Introdução
Pára-raios são dispositivos essenciais para a proteção de equipamentos de alta tensão em subestações, como transformadores, disjuntores e buchas, contra os efeitos de descargas atmosféricas e surtos de manobra. Eles são instalados próximos e em paralelo ao equipamento a ser protegido, com a função de desviar com segurança a energia do surto para a terra, garantindo que a tensão nos terminais permaneça suficientemente baixa para não comprometer a isolação dos dispositivos associados.
Pára-Raios Protegendo Transformador de Potência Buchas
Quase todos os pára-raios utilizados em sistemas de energia de alta tensão modernos são do tipo varistor de óxido metálico (MO) sem lacunas; este artigo concentra-se nesse tipo.
Coordenação de Isolamento e Pára-Raios
Coordenação de isolamento refere-se à seleção da resistência dielétrica do equipamento em relação aos diferentes tipos de sobretensões que podem ocorrer no sistema. Os pára-raios são fundamentais para a coordenação econômica de isolamento em sistemas de energia elétrica. Isso é ilustrado na figura abaixo, onde, na ausência de dispositivos de proteção contra surtos, o equipamento não suportaria as altas tensões dielétricas resultantes de descargas atmosféricas e surtos de manobra. Os pára-raios atuam para manter a tensão abaixo da tensão suportável do equipamento, garantindo uma margem de segurança adequada. No entanto, os pára-raios não podem limitar sobretensões temporárias (TOV) de frequência de potência oscilatória e, portanto, devem ser projetados para suportar essas sobretensões temporárias, juntamente com a tensão máxima de operação do sistema, sem danos.
Papel dos Pára-Raios na Coordenação de Isolamento do Sistema de Energia
Como ponto de interesse, deve-se notar que TOVs em um sistema de energia são limitados por meio de compensação reativa comutável (como por um reator shunt), ou, através da aplicação de dispositivos de transmissão flexível de corrente alternada (FACT) (como SVC e STATCOM).
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Construção e Principais Componentes
O elemento central de um pára-raios é a coluna de varistor MO, que constitui sua parte ativa. A coluna é composta por blocos de varistor MO empilhados, feitos de óxido de zinco (ZnO) e outros pós metálicos, prensados em discos cilíndricos. O diâmetro de cada disco determina a capacidade de manuseio de energia do pára-raios. Um diâmetro de 100 mm (3,9 polegadas) ou mais é geralmente necessário para sistemas de alta tensão.
A capacidade de resistência TOV necessária (determinada pela tensão nominal do pára-raios), juntamente com os níveis de proteção desejados para impulsos de manobra e descargas atmosféricas, controlam a altura total da coluna de varistor MO. Na maioria dos casos, a carcaça de porcelana do pára-raios é projetada para ser consideravelmente mais longa por razões dielétricas (distância de isolação e distância de fuga) e não é controlada pela altura da parte ativa. Como resultado, a coluna de varistores MO é instalada na carcaça do pára-raios com a ajuda de espaçadores metálicos. Os espaçadores consistem em tubos de alumínio com tampas nas extremidades para distribuir uniformemente a pressão de contato.
Várias barras de suporte e placas de fixação feitas de plástico reforçado com fibra de vidro (FRP) circundam a coluna de varistor MO na forma de uma gaiola; a gaiola assegura mecanicamente a parte ativa interna. Na extremidade superior do pára-raios, uma mola de compressão fornece a pressão axial necessária para pressionar o conjunto de varistores MO. Flanges são cimentadas em ambas as extremidades da carcaça de porcelana do pára-raios; as flanges são geralmente fabricadas em alumínio e encerram o arranjo de vedação.
Em sistemas de alta tensão, em vez de aterrar diretamente os pára-raios, dispositivos de monitoramento são conectados em série com o pára-raios. Nesses casos, a flange inferior do pára-raios é instalada com pés isolantes e uma conexão de aterramento (conexão de terra) é feita através do dispositivo de monitoramento.
