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Proteção contra sobretensões

Os utilizadores de equipamentos eletrónicos, equipamentos de telecomunicações ou sistemas de processamento de dados enfrentam o enorme desafio de os manter em funcionamento, apesar dos fenómenos de sobretensão que podem ter origem em descargas atmosféricas.

Existem várias razões para este facto, nomeadamente a integração de componentes eletrónicos que os tornam mais vulneráveis, a importância da continuidade de serviço, e o aumento de cobertura das redes de transmissão de dados e voz, aumentado desta forma a sua exposição aos fenómenos de descarga atmosférica.

Desde a primeira pesquisa de Benjamin Franklin em 1749 que estes fenómenos se têm tornado numa ameaça crescente para uma sociedade altamente eletrónica.

Este fenómeno natural de curta duração (na ordem dos microsegundos) origina correntes muito elevadas e altamente destrutivas, provocando danos colaterais como as sobretensões transitórias, muitas vezes tão destrutivas como a própria descarga. Torna-se assim essencial que, para além da proteção contra os efeitos diretos (para-raios), sejam também contemplados mecanismos para os efeitos indiretos, através da aplicação de descarregadores de sobretensão.

A origem dos fenómenos de sobretensão

Os fenómenos de sobretensão são originados na sua generalidade por:

  • Descargas atmosféricas
  • Manobras na rede elétrica
  • Descargas eletroestáticas

As sobretensões podem diferir na sua amplitude, duração e frequência. Os dois primeiros fenónemos são os mais conhecidos. No entanto, devido à utilização massiva de componentes eletrónicos, tornam-se cada vez mais frequentes os fenómenos de sobretensão originados por descargas eletroestáticas.

Uma descarga atmosférica pode ter três tipos de efeitos indiretos:

Impacto numa linha de distribuição de energia
Este tipo de estruturas estão expostas e vulneráveis a uma descarga atmosférica direta, que pode originar a destruição parcial ou completa dos cabos, originando fenómenos de sobretensão que vão ser propagados pela linha até aos equipamentos a ele conetados. A extensão dos danos dependerá da distância entre o ponto de impacto e os equipamentos.

Elevação do Potencial de terra
A dispersão da corrente de uma descarga atmosférica no solo provoca elevações do potencial. Esta elevação depende diretamente da intensidade da corrente e da impedância de terra do local. Numa instalação onde existam várias redes de terra (ex. ligações de terra entre edifícios), um raio poderá causar uma elevada diferença de
potencial, originando correntes transitórias que poderão afetar a continuidade de serviço dos equipamentos e a sua destruição.

EMC – Perturbações eletromagnéticas
A queda de um raio com uma corrente na ordem de alguns kA numa antena a alguns quilómetros de distância originará a radiação de elevados campos eletromagnéticos (na ordem dos kV/m a mais de 1km).

Estes campos induzem tensões e correntes transitórias elevadas nas linhas e nos equipamentos. Os valores de tensão e corrente dependem diretamente da distância do impacto em relação aos equipamentos e das características das linhas de comunicação.

As sobretensões originadas por este tipo de fenómeno têm origem no acoplamento e deslastramento de cargas da rede tais como:

  • Arranque de motores
  • Entrada ao serviço de transformadores
  • Entrada ao serviço de linhas de distribuição
  • Operação de disjuntores, fusíveis ou contatores
  • Falhas no fornecimento de energia

Este tipo de eventos geram sobretensões transitórias na ordem dos kV com frequências muito elevadas e num curto espaço de tempo (microsegundos), afetando o funcionamento das linhas e equipamentos.

Tipicamente o corpo humano tem uma capacitância na ordem dos 100-300 picofarads e pode acumular uma carga na ordem dos kV ao caminhar sobre um tapete. Com um toque num objeto condutor esta energia pode ser descarregada em alguns nanosegundos com uma corrente na ordem dos 10 A. Todos os circuitos eletrónicos são bastante vulneráveis a este tipo de fenómenos que podem ser minimizados ou eliminados através de blindagem e da sua condução à terra.

A importância da utilização de mecanismos de proteção contra sobretensões

Pela imprevisiilidade e as consequências dos fenómenos de sobretensão, os comités normativos criaram normas que regem os requisitos mínimos de proteção em função de testes efetuados acerca dos efeitos de sobretensões nos equipamentos.

Os fenómenos estudados e caracterizados nos documentos normativos são as ondas 1.2/50µs, 8/20 µs e 10/350 µs. A partir daqui um conjunto de normas define os requisitos mínimos de desempenho e instalação dos descarregadores de sobretensão:

  • IEC 61643-11 – Surge Protectors for Low-Voltage installations:
  • IEC 61643-12 – Surge Protectors for Low-Voltage installations (rules for installation).
  • IEC 61643-21 – Surge Protectors for Telecom equipment

As instalações elétricas de edifícios localizados em zonas onde ocorram trovoadas estão sujeitas a fenómenos de sobretensões transitórias induzidas e transmitidas pela rede ou por fenómenos de descarga atmosférica, devendo desta forma estar dotada de proteções contra sobretensões:

Descarregadores sobretensão

Linhas de alimentação AC | Tipos de descarregadores

  • Descarregadores de proteção grossa (DST tipo I+II), para escoamento de correntes na onda 10/350µs – Nos quadros gerais, ou nos quadros de entrada de edifícios dotados de para-raios.
  • Descarregadores de proteção média (DST tipo II) para escoamento de correntes na onda 8/20 µs- Nos quadros parciais
  • Descarregadores de proteção fina (DST tipo III) para escoamento de correntes na onda 1.2/50 µs – Junto a cargas mais críticas e sensíveis

Estes descarregadores devem ser instalados seguindo as boas práticas de coordenação de isolamento.

Contudo, com vista ao bom funcionamento dos dispositivos de proteção contra sobretensões da instalação, as redes de terra assumem um papel fundamental no funcionamento eficiente dos sistemas de proteção de pessoas e bens, razão pela qual deve ser objeto de um dimensionamento e execução com o máximo rigor. São a base de uma instalação elétrica, permitindo o escoamento de correntes indesejáveis ao sistema elétrico, provocadas por diferenças de potencial entre dois pontos, e garantem a segurança das pessoas, ao permitir tensões de passo e toque inferiores aos valores tolerados pelo corpo humano.

Devido à sua importância, cada sistema implica a intervenção do projetista eