Para-raios e supressores de sobretensão

Por Ahmed El-Rasheed

Introdução

Embora frequentemente vistos como componentes menores em sistemas de energia elétrica, os para-raios e supressores de sobretensão desempenham uma função vital na proteção dos ativos contra transientes de sobretensão no sistema de fornecimento. Esses transientes são gerados por uma ampla gama de problemas, incluindo falhas no sistema, desconexões, reconexões, ressonância, ferrorressonância e descargas atmosféricas. Neste artigo, faremos uma breve análise das funções e tipos de para-raios e supressores de sobretensão, além de discutir os métodos recomendados para testá-los.

Qual é a função dos supressores?

Este artigo se concentra no uso de supressores em sistemas de transmissão e distribuição de energia, mas dispositivos semelhantes são usados em quase todas as áreas de engenharia elétrica. Seja qual for a aplicação, a principal função de um dispositivo de supressor é evitar danos causados por picos de tensão e descargas de raios. Os supressores para uso em sistemas de energia estão disponíveis em diversos fabricantes, incluindo ABB, Honeywell, Toshiba, Eaton e Siemens. As características e o desempenho dos supressores são contemplados em muitas normas nacionais e internacionais, mas duas das mais frequentemente citadas são a IEEE C62.11 e a IEC 60099-4. Existem muitos tipos diferentes de para-raios e supressores de sobretensão disponíveis, como pode ser visto na Figura 1. Os supressores são geralmente classificados por tensão nominal, e os mais frequentemente encontrados são:

• Dispositivos de proteção contra sobretensão de baixa tensão: usados em sistemas de distribuição que operam em menos de 3 kV e em aplicações domésticas, esses dispositivos protegem aparelhos elétricos e enrolamentos de transformadores de distribuição de baixa tensão.
• Para-raios de distribuição de média tensão: Também chamados de para-raios de distribuição de classe intermediária, normalmente têm classificações entre 3 kV e 30 kV. São usados em sistemas de distribuição de energia para proteger transformadores de distribuição, cabos e equipamentos de subestação.
• Para-raios de alta tensão: também conhecidos como para-raios de classe de “estação”, são usados para proteger transformadores operando a 30 kV ou mais e equipamentos de subestações associados.
• Para-raios com válvula de sobrecarga magnética para estações: usados para proteger sistemas de comunicação, transformadores e outros equipamentos com classificações de 30 kV a 700 kV ou até mais.

Figura 1: Para-raios típicos

Independentemente da aplicação, os para-raios devem ser capazes de suportar a grande quantidade de energia liberada pela corrente que passa através deles quando estão sujeitos a uma sobretensão. As descargas atmosféricas, em particular, podem gerar níveis muito altos de energia em um para-raios, e dispositivos projetados e classificados para fornecer proteção nesses casos geralmente são chamados de para-raios. A necessidade de proteção contra raios é ilustrada de forma gráfica na Figura 2, que mostra um transformador de tensão antes e depois de uma descarga de raios. Os para-raios, desde que tivessem sido selecionados e instalados adequadamente, teriam desviado a energia do raio com segurança para a terra, mas, nesse caso, o transformador mal protegido foi destruído.

Figura 2: Transformador de tensão antes e depois da queda de um raio

Os para-raios são instalados em paralelo com os equipamentos que protegem. Em condições normais de operação, eles apresentam alta resistência, permitindo que pouca ou nenhuma corrente flua através deles. Quando submetidos a uma sobretensão acima do normal, os para-raios mudam para um estado de baixa resistência e conduzem uma corrente intensa. Como resultado, a energia da sobretensão é desviada do equipamento protegido e direcionada com segurança para a terra. Assim que a tensão sobre o para-raios retorna ao normal, ele volta ao seu estado de alta resistência.

Para garantir a melhor proteção possível e evitar danos aos equipamentos adjacentes durante um evento de sobretensão, os para-raios devem ser instalados com cuidado e solidamente conectados à terra. A Figura 3 mostra exemplos de para-raios instalados em buchas de transformadores.

Figura 3: Para-raios em buchas de transformadores 

Do que são feitos os para-raios?

