Protecção contra Sobretensões
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Protecção de Sobretensões Luis Cabete Nelson Vieira Pedro Sousa Sobretensões ¾ São as diferenças de potencial anormais que se produzem num circuito eléctrico, como consequência de diversas perturbações, sendo susceptíveis de danificar os componentes desses sistemas ou de prejudicar a sua correcta exploração, se não forem tomadas medidas de protecção adequadas. Protecção contra Sobretensões Tipos de Sobretensões: ¾ Sobretensões Transversais ¾ Sobretensões Longitudinais Protecção contra Sobretensões Sobretensões Transversais ¾ Quando o potencial ultrapassa o seu limite de variação normal ¾ Estas sobretensões medem-se em relação à terra ou entre condutores ¾ Provocam descargas sob a forma de arco eléctrico entre condutores ou entre condutores e terra Protecção contra Sobretensões Sobretensões Longitudinais ¾ Quando o gradiente da tensão atinge valores superiores aos que se verificam em condições normais. ¾ Manifestam-se entre espiras ou entre dois pontos próximos de um mesmo condutor resultando pequenas faíscas que provocam a perfuração dos isolantes. Protecção contra Sobretensões Classificação das sobretensões de acordo com a sua origem ¾ Sobretensão Interna ¾ Sobretensão Externa Protecção contra Sobretensões Sobretensão Interna ¾ Sobretensão cuja origem se situa no próprio sistema onde se verifica. ¾ É originada pelo estabelecimento ou pelo corte de determinados circuitos. ¾ Incluem-se as chamadas sobretensões de manobra, como as que resultam da abertura de disjuntores ou da ligação das linhas em vazio. Protecção contra Sobretensões Sobretensão Externa ¾ Sobretensão cuja origem é exterior ao sistema em que se verifica. ¾ Incluem-se as sobretensões de origem atmosférica, devidas à acção do raio, bem como as sobretensões devidas à comunicação directa ou indirecta de uma instalação eléctrica com outra instalação de tensão diferente. Protecção contra Sobretensões Efeitos das Sobretensões ¾ Podem colocar vidas humanas em perigo ¾ A nível económico: - destruição dos equipamentos - interrupção do fornecimento de energia Protecção contra Sobretensões Descargas atmosféricas Protecção contra Sobretensões Estudo das Descargas Atmosféricas ¾ Nível Cerâunico – é o número de dias em que, durante o ano, se ouve trovejar na região ou no local considerado. ¾ Densidade de descargas no solo – é o número de descargas por quilómetro quadrado e por ano. Ns = Ni ( 0,1+0,35 cosα ) α representa a latitude da região considerada Protecção contra Sobretensões Curvas de Nível Cerâunico Protecção contra Sobretensões Onda de Choque Normalizada 1,2/50 Protecção contra Sobretensões Equipamentos para protecção contra Descargas Atmosféricas ¾ Pára-Raios - Haste de Franklin - Gaiola de Faraday ¾ Descarregadores de Sobretensões (DST) ¾ Explosores Protecção contra Sobretensões Protecção contra descargas Atmosféricas 1 – Interligação das massas metálicas 2 – Ligação à terra com cabos curtos 3 – Colocação de dispositivos de protecção contra sobretensões Protecção contra Sobretensões Blindagem ¾ Em linhas fortemente expostas a descargas atmosféricas - Subestações - Linhas aéreas de transmissão (as de distribuição não justificam devido aos custos serem elevados) Protecção contra Sobretensões Caminhos de fuga ¾ Pelo condutor de terra mais próximo da descarga ¾ Correntes de descarga noutros condutores de terra ¾ Contornamento do transformador Protecção contra Sobretensões Sobretensões de Origem Interna São designadas por “Sobretensões de origem interna” porque têm origem no próprio sistema. Neste caso o sistema eléctrico de energia. Originam sobreelevações de tensão Protecção contra Sobretensões Sobretensões de Origem Interna Tipos: ¾ Sobreelevação de tensão à frequência da rede ¾ Sobretensões de manobra Protecção contra Sobretensões Sobretensões de Origem Interna Sobreelevação de tensão à frequência da rede Exemplos: ¾ Disparo brusco da carga de um alternador. ¾ Efeito Ferranti. ¾ Deslocamento do neutro. Protecção contra Sobretensões Sobretensões de Origem Interna Sobreelevação de tensão à frequência da rede ¾ Disparo brusco da carga de um alternador. Quando ocorre um disparo a queda de tensão interna dos alternadores e dos transformadores anula-se e a tensão aproxima-se da f.e.m. dos alternadores. Perante esta situação o alternador acelera podendo agravar a Sobreelevação da tensão que desaparece mais ou menos rapidamente em função da acção dos reguladores de tensão e de velocidade dos alternadores ou de relés de alta tensão. Protecção contra Sobretensões Sobretensões de Origem Interna Sobreelevação de tensão à frequência da rede ¾ Efeito Ferranti Funcionamento em vazio de uma linha de grande dimensão. Quando é alimentada numa das suas extremidades e a outra se encontra aberta, produz-se um fenómeno de ressonância que se manifesta pelo facto de a tensão crescer ao longo da linha até à extremidade aberta. Protecção contra Sobretensões Sobretensões de Origem Interna Sobreelevação de tensão à frequência da rede ¾ Deslocamento do neutro Ocorre o deslocamento do neutro quando se verifica um defeito fase-terra afectando uma das fases de uma rede trifásica, as outras duas sofrem uma variação do respectivo potencial em relação à terra que se traduz por uma sobreelevação de tensão. Protecção contra Sobretensões Sobretensões de Origem Interna Sobretensões de manobra Sobretensões de manobra correspondem a fenómenos ocorridos na sequencia de uma manobra, os quais são rapidamente amortecidos ao contrário do que se passa com as Sobretensões analisadas anteriormente (Sobretensões dinâmicas ou temporárias) As modificações da configuração eléctrica de uma rede originam regimes transitórios que podem provocar sobretensões mais ou menos elevadas. Protecção contra Sobretensões Sobretensões de Origem Interna Protecção contra Sobretensões Sobretensões de Origem Interna Protecção contra Sobretensões Sobretensões de Origem Interna Sobretensões de Manobra Em termos genéricos, uma manobra conduz à injecção na rede de um sinal que se sobrepõe ao regime permanente . Protecção contra Sobretensões Sobretensões de Origem Interna Classificação de Manobras Manobras voluntárias Ligação (fecho) ou corte de um elemento da rede Manobras involuntárias Ruptura de um condutor ou curto-circuito Protecção contra Sobretensões Sobretensões de Origem Interna Sobretensões de manobra podem ser criadas por manobras ¾ De fecho ¾ De corte Protecção contra Sobretensões Sobretensões de Origem Interna Manobras de fecho ¾ Ligação e reengate de linhas em vazio. ¾ Colocando sob tensão transformadores abertos. ¾ Colocação sob tensão baterias de condensadores. ¾ Reengate sobre um defeito permanente Protecção contra Sobretensões Sobretensões de Origem Interna Manobras de corte ¾ Correntes capacitivas (linhas em vazio, baterias de condensadores). ¾ Pequenas correntes indutivas (transformadores em vazio). ¾ Correntes muito elevadas (eliminação de defeitos). Protecção contra Sobretensões Sobretensões de Origem Interna Comutação de uma bateria de condensadores Protecção contra Sobretensões Sobretensões de Origem Interna Onda de tensão (carga) Onda de corrente (gerador) Protecção contra Sobretensões Equipamentos de protecção: Visam limitar a tensão à entrada dos equipamentos a proteger, por outro lado localizar o ponto de escoamento a terra da corrente de descarga (recorrendo à criação intencional “pontos fracos” no isolamento). A localização deste aparelhos deve ser feita o mais próxima possível dos equipamentos a proteger. Protecção contra Sobretensões Equipamentos de protecção: Dispositivos protectores, com função de eliminar as sobretensões provenientes de descargas atmosféricas (curta duração) e manobra no sistema eléctrico. Como estes estão permanentemente ligados aos circuitos que se destinam a proteger, devem obedecer às condições: - não permitir, em condições normais o escoamento de corrente eléctrica para a terra. - quando descarregada para a terra a corrente, deverá voltar à sua condição de isolamento. Protecção contra Sobretensões Pára-raios Hastes de Franklin ¾ Haste metálica que se destina a captar descargas atmosféricas. ¾ Mais simples e mais visível. ¾ Mais barato. ¾ Menos eficiente. Protecção contra Sobretensões Pára-raios Haste de Franklin A área protegida por um pára-raios pode ser calculada de modo aproximado pela modelo eletrogeométrico. d = 9,4*I 