Por que Usar Para-Raios? Funções e Benefícios Chave

Função dos Para-raios

Quando a sobretensão induzida por raios viaja ao longo de linhas de transmissão aéreas para uma subestação ou outros edifícios, pode causar flashovers ou até mesmo perfurar a isolação do equipamento elétrico. Portanto, se um dispositivo de proteção - conhecido como para-raios - for conectado em paralelo na entrada de energia do equipamento (como mostrado na Figura 1), ele será ativado imediatamente quando a sobretensão atingir o nível operacional pré-definido.

O para-raios descarrega a energia excessiva, limitando a sobretensão e protegendo a isolação do equipamento. Uma vez que a tensão retorne ao normal, o para-raios recupera rapidamente seu estado original, garantindo que o sistema possa continuar a fornecer energia normalmente.

A função de proteção de um para-raios é baseada em três pré-requisitos:

• Coordenação adequada entre a característica volt-segundo do para-raios e a da isolação protegida.

• A tensão residual do para-raios deve ser inferior à resistência de impulso da isolação protegida.

• A isolação protegida deve estar dentro da distância de proteção do para-raios.

• Requisitos para para-raios:

• Não deve descarregar em condições normais de operação, mas deve descarregar corretamente e confiavelmente durante eventos de sobretensão.

• Deve ter capacidade de auto-recuperação após a descarga (ou seja, retornar ao seu estado de alta impedância e extinguir a corrente subsequente).

Parâmetros-chave dos para-raios:

• Tensão de operação contínua: A tensão de operação a longo prazo permitida. Deve ser igual ou superior à tensão máxima fase-terra do sistema.

• Tensão nominal (kV): A tensão de frequência de rede de curta duração máxima permitida (também conhecida como tensão de extinção de arco). O para-raios pode operar e extinguir o arco sob esta tensão, mas não pode operar a longo prazo neste nível. É um parâmetro fundamental para o design, características e estrutura do para-raios.

• Característica de resistência de tensão de frequência de rede: Indica a capacidade de um para-raios de óxido metálico (por exemplo, ZnO) de suportar sobretensões sob condições especificadas.

• Corrente de descarga nominal (kA): O valor pico da corrente de descarga usada para classificar as classificações do para-raios. Para sistemas de 220 kV ou menos, não deve exceder 5 kA.

• Tensão residual: A tensão que aparece nos terminais do para-raios quando submetido a uma corrente de surto. Também pode ser entendida como a tensão máxima que o para-raios pode suportar durante um evento de descarga.

Tipos e Estruturas de Para-raios

Os tipos comuns de para-raios incluem os de válvula, tubulares, lacunas de proteção e de óxido metálico.

(1) Para-raios de Válvula

Os para-raios de válvula são divididos principalmente em duas categorias: convencionais de válvula e de sopro magnético. O tipo convencional inclui as séries FS e FZ; o tipo de sopro magnético inclui as séries FCD e FCZ.

Os símbolos na designação do modelo representam:

• F – Para-raios de válvula;

• S – Para sistemas de distribuição;

• Z – Para subestações;

• Y – Para linhas de transmissão;

• D – Para máquinas rotativas;

• C – Com lacuna de descarga de sopro magnético.

Um para-raios de válvula consiste em lacunas de faísca planas em série com discos de resistência de carbeto de silício (SiC) (blocos de válvula), selados em uma caixa de porcelana, com parafusos terminais externos para instalação. A resistência de carbeto de silício exibe características não lineares: tem alta resistência sob tensão normal, que diminui drasticamente durante a sobretensão.

Sob tensão de frequência de rede normal, as lacunas de faísca permanecem não condutoras. Quando ocorre uma sobretensão de raio, as lacunas de faísca entram em colapso. A resistência dos blocos de SiC diminui significativamente, permitindo que a corrente de raio flua seguramente para o solo. Após o surto, os blocos de SiC apresentam alta resistência à corrente subsequente de frequência de rede, enquanto as lacunas de faísca interrompem essa corrente, restaurando a operação normal do sistema. Este comportamento de ligar e desligar se assemelha a uma "válvula" - aberta para a corrente de raio e fechada para a corrente de frequência de rede - daí o nome "para-raios de válvula".

(2) Lacunas de Proteção e Para-raios de Expulsão (Tubulares)

As lacunas de proteção são a forma mais simples de proteção contra raios. Geralmente feitas de aço redondo galvanizado, consistem em uma lacuna principal e uma lacuna auxiliar. A lacuna principal é formada em uma configuração angular e montada horizontalmente para facilitar a extinção do arco. Uma lacuna auxiliar é conectada em série abaixo da lacuna principal para evitar acionamentos falsos causados por objetos estranhos curto-circuitando a lacuna. Devido à sua fraca capacidade de extinção de arco, as lacunas de proteção geralmente são usadas em conjunto com dispositivos de religamento automático para melhorar a confiabilidade do fornecimento de energia.

