005 – Os Surtos Em Sistemas De Baixa Tensão Causados Pelas Descargas Atmosférica

PDA L I V E 0 0 5 – O S S U R TO S E M S I S T E M A S D E B A I X A T E N S Ã O C AU S A D O S P E L A S D E S C A R G A S AT M O S F É R I C A S D R . H É L I O E I J I S U E TA

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

• Descargas atmosféricas como uma fonte de danos é um fenômeno de altíssima energia. • Descargas atmosféricas liberam centenas de mega-joules. Quando comparados com os mili-joules que podem ser suficientes para causar danos a equipamentos eletrônicos sensíveis em sistemas eletroeletrônicos existentes nas estruturas, fica claro que medidas adicionais de proteção serão necessárias para proteger alguns destes equipamentos.

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

Descargas entre nuvens ou intranuvem DA’s diretas na rede 2ária Tensões transferidas via transformador DA’s diretas na rede 1ária DA’s diretas em edificações Surtos induzidos internamente devido a corrente no SPDA Tensões induzidas por DA’s

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

Surtos devido às descargas entre nuvens e intra nuvens • Aproximadamente 75% das descargas atmosféricas (RAKOV, 2007). • duração típica entre 200 ms e 500 ms (COORAY, 2003) • estudos de proteção de aeronaves • campos eletromagnéticos gerados pelas correntes destas descargas podem induzir surtos nas redes elétricas

• estudos referentes a este tipo de descargas é muito pequeno em relação aos estudos das descargas entre a nuvem e o solo cujos efeitos danosos são bem mais significativos (PIANTINI, 2019).

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

Descargas atmosféricas diretas nas redes de baixa tensão • surto de altíssima intensidade; podendo danificar muitos equipamentos ou gerar algum centelhamento que poderá dar início a um incêndio, explosão ou choque elétrico. • comprimentos relativamente curtos e, principalmente, serem “blindadas” pela rede primária (Média Tensão), em muitos casos, serem subterrâneas: diminui bastante a possibilidades destes danos. • redes rurais de baixa tensão, estes comprimentos podem não ser tão curtos e estas linhas podem estar mais expostas.

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas Tabela E.2 – Surtos de correntes devidos às descargas atmosféricas previstos em sistemas de baixa tensão Sistemas de baixa tensão Descargas diretas e indiretas na linha

NP (classe)

Descargas perto da estruturaa

Fonte de danos S3 (descarga direta)b

Fonte de danos S4 (descarga indireta)c

Fonte de danos S2 Fonte de danos S1 (corrente induzida) (corrente induzida)

Forma de onda da corrente: 10/350 µs kA

Forma de onda da corrente: 8/20 µs kA

Forma de onda da corrente:ent shaped 8/20 µs kA

Forma de onda da corrente:d 8/20 µs kA

0,1 0,15 0,2

5 7,5 10

III - IV 5 2,5 II 7,5 3,75 I 10 5 NOTA Todos os valores referidos a cada condutor da linha. a

Descargas ana estrutura

O roteamento do laço dos condutores e a distância da corrente indutora afetam os valores dos surtos de corrente previstos. Os valores da Tabela E.2 referem-se a laço fechado de condutores não blindados e com diferentes roteamentos em grandes edifícios (áreas de laços da ordem de 50 m2, largura = 5 m), a 1 m da parede da ra, dentro de uma estrutura não blindada ou edifício com SPDA (kc = 0,5). Para outras características de laço e de estrutura, os valores podem ser multiplicados pelos fatores KS1, KS2, KS3 (ver Seção B.4 do ABNT 5419-2: 2015). b Valores pertinentes ao caso onde a descarga atmosférica atinge o último poste da linha perto do consumidor e e linha de vários condutores (três fases + neutro). c Valores referidos a linhas aéreas. Para linhas enterradas os valores podem ser a metade. d A resistência e a indutância do laço afetam a forma de onda da corrente induzida. Onde a resistência do laço for desprezível, a forma de onda 10/350 µs pode ser assumida. Este é o caso onde um DPS do tipo de chaveamento é instalado no circuito induzido.