Vista em Corte de um Pára-Raios MO com Carcaça de Porcelana
O sistema de vedação é um dos componentes mais críticos de um pára-raios. Primeiro, ele deve impedir a entrada de umidade e contaminação na carcaça do pára-raios. Em segundo lugar, deve atuar como um dispositivo de alívio de pressão (PRD) de operação rápida em caso de sobrecarga do pára-raios, o que pode resultar em um rápido acúmulo de pressão dentro da carcaça do pára-raios. Por último, deve fornecer um ponto de contato bem estabelecido para a transferência de corrente do terminal de conexão externa do pára-raios para a coluna de varistor MO.
O sistema de vedação de um pára-raios consiste em um anel de vedação sintético e um diafragma de alívio de pressão, ambos instalados duas vezes em cada extremidade do corpo do pára-raios. O diafragma muito fino (apenas algumas décimas de milímetro de espessura, ou milésimos de polegada) é feito de níquel ou aço de alta qualidade. O diafragma é pressionado contra o anel de vedação por meio de um anel de fixação aparafusado ao corpo da flange.
Em caso de sobrecarga do pára-raios, um arco se desenvolve entre as duas flanges dentro da carcaça. A energia térmica desse arco (que transporta a corrente de curto-circuito total da rede) resulta em um rápido aumento de pressão dentro do pára-raios. A pressão resultante é aliviada pelo diafragma de alívio, evitando assim uma falha catastrófica do pára-raios e possíveis danos resultantes à área circundante. Gases quentes que resultam dentro da carcaça do pára-raios devido à sobrecarga são direcionados através de qualquer uma das duas saídas de ventilação. Fora do pára-raios, as correntes de gás se encontram, fazendo com que o arco que estava queimando dentro da carcaça mude (comute) e continue queimando fora do pára-raios até que a falha seja eliminada.
Em tensões mais altas, devido aos requisitos de isolamento e economia de fabricação, um pára-raios completo consiste em várias unidades de pára-raios conectadas em série. Além disso, um anel de graduação é instalado no terminal de alta tensão para controlar a distribuição de tensão do terminal de alta tensão até a terra.
Pára-Raios de Alta Tensão Multiunidade
Monitoramento de Condição do Pára-Raios
Pára-raios MO modernos são dispositivos altamente confiáveis quando configurados corretamente. Espera-se que tenham uma vida útil quase livre de manutenção de 30 anos ou mais. No entanto, considerando o alto custo do equipamento que os pára-raios protegem e os efeitos prejudiciais das sobrecargas do pára-raios, há uma boa razão para monitorar a saúde dos pára-raios.
Na tensão de serviço normal, os pára-raios exibem uma alta impedância, de modo que atuam como um isolante na maior parte de sua vida útil de serviço. Tal comportamento é necessário para garantir uma longa vida útil do pára-raios, bem como a estabilidade do sistema elétrico associado. Portanto, é imperativo detectar qualquer deterioração das propriedades isolantes de um pára-raios antes que a situação se torne crítica. Dois tipos de dispositivos de monitoramento comumente empregados para pára-raios MO de alta tensão são:
- Contadores de surtos que registram o número de impulsos de surto.
- Monitores de corrente de fuga que medem a corrente de fuga que flui através do pára-raios.
A premissa básica do uso de contadores de surtos é identificar se uma determinada linha de transmissão ou fase do sistema está experimentando um número extraordinariamente alto de sobretensões levando à operação do pára-raios. Além disso, um aumento abrupto na taxa de contagem de surtos também pode indicar uma falha interna do pára-raios. No entanto, os contadores de surtos por si só revelam apenas informações parciais de monitoramento de condição. A maioria dos dispositivos de monitoramento de pára-raios registra o número (contagem) de impulsos de surto, enquanto também mede qualquer corrente de fuga. A corrente de fuga fornece informações adicionais sobre a magnitude de quaisquer surtos e sua relevância caso ocorra um evento de sobretensão do sistema. Usar contadores de surtos e dispositivos de medição de corrente de fuga em conjunto permite um meio mais flexível de monitorar e diagnosticar a condição do pára-raios.