2/3 Onde d é a distância de escorvamento que é função do valor de crista da corrente de descarga (KA) Protecção contra Sobretensões Pára-raios Gaiola de Faraday ¾ ¾ ¾ Consiste num sistema de vários receptores que são colocados nos extremos dos edifícios (formando um gaiola). Mais segura e mais eficiente. Oferecem protecção contra raios que caiam directamente na região protegida. Constituído por um conjunto de condutores fixados exteriormente ou interiormente, dispostos na cobertura e nas paredes do edifício a proteger e por um conjunto de eléctrodos de terra, sendo este parte integrante da terra de protecção do edifício. Protecção contra Sobretensões Pára-raios Gaiola de Faraday Protecção contra Sobretensões Explosores Constituído por dois eléctrodos metálicos separados pelo ar um ligado ao elemento a proteger e outro ligado à terra. Distância entre eléctrodos determina nível de protecção. As várias formas que podem tomar em antena, ou mais elaborados com anéis de forma a eliminar efeitos de coroa. Protecção contra Sobretensões Explosores Vantagens: ¾ Simplicidade ¾ Robustez ¾ Mais económico de todos os equipamentos contra sobretensões Protecção contra Sobretensões Explosores Desvantagens: ¾ Origina um curto-circuito à terra em que arco não se extingue espontaneamente. ¾ Desaconselhável para sobretensões de manobra. ¾ Depende de parâmetros tais como ionização do ar, condições atmosféricas, sujidade dos eléctrodos. ¾ Escorvamento origina onda cortada. ¾ Sensíveis condições externas: aves, animais, queda de ramos neve. ¾ Níveis de isolamento mais elevados Protecção contra Sobretensões Descarregadores Criados com objectivo de ultrapassar os inconvenientes dos explosores. Limitam amplitude e duração da corrente que os percorre, sem que os disjuntores actuem. Escoam para terra uma onda de corrente, quando atingidos por uma sobretensão. Constituídos por vários explosores ligados em série com uma ou várias resistências não lineares, no interior de um invólucro isolante e estanque. Protecção contra Sobretensões Descarregadores Resistências não lineares: São elementos que não obedecem lei de ohm, quando estão à tensão nominal funcionam como isolante, à medida que tensão sobe este começa comportar-se como curto-circuito. Protecção contra Sobretensões Descarregadores Óxido de Zinco (ZnO): São os descarregadores mais utilizados Funcionam com resistência não linear, dai a necessidade da terra onde se ligam os aparelhos apresentar um valor o mais baixo possível, inferior a 20Ω. Protecção contra Sobretensões Descarregadores Características Técnicas: ¾ Tensão estipulada. ¾ Tensão máxima de serviço em regime permanente. ¾ Tensão residual máxima ou nível de protecção. ¾ Corrente nominal de descarga. ¾ Comprimento da linha de fuga. ¾ Capacidade de absorção de energia. Protecção contra Sobretensões Descarregadores Vantagens: ¾ Segurança de pessoas e equipamentos. ¾ Redução de avarias. ¾ Melhoria da qualidade de serviço. ¾ Redução da energia não fornecida. Protecção contra Sobretensões Descarregadores Protecção contra Sobretensões Cabos de guarda Como o escorvamento dos isoladores duma linha de fase tem grande probabilidade de ocorrer, tenta-se obter a protecção colocando por cima destes cabos de guarda, esta protecção depende fortemente da qualidade da terra. Protecção contra Sobretensões Coordenação de isolamento Localizar as descargas em pontos predefinidos de forma a minimizar os danos na instalação. Normalmente existem três níveis: ¾ Baixo – explosores e descarregadores de sobretensões. ¾ Intermédio – isoladores e distância livre no ar entre pólo e terra. ¾ Elevado – transformadores, cabos, condensadores, distância entre contactos abertos e diferentes fases de aparelhos corte. Protecção contra Sobretensões Coordenação de isolamento A coordenação de isolamentos entre linhas e subestações é geralmente inferior nas subestações e superior nas linhas, diminuindo as perturbações nas linhas e deixando que as descargas inevitáveis se verifiquem em locais determinados junto às subestações, onde existem os aparelhos de protecção, até porque as sobretensões vão amortecendo ao longo das linhas. Protecção contra Sobretensões Protecção contra Sobretensões