Para linhas blindadas, os valores das sobrecorrentes dados na Tabela E.2 podem ser reduzidos por um fator de 0,5.

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Descargas atmosféricas diretas nas redes de média tensão

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas • a corrente injetada no condutor atingido divide-se no ponto de impacto, dando origem a duas ondas que se propagam em sentidos contrários.

• cada parcela desta corrente multiplicado pela impedância de surto da linha (da ordem de 400 a 550 Ω, seg. ANDERSON; ERIKSSON, 1979) produz sobretensões que provocarão o desligamento da rede elétrica através descargas disruptivas em alguns pontos da linha.

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas • Estas descargas disruptivas, que ocorrerão entre os condutores e entre estes e a terra provocarão diversas reflexões das ondas de tensão e corrente e também uma redução da impedância efetiva de terra.

• As cargas (consumidores próximos ao ponto de impacto da descarga) sofrerão um afundamento de tensão durante o curtocircuito e haverá uma interrupção de curta duração devido atuação da proteção para eliminar a falta (PIANTINI, 2008).

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas • Ainda neste caso de descargas atmosféricas atingindo as redes primárias, parte da corrente da descarga será injetada no condutor neutro, ocasionando sobretensões na rede de baixa tensão (PIANTINI, 2019).

• haverá uma elevação do potencial causada pelo fluxo de corrente através da resistência de terra após a operação do pararaios de proteção no primário do transformador e/ou ocorrência de descargas disruptivas nos isoladores da rede de média tensão.

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

Descargas atmosféricas diretas nas redes de média tensão • Estes surtos transferidos (média tensão para baixa tensão) têm ampla faixa de variação e dependem de diversos fatores: • local da incidência, • ponto de observação, • configuração da rede, • amplitude e forma de onda da corrente da descarga, • características do transformador, • dispositivos de proteção.

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas Descargas atmosféricas nos Sistemas de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA)

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

IF = ke  I é a parte da corrente da descarga atmosférica pertinente a cada parte condutora ou linha externa O fator de divisão da corrente ke depende de: • o número de caminhos paralelos; • suas impedâncias convencionais de aterramento para as partes enterradas ou suas resistências de aterramento para as partes aéreas, onde estas partes se conectem com outras partes enterradas; • a impedância convencional de aterramento do subsistema de aterramento.

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Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas Para instalação enterrada: ke =

Z Z1 Z1 + Z  (n1 + n2  ) Z2

Para instalação aérea: ke =

Z Z2 Z 2 + Z  (n2 + n1  ) Z1

onde Z é a impedância convencional de aterramento do subsistema de aterramento; Z1 é a impedância convencional de aterramento das partes externas ou linhas externas (Tabela E.1) instaladas enterradas; Z2 é a resistência de terra do arranjo de aterramento que conecta a linha aérea à terra. Se a resistência de terra do ponto de aterramento não for conhecida, o valor de Z1 pode ser utilizado (observando, na Tabela E.1, a resistividade do solo no ponto de aterramento).

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

n1 é o número total de partes externas ou linhas instaladas enterradas; n2 é o número total de partes externas ou linhas instaladas aéreas; I é a corrente da descarga atmosférica pertinente ao nível de proteção (NP) considerado.

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas Tabela 3 – Valores máximos dos parâmetros das descargas atmosféricas correspondentes aos níveis de proteção (NP) Primeiro impulso positivo Parâmetros da corrente Símbolo I Corrente de pico Qcurta Carga do impulso W/R Energia específica T1 / T2 Parâmetros de tempo Primeiro impulso negativo a Parâmetros da corrente Símbolo I Valor de pico di/dt Taxa média de variação T1 / T2 Parâmetros de tempo Impulso subsequente Parâmetros da corrente Símbolo I Valor de pico di/dt Taxa média de variação T1 / T2 Parâmetros de tempo Componente longa da descarga Parâmetros da corrente Símbolo Carga da componente longa

Qlonga

NP Unidade kA C MJ/ µs / µs

I 200 100 10

II 150 75 5,6

Unidade kA kA/µs µs / µs

I 100 100

Unidade kA kA/µs µs / µs

I 50 200

Unidade

I

II

C

200

150

III

IV 100 50 2,5

10/350 NP II 75 75

III

IV 50 50

1/200 NP II 37,5 150

III

IV 25 100

0,25/100 NP III

Tlonga Parâmetros de tempo s 0,5 Descarga atmosférica NP Parâmetros da corrente Símbolo Unidade I II III Qflash Carga da descarga C 300 225 a O uso desta forma de onda de corrente é de interesse para cálculos somente, não para ensaios.