Características de Operação
A característica tensão-corrente (V-I) ilustra como a resistência de um pára-raios varia com a tensão, enquanto também fornece insights sobre sua operação. As características V-I altamente não lineares do varistor MO o tornam um candidato adequado para aplicação de proteção contra surtos. O varistor é basicamente um resistor variável cuja resistência depende inversamente da tensão aplicada, ou seja, quanto maior a tensão, menor a resistência. A imagem abaixo mostra características típicas de um pára-raios MO com tensão nominal de 420 kV aplicado em um sistema com tensão nominal de 550 kV (fase a fase).
Características de Operação de um Pára-Raios com Tensão Nominal de 420 kVrms
Para desenvolver uma melhor compreensão das características de operação de um pára-raios, são necessárias definições de alguns termos e parâmetros importantes:
Tensão Máxima do Sistema (Us)
A maior tensão de fase a fase rms especificada para um determinado sistema em condição normal.
Tensão de Operação Contínua (Uc)
A maior tensão de frequência de potência rms permissível que pode ser aplicada nos terminais do pára-raios por um período contínuo ou indefinido; isso também é às vezes designado como MCOV. Na prática, a tensão de operação contínua (Uc) do pára-raios é definida para ser maior que a maior tensão de fase a terra do sistema ( ) com uma margem de pelo menos cinco por cento.
Tensão Nominal (Ur)
A maior tensão de frequência de potência rms que o pára-raios deve suportar por uma duração curta especificada (por exemplo, 10 ou 100 segundos). Caracteriza a capacidade de um pára-raios de suportar TOV do sistema. Quando um pára-raios é submetido a tensões iguais ou superiores à sua tensão nominal (Ur), corrente de fuga fluirá. Corrente de fuga é definida como o fluxo não intencional de corrente para a terra. Essa situação não é desejada porque, à medida que a corrente de fuga flui, ocorre um aumento proporcional na temperatura de operação do pára-raios. Se essa condição for permitida além da duração curta especificada, a temperatura do pára-raios aumentará até se tornar termicamente instável, o que pode levar à falha do pára-raios.
Nível de Proteção de Impulso de Manobra (SIPL)
O valor de pico da tensão residual nos terminais do pára-raios na descarga nominal de um impulso de corrente de manobra com forma de onda de 30/60 µs e com magnitude de pico de 2 kA (no caso de sistemas de extra alta tensão).
Nível de Proteção de Impulso de Raio (LIPL)
O valor de pico da tensão residual nos terminais do pára-raios na descarga nominal de um impulso de corrente de raio com forma de onda de 8/20 µs e com magnitude de pico de 20 kA.
Seleção e Configuração de Pára-Raios
A filosofia geral ao selecionar pára-raios para qualquer sistema em particular, envolve combinar as características elétricas e mecânicas do pára-raios com as demandas elétricas e requisitos mecânicos do sistema. O seguinte fluxograma simplificado demonstra o método geral e o procedimento para configurar um pára-raios MO.
Seleção Simplificada de Fluxograma de Pára-Raios
Os requisitos para uma seleção ótima e satisfatória de pára-raios ditam que os pára-raios devem fornecer uma margem de proteção adequada e que também devem ser adequados para operação contínua estável. Uma 'margem de proteção adequada' significa que as sobretensões do dispositivo estão sempre abaixo de sua tensão suportável, com um fator de segurança suficiente (margem de segurança). Enquanto 'operação contínua estável' refere-se à capacidade do pára-raios de lidar com todas as tensões de longo prazo, temporárias ou transitórias (que podem ser causadas pela operação do sistema), enquanto permanece eletricamente e termicamente estável ao longo de sua vida útil de trabalho.
Infelizmente, tanto a margem de proteção adequada quanto a operação contínua estável não podem ser satisfeitas de forma independente. Uma redução no nível de proteção do pára-raios (para fornecer uma maior margem de proteção) inevitavelmente resulta em maiores tensões elétricas durante a operação contínua. Além disso, a tensão nominal do pára-raios não pode ser aumentada arbitrariamente sem elevar seu nível de proteção (o que resulta em uma diminuição correspondente na margem de proteção). Assim, um compromisso é necessário, onde ambos os requisitos são equilibrados para chegar a uma solução ótima.