecem indicação visual. Útil quando os intervalos de inspeção excedem um ano. A seccionadora é ativada quando a corrente de falta sustentada derrete um elemento fusível após a falha do protetor.
Os protetores contra surtos funcionam em um esquema de coordenação de isolamento mais amplo. A proteção adequada exige a correspondência dos níveis de proteção dos protetores com a resistência do isolamento dos transformadores, disjuntores e componentes de comutação em todo o sistema.
A XBRELE fabrica disjuntores a vácuo, contatores a vácuo e componentes de painéis de distribuição de média tensão projetados para sistemas de até 40,5 kV. Nossa equipe de engenharia oferece suporte à análise de coordenação de isolamento, ajudando a adequar as classificações de VCB e as especificações de componentes aos seus requisitos de proteção contra surtos.
Seja na especificação de novas subestações ou na atualização de esquemas de proteção existentes, entre em contato com a XBRELE para consulta técnica. Fornecemos folhas de dados de coordenação detalhadas e podemos recomendar classificações BIL apropriadas para equipamentos que operam junto com os protetores contra surtos selecionados.
O que causa a falha do para-raios mesmo quando as classificações parecem corretas?
A maioria das falhas de campo está relacionada a problemas de instalação e não a erros de classificação. O comprimento excessivo do condutor aumenta a queda de tensão durante os surtos - cada metro de condutor contribui com aproximadamente 1 kV durante os impulsos frontais acentuados. A impedância de aterramento superior a 5 Ω eleva a tensão de fixação efetiva, reduzindo as margens de proteção abaixo dos limites seguros.
Como a configuração do aterramento afeta a seleção do MCOV?
Os sistemas aterrados sem aterramento e com ressonância exigem MCOV igual ou superior à tensão total de linha a linha, pois as fases saudáveis mantêm a tensão elevada durante toda a duração da falta à terra. Os sistemas solidamente aterrados precisam apenas de tensão linha-neutro mais margem, pois a eliminação da falta ocorre em ciclos.
Os protetores de classe de distribuição podem proteger os equipamentos da subestação?
Os para-raios de classe de distribuição (normalmente com classificação de energia de Classe 2) não têm absorção de energia suficiente para aplicações de entrada de subestação em que os surtos de comutação e os eventos de raios de vários cursos impõem maior estresse térmico. Os protetores de classe de estação (Classe 3 ou superior) geralmente são necessários para a proteção de transformadores e barramentos.
Por que os protetores com carcaça de polímero dominam as novas instalações?
Os invólucros de polímero oferecem três vantagens: menor peso, reduzindo o estresse mecânico nas estruturas de montagem, desempenho superior em ambientes poluídos devido às propriedades hidrofóbicas da superfície e modo de falha não fragmentado, eliminando os riscos de estilhaços de porcelana durante uma falha catastrófica.
Com que frequência os protetores contra surtos devem ser testados ou substituídos?
A inspeção visual anual detecta danos óbvios - carcaças rachadas, operação do seccionador ou marcas de queimadura. A medição da corrente de fuga a cada 3 a 5 anos fornece uma avaliação quantitativa da condição. Os para-raios bem selecionados em ambientes moderados normalmente atingem de 20 a 25 anos de vida útil; ambientes com muita luz ou poluídos podem reduzir esse tempo para 12 a 15 anos.
Qual é a relação entre a tensão residual e a corrente de descarga?
A tensão residual aumenta com a magnitude da corrente de descarga devido às características de resistência do MOV. Um surto de 10 kA produz uma tensão de fixação mais alta do que um surto de 5 kA através do mesmo protetor. Os fabricantes especificam a tensão residual em vários níveis de corrente (normalmente 5 kA, 10 kA, 20 kA) para permitir cálculos precisos de coordenação.
A localização do protetor em uma subestação é importante?
As frentes de onda de tensão viajam a aproximadamente 300 m/μs, criando uma degradação da proteção dependente da distância. Os equipamentos localizados a mais de 8 a 10 metros do protetor sofrem maior estresse de tensão devido às reflexões das ondas de deslocamento. Cada ativo crítico - transformadores, disjuntores, terminações de cabos - se beneficia da proteção dedicada contra surtos quando a separação física excede esses limites.