IV 100

IV 150

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas Tabela E.1 – Valores de impedância convencionais de aterramento Z e Z1 de acordo com a resistividade do solo



Z1a

m



Impedância convencional de aterramento relativa ao tipo de SPDAb Z  I

II

III – IV

 100

8

4

4

4

200

11

6

6

6

500

16

10

10

10

1 000

22

10

15

20

2 000

28

10

15

40

3 000

35

10

15

60

NOTA Os valores apresentados nesta tabela se referem à impedância convencional de aterramento de um condutor enterrado sob condição de impulso (10/350 µs). a

Valores referidos a partes externas com comprimento acima de 100 m. Para comprimentos de partes externas inferiores a 100 m em solos de alta resistividade ( 500 Ωm) os valores de Z podem ser o dobro. b Subsistema de aterramento conforme 5.4 da parte 3 da norma. 1

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

Assumindo como uma primeira aproximação que metade da corrente da descarga atmosférica flui no subsistema de aterramento e que Z2 = Z1, o valor de ke pode ser estimado para uma parte condutora externa ou linha externa por:

ke = 0,5 / (n1 + n2)

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

Se as linhas que adentram a estrutura (por exemplo, linhas elétricas e de telecomunicação) não são blindadas ou não estão instaladas em condutos metálicos, cada condutor da linha conduz uma parte igual da corrente da descarga atmosférica.

k’e = ke / n' sendo n’ o número total de condutores.

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

Para linhas blindadas e interligadas na entrada, os valores do fator de divisão de corrente k’e para cada condutor de uma linha blindada são dados por: k’e = ke  RS / (n’  RS + RC)

onde RS é a resistência ôhmica por unidade de comprimento da blindagem; RC é a resistência ôhmica por unidade de comprimento do condutor interno.

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Surtos devidos a descargas atmosféricas na estrutura (fonte de danos S1)

IF = ke  I F.O: 10/350 µs

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

Surtos induzidos nas instalações de baixa tensão devido às correntes das descargas circulando no SPDA

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas Tabela E.2 – Surtos de correntes devidos às descargas atmosféricas previstos em sistemas de baixa tensão Sistemas de baixa tensão Descargas diretas e indiretas na linha

NP (classe)

Descargas perto da estruturaa

Fonte de danos S3 (descarga direta)b

Fonte de danos S4 (descarga indireta)c

Fonte de danos S2 Fonte de danos S1 (corrente induzida) (corrente induzida)

Forma de onda da corrente: 10/350 µs kA

Forma de onda da corrente: 8/20 µs kA

Forma de onda da corrente:ent shaped 8/20 µs kA

Forma de onda da corrente:d 8/20 µs kA

0,1 0,15 0,2

5 7,5 10

III - IV 5 2,5 II 7,5 3,75 I 10 5 NOTA Todos os valores referidos a cada condutor da linha. a

Descargas ana estrutura

O roteamento do laço dos condutores e a distância da corrente indutora afetam os valores dos surtos de corrente previstos. Os valores da Tabela E.2 referem-se a laço fechado de condutores não blindados e com diferentes roteamentos em grandes edifícios (áreas de laços da ordem de 50 m2, largura = 5 m), a 1 m da parede da ra, dentro de uma estrutura não blindada ou edifício com SPDA (kc = 0,5). Para outras características de laço e de estrutura, os valores podem ser multiplicados pelos fatores KS1, KS2, KS3 (ver Seção B.4 do ABNT 5419-2: 2015). b Valores pertinentes ao caso onde a descarga atmosférica atinge o último poste da linha perto do consumidor e e linha de vários condutores (três fases + neutro). c Valores referidos a linhas aéreas. Para linhas enterradas os valores podem ser a metade. d A resistência e a indutância do laço afetam a forma de onda da corrente induzida. Onde a resistência do laço for desprezível, a forma de onda 10/350 µs pode ser assumida. Este é o caso onde um DPS do tipo de chaveamento é instalado no circuito induzido.

Para linhas blindadas, os valores das sobrecorrentes dados na Tabela E.2 podem ser reduzidos por um fator de 0,5.

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

Surtos induzidos nas redes elétricas

• Tensões induzidas diretamente aos cabos de média e baixa tensão, devido ao acoplamento eletromagnético entre a linha BT e o canal da descarga atmosférica.

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Surtos induzidos nas redes elétricas • Experimentos realizados na França (CLEMENT; MICHAUD, 1993) onde descargas provocadas por foguetes e medições simultâneas das tensões induzidas em uma linha aérea de baixa tensão com 210 m de comprimento, sendo os condutores trançados, mostraram valores máximo das tensões fase-terra e neutro-terra na faixa entre 2 kV a 12 kV. • A linha foi ligada em uma extremidade a um transformador e na outra conectada a um cabo subterrâneo de 60 m de comprimento, terminado por para-raios de baixa tensão. • Foram realizados alguns lançamentos sendo a incidência das descargas ocorrendo em uma torre próxima à terminação do cabo e também a uma distância de 50 metros deste ponto. • As tensões induzidas foram medidas nos terminais de baixa tensão do transformador, onde foram também medidas correntes que variaram na faixa de 4 kA a 50 kA.

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

Surtos induzidos nas redes elétricas

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

• Tensões transferidas da rede primária;

• Tensões associadas à parcela da corrente da descarga interceptada pelos pontos de aterramento do condutor neutro;

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Tensões transferidas via transformador

Tensões transferidas à rede de baixa tensão através dos transformadores de distribuição (PIANTINI, A.; KANASHIRO, A.G., 2002).

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas

• Tensões associadas à parcela da corrente interceptada pelos pontos de aterramento do neutro, ressaltam-se os experimentos realizados no ICLRT (International Center for Lightning Research and Testing) em Camp Blanding na Flórida, USA, utilizando foguetes para provocar descargas (RAKOV; UMAN, 2003). • Quando a descarga atmosférica incide a algumas dezenas de metros da linha, uma parcela substancial da corrente total pode entrar no sistema pelos pontos de aterramento do condutor neutro. • Para distâncias de 60 m, 40 m e 19 m, entre a linha e o local do impacto, os valores de pico das correntes injetadas no sistema variaram na faixa de 5% a 18% do valor de pico da corrente total da descarga atmosférica.

Os surtos em sistemas de BT causados pelas descargas atmosféricas

• Piantini e Janiszewski (1999) estudaram as influências de vários parâmetros nas tensões induzidas por descargas indiretas para uma linha monofásica com 300 m de comprimento.

• Em 2005, Silva Neto e Piantini estudaram o caso de linha multiplexada. • Se a descarga atmosférica atingir algum ponto próximo à rede de média tensão, além da possibilidade de desligar esta rede, os surtos poderão ser transferidos para a rede de baixa tensão prejudicando a instalação.

• Neste caso, o conhecimento das tensões induzidas no primário do transformador de distribuição e do comportamento deste em função da frequência é muito importante e este tema já foi estudado por diversos pesquisadores (PIANTINI, 1997; PIANTINI, MALAGODI, 1999; DE CONTI, VISACRO, 2005; BORGHETTI et al., 2009, PIANTINI, 2010; PIANTINI et al., 2013).

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas Tabela E.2 – Surtos de correntes devidos às descargas atmosféricas previstos em sistemas de baixa tensão Sistemas de baixa tensão Descargas diretas e indiretas na linha

NP (classe)

Descargas perto da estruturaa

Fonte de danos S3 (descarga direta)b

Fonte de danos S4 (descarga indireta)c

Fonte de danos S2 Fonte de danos S1 (corrente induzida) (corrente induzida)

Forma de onda da corrente: 10/350 µs kA

Forma de onda da corrente: 8/20 µs kA

Forma de onda da corrente:ent shaped 8/20 µs kA

Forma de onda da corrente:d 8/20 µs kA

0,1 0,15 0,2

5 7,5 10

III - IV 5 2,5 II 7,5 3,75 I 10 5 NOTA Todos os valores referidos a cada condutor da linha. a

Descargas ana estrutura

O roteamento do laço dos condutores e a distância da corrente indutora afetam os valores dos surtos de corrente previstos. Os valores da Tabela E.2 referem-se a laço fechado de condutores não blindados e com diferentes roteamentos em grandes edifícios (áreas de laços da ordem de 50 m2, largura = 5 m), a 1 m da parede da ra, dentro de uma estrutura não blindada ou edifício com SPDA (kc = 0,5). Para outras características de laço e de estrutura, os valores podem ser multiplicados pelos fatores KS1, KS2, KS3 (ver Seção B.4 do ABNT 5419-2: 2015). b Valores pertinentes ao caso onde a descarga atmosférica atinge o último poste da linha perto do consumidor e e linha de vários condutores (três fases + neutro). c Valores referidos a linhas aéreas. Para linhas enterradas os valores podem ser a metade. d A resistência e a indutância do laço afetam a forma de onda da corrente induzida. Onde a resistência do laço for desprezível, a forma de onda 10/350 µs pode ser assumida. Este é o caso onde um DPS do tipo de chaveamento é instalado no circuito induzido.

Para linhas blindadas, os valores das sobrecorrentes dados na Tabela E.2 podem ser reduzidos por um fator de 0,5.

Os surtos em sistemas de BT causados pelas descargas atmosféricas

Surtos nos equipamentos e seus componentes causados pelo efeito direto dos campos eletromagnéticos das descargas atmosféricas

Os surtos em Sist. de BT causados pelas descargas atmosféricas Tabela E.2 – Surtos de correntes devidos às descargas atmosféricas previstos em sistemas de baixa tensão Sistemas de baixa tensão Descargas diretas e indiretas na linha

NP (classe)

Descargas perto da estruturaa

Fonte de danos S3 (descarga direta)b

Fonte de danos S4 (descarga indireta)c

Fonte de danos S2 Fonte de danos S1 (corrente induzida) (corrente induzida)

Forma de onda da corrente: 10/350 µs kA

Forma de onda da corrente: 8/20 µs kA

Forma de onda da corrente:ent shaped 8/20 µs kA

Forma de onda da corrente:d 8/20 µs kA

0,1 0,15 0,2

5 7,5 10

III - IV 5 2,5 II 7,5 3,75 I 10 5 NOTA Todos os valores referidos a cada condutor da linha. a

Descargas ana estrutura

O roteamento do laço dos condutores e a distância da corrente indutora afetam os valores dos surtos de corrente previstos. Os valores da Tabela E.2 referem-se a laço fechado de condutores não blindados e com diferentes roteamentos em grandes edifícios (áreas de laços da ordem de 50 m2, largura = 5 m), a 1 m da parede da ra, dentro de uma estrutura não blindada ou edifício com SPDA (kc = 0,5). Para outras características de laço e de estrutura, os valores podem ser multiplicados pelos fatores KS1, KS2, KS3 (ver Seção B.4 do ABNT 5419-2: 2015). b Valores pertinentes ao caso onde a descarga atmosférica atinge o último poste da linha perto do consumidor e e linha de vários condutores (três fases + neutro). c Valores referidos a linhas aéreas. Para linhas enterradas os valores podem ser a metade. d A resistência e a indutância do laço afetam a forma de onda da corrente induzida. Onde a resistência do laço for desprezível, a forma de onda 10/350 µs pode ser assumida. Este é o caso onde um DPS do tipo de chaveamento é instalado no circuito induzido.

Para linhas blindadas, os valores das sobrecorrentes dados na Tabela E.2 podem ser reduzidos por um fator de 0,5.

OBRIGADO!

DR. HÉLIO EIJI SUETA