A maioria dos para-raios modernos é feita de varistores de óxido metálico (MOVs), que são dispositivos semicondutores sensíveis à tensão. Em sua tensão nominal de operação, um MOV se comporta como um isolante, mas em tensões mais altas, ele age como um condutor. A Figura 4 mostra a curva de tensão/corrente de um MOV típico em temperatura constante. Observe que a escala de corrente é logarítmica, ou seja, quando a tensão sobre o MOV atinge o ponto em que ele começa a conduzir, a corrente aumenta muito rapidamente com apenas uma pequena variação na tensão.

Figura 4: Curva V-1 de um varistor de óxido metálico típico (Fonte: Diretriz de Aplicação da ABB - Proteção contra sobretensão em sistemas de média tensão) 

Com relação a essa curva, a tensão Uc é a tensão operacional contínua na qual há muito pouco fluxo de corrente no para-raios. Uref é a tensão do ponto de joelho em que o MOV começa a mudar para o estado de baixa resistência. Além desse ponto, na Zona B, a resistência do MOV cai rapidamente. Upl é a tensão de pico permitida, e o MOV pode ser danificado se for submetido a tensões mais altas.

Em dispositivos práticos, vários MOVs encontram-se em um invólucro isolante rígido que possui aberturas ou aletas de dissipação de calor, conforme mostrado na Figura 5.

Teste e verificação de para-raios

Como um para-raios com defeito, em muitos casos, não produzirá nenhum sintoma de alerta em condições normais de serviço, é necessário fazer verificações regulares para garantir que os dispositivos instalados ainda sejam capazes de fornecer a proteção necessária contra danos e falhas potencialmente catastróficas. Há três métodos principais para realizar essas verificações: inspeção visual, inspeção por infravermelho passivo e testes elétricos.

Inspeção visual

A inspeção visual é a primeira e mais simples etapa, mas deve ser realizada por engenheiros e técnicos treinados que examinam cuidadosamente cada para-raios em busca de rachaduras que possam levar ao mau funcionamento em condições de surto. Os inspetores também procuram corrosão, conexões de fiação desgastadas e sinais de infiltração de água. Os supressores de alta tensão às vezes são equipados com contadores de sobretensão e, se estiverem presentes, a contagem deve ser verificada. Alguns fabricantes recomendam um número máximo de sobretensões que seus produtos podem suportar e, se esse número for atingido, a substituição deve ser programada.

A parte final da inspeção visual é comparar os registros da corrente que entra na instalação e a quantidade de energia que está sendo usada. Uma tendência de aumento do consumo de energia em uma instalação de transmissão ou distribuição geralmente é uma indicação de desenvolvimento de falhas e deve ser investigada mais a fundo, tendo em mente que uma queda de eficiência nem sempre é causada por um supressor com defeito, mas um supressor com defeito pode causar quedas de eficiência.

Inspeção térmica

A inspeção térmica de para-raios e supressores de sobretensão é realizada utilizando sensores instalados permanentemente ou uma câmera termográfica para detectar pontos quentes resultantes de perdas de energia no dispositivo. O ideal é que os sensores térmicos sejam instalados perto de linhas de energia, transformadores e locais semelhantes onde os para-raios e supressores de sobretensão são usados. Com uma câmera termográfica, os inspetores podem identificar problemas específicos, como falhas na fiação ou trincas nas aberturas de ventilação, conforme ilustrado na Figura 6. É importante utilizar a câmera para visualizar o dispositivo de todos os ângulos, pois algumas falhas afetam apenas um dos lados. Também é útil observar as tendências térmicas durante longos períodos, pois elas podem revelar problemas em desenvolvimento antes que eles levem a interrupções ou falhas graves.