O para-raios de expulsão (tubular) consiste em uma lacuna de faísca alojada em um tubo gerador de gás, formado por eletrodos de haste e anel. Inclui lacunas internas e externas. O tubo do para-raios é feito de materiais como resina fenólica reforçada com fibra que produzem grandes volumes de gás quando aquecidos. Quando ocorre uma sobretensão de raio, as lacunas interna e externa entram em colapso, desviando a corrente de raio para o solo. A corrente subsequente de frequência de rede cria um arco forte, que queima a parede do tubo e gera gás de alta pressão expelido pelo extremidade aberta, extinguindo rapidamente o arco. A lacuna externa então restaura sua isolação, isolando o para-raios do sistema e permitindo que a operação normal seja retomada.

Como os para-raios de expulsão dependem da corrente de frequência de rede para gerar gás para a extinção do arco, correntes de curto-circuito excessivas podem produzir muito gás, excedendo a resistência mecânica do tubo e causando ruptura ou explosão. Portanto, os para-raios de expulsão são geralmente usados em instalações externas.

(3) Para-raios de Óxido Metálico (Zinco Oxidado) Sem Lacuna

Também conhecidos como para-raios varistor, são um tipo moderno introduzido na década de 1970. Comparados aos para-raios de válvula de carbeto de silício tradicionais, os para-raios de óxido metálico sem lacuna não têm lacunas de faísca e usam zinco oxidado (ZnO) em vez de carbeto de silício. Eles são construídos a partir de discos de varistor de ZnO empilhados com excelentes características de tensão-corrente não lineares: sob tensão de frequência de rede normal, exibem resistência muito alta, suprimindo efetivamente a corrente de fuga; sob sobretensão de raio, sua resistência diminui drasticamente, permitindo a descarga eficiente da corrente de surto.

Os para-raios de óxido metálico oferecem características de proteção superiores, alta capacidade de descarga, baixa tensão residual, tamanho compacto e fácil instalação. Eles são agora amplamente utilizados para a proteção de equipamentos elétricos de alta e baixa tensão.

(4) Para-raios de Óxido Metálico (Zinco Oxidado) Com Lacuna

Estes consistem em discos de resistência de ZnO conectados em série com uma lacuna de faísca dentro de uma caixa composta. A unidade de lacuna geralmente contém dois eletrodos em forma de disco encapsulados em um anel cerâmico. Eles são adequados para sistemas de neutro não efetivamente aterrados. Durante falhas fase-terra ou aterramento por arco, podem ocorrer sobretensões transitórias severas de longa duração, que os para-raios de ZnO sem lacuna podem não suportar. Os para-raios de ZnO com lacuna superam essa limitação: sob sobretensões moderadas, como aterramento fase-terra ou aterramento por arco de baixo nível, a lacuna em série permanece inativa, isolando o para-raios do sistema.

Quando a sobretensão excede um limiar, a lacuna dispara, e as excelentes características não lineares dos blocos de ZnO limitam a tensão residual através do para-raios. A corrente subsequente resultante é muito pequena e facilmente interrompida, fornecendo proteção confiável de isolação para transformadores e outros equipamentos.

Itens de Teste e Padrões para Para-raios

(1) Medição de Resistência de Isolamento

Use um megômetro de 2500 V ou superior. Para para-raios classificados para 35 kV ou mais, a resistência de isolamento deve ser de no mínimo 2500 MΩ; para aqueles abaixo de 35 kV, no mínimo 1000 MΩ.

(2) Medição de Tensão CC em 1 mA e Corrente de Fuga a 75% dessa Tensão

Aplique uma tensão CC ao para-raios. À medida que a tensão aumenta, a corrente de fuga aumenta gradualmente. Registre o valor de tensão quando a corrente atingir 1 mA. Em seguida, reduza a tensão para 75% desse valor e registre a corrente de fuga, que não deve exceder 50 μA.

(3) Corrente de Fuga CA sob Tensão de Operação

Meça a corrente total, corrente resistiva ou perda de potência sob tensão de operação. Os valores medidos devem mostrar nenhuma mudança significativa em comparação com os valores iniciais. Se a corrente resistiva dobrar, o para-raios deve ser desenergizado para inspeção.
Se a corrente resistiva aumentar para 150% do valor inicial, o ciclo de monitoramento deve ser apropriadamente encurtado.

Esses testes podem detectar defeitos como infiltração de umidade ou envelhecimento dos blocos de válvula do para-raios, fissuras superficiais e deterioração da isolação.