Testes elétricos

Os testes elétricos são realizados por um inspetor certificado, cuja primeira tarefa é identificar a principal função do dispositivo. O procedimento recomendado é que o inspetor registre isso, juntamente com a tensão de operação, a faixa de tensão, o fator de potência, a frequência, a faixa de frequência, o tipo de alimentação, os limites de carga, entre outros. O relatório de inspeção também deve incluir detalhes sobre o histórico de manutenção do equipamento e o número de vezes que o disjuntor principal foi desarmado. Os dados sobre os desligamentos são úteis, pois, se um supressor de sobretensão não estiver funcionando corretamente, uma consequência comum é o desarme frequente de disjuntores, já que as sobrecargas de tensão não são limitadas de forma eficaz. Após reunir essas informações básicas, existem três tipos principais de teste elétrico que podem ser realizados: 

• Teste de watts (perda) utilizando um conjunto de teste de fator de potência
• Uma tensão de teste padrão de 2,5 kV ou 10 kV é aplicada e a corrente resultante através do supressor de sobretensão é medida. A tensão de teste mais alta é preferida, desde que não exceda a tensão máxima de operação contínua para o supressor de sobretensão. Além da corrente medida, o conjunto de teste fornecerá automaticamente um valor de perda em watts, fator de potência e valores de capacitância. Note, entretanto, que o fator de potência é calculado dividindo a perda (em watts) pelo produto da tensão de teste e da corrente medida. Como a corrente medida provavelmente será muito pequena, uma pequena variação na corrente medida levará a uma grande mudança no fator de potência calculado. Por esse motivo, o fator de potência muitas vezes é desconsiderado como um indicador diagnóstico confiável se a corrente medida for inferior a 250 µA. Nesses casos, o supressor de sobretensão é avaliado com base apenas na perda de watts, pois isso pode ser medido com precisão. No entanto, deve-se tomar cuidado para garantir que a fuga superficial não seja incluída na corrente medida.
• Os testes de Watts geralmente são realizados nos supressores de classe de estação ao mesmo tempo em que os ativos que eles protegem estão sendo testados quanto ao fator de potência.
• Perdas maiores do que o normal podem ser resultado de sujeira ou umidade na superfície interna e externa da carcaça do supressor, fissuras ou quebras na carcaça, depósitos de sal ou contaminação em geral. Resultados de teste abaixo do esperado podem ser o resultado de resistores de derivação abertos ou elementos com defeito. Observe que os valores de perda serão diferentes entre os fabricantes e entre os diferentes estilos ou classes de supressores.
• Teste de resposta V-1 usando o conjunto de teste hi-pot
• O ponto de interesse na curva V-1 é o “joelho” da curva. Para investigar isso, a tensão de teste aumenta de zero a duas vezes a tensão nominal do supressor (às vezes mais) e depois retorna a zero. A corrente que passa pelo supressor é monitorada durante todo o teste, e um gráfico da corrente em relação à tensão produzirá uma curva V-1 que permite a determinação do ponto de joelho.
• Para supressores de alta tensão, esse método não é prático devido às tensões de teste muito altas necessárias.
• A falha do protetor durante um teste de resposta V-I pode causar um acúmulo de gases no interior do protetor e levar a uma explosão. Por esse motivo, as medidas de segurança adequadas devem sempre ser implementadas antes do início do teste.
• Teste de resistência de isolamento usando um megôhmetro especializado
• Esse teste é frequentemente usado em supressores
  de baixa e média tensão e é o teste de verificação mais simples e rápido.
• Quando os supressores falham, eles geralmente o fazem em um modo de curto-circuito (ou baixa resistência), e isso pode ser detectado por um simples teste de megohm usando um conjunto de teste de resistência de isolamento. O conjunto de teste deve aplicar pelo menos 60% da tensão nominal do supressor, e a resistência medida deve ser comparada com a de supressores semelhantes. Um valor de resistência menor do que o esperado indica falha do supressor.
• É essencial que o terminal de proteção do conjunto de teste seja usado ao realizar um teste de isolamento, caso contrário, o vazamento de superfície pode resultar em resultados imprecisos (o uso de um terminal de proteção é discutido em mais detalhes posteriormente neste artigo).
• Análise da terceira harmônica
• Esse teste é frequentemente realizado pelos fabricantes de para-raios e supressão de sobretensão como parte
  de seus procedimentos de controle de qualidade,
  mas geralmente é considerado muito demorado para o trabalho em campo.
• Normalmente, é usada uma tensão de teste de 10 kV
  na frequência de potência (50 ou 60 Hz) e a terceira harmônica da corrente resistiva é medida. Para obter resultados precisos, é necessária uma corrente de cerca de 1 a 3 mA.
• Em geral, o teste leva de 30 minutos a 1 hora para cada supressor, o que limita sua utilidade em equipamentos instalados.

Testes elétricos comparados

No campo, um teste de análise da terceira harmônica pode quantificar a condição do supressor em termos do número de elementos MOV que ainda estão funcionando, mas leva um pouco mais de tempo para ser concluído do que um teste de perda de watts. O teste de resposta V-1 é uma excelente maneira de verificar as características V-1 e mostrar que o supressor ainda está funcionando, mas pode exigir tensões de teste muito altas (440 kV para um supressor com classificação de 220 kV, por exemplo). Isso pode não ser prático e há importantes implicações de segurança. O teste de isolamento CC é um teste simples de aprovação/reprovação que produz resultados em apenas 60 segundos, mas só é adequado para protetores de baixa e média tensão.

No entanto, em aplicações em que há um grande volume de supressores a serem examinados, o teste de isolamento CC economiza tempo e fornece resultados confiáveis.

Em resumo, o teste simples de isolamento CC geralmente é o melhor para supressores de baixa e média tensão, enquanto o teste de perda de watts geralmente é a opção mais adequada para supressores de alta tensão e de classe de estação.

Uso do terminal de proteção

Para obter resultados confiáveis dos testes de isolamento CC e de watts (perda), é essencial levar em conta a fuga de superfície. Essa é a corrente que flui pelo caminho de resistência formado pela contaminação (sujeira e umidade) na superfície externa do supressor, que, durante o teste, estará em um estado de alta resistência, a menos que esteja com defeito, e, portanto, se comportará efetivamente como um isolante. A fuga na superfície costuma ser desconsiderada, mas faz parte da medição e pode afetar drasticamente os resultados. Com um supressor sujo, a corrente de fuga da superfície durante um teste pode facilmente ser maior do que a corrente que flui pelo próprio supressor.

Ao usar o terminal de proteção, a corrente de fuga da superfície pode ser automaticamente medida e removida do resultado final. Isso é importante quando são esperados altos valores de resistência, como ocorre ao testar componentes de alta tensão, como os para-raios e supressores de sobretensão. Os supressores tendem a ter grandes áreas de superfície que ficam expostas à contaminação, resultando em um alto vazamento de superfície.

A Figura 7 mostra como o caminho da corrente paralela que flui através da superfície externa de um supressor pode gerar uma falsa leitura de baixa resistência. Nesse exemplo, o supressor tem uma resistência interna de 800 MΩ, mas há um caminho de fuga externo com uma resistência de apenas 4 MΩ em paralelo a essa resistência. O valor medido é, portanto, 3,98 MΩ, o que dá uma impressão completamente equivocada da condição do supressor.

Figure 8: Current flow when guard terminal is not used

Figura 9: Fluxo de corrente quando o terminal de proteção é usado

As Figuras 8 e 9 comparam o fluxo de corrente durante o teste quando o terminal de proteção não é usado e quando ele é usado. É possível observar que o terminal de proteção desvia efetivamente a corrente de fuga da superfície do circuito de teste, garantindo assim que ela não influencie o resultado do teste.

Conclusões e recomendações

Os para-raios e supressores de sobretensão desempenham um papel essencial nos sistemas elétricos de potência. Sua inspeção e teste são, às vezes, negligenciados em favor do teste de ativos mais caros, mas sua operação correta é necessária para garantir a confiabilidade do fornecimento. Várias concessionárias de energia elétrica da América do Norte implementaram com sucesso programas de teste de resistência de isolamento CC para supressores. Todos os supressores são testados na entrega pelos fabricantes, depois anualmente e, adicionalmente, após a ocorrência de falhas. As empresas de serviços públicos que implementaram esse programa estão se beneficiando de melhores métricas de tempo de inatividade e qualidade de energia, sem mencionar a economia adicional de custos, pois os para-raios e supressores que ainda estão totalmente funcionais deixam de ser descartados desnecessariamente. A lição é simples: para reduzir custos e aumentar a confiabilidade do serviço, inspecione e teste seus para-raios e supressores de sobretensão regularmente!

Bibliografia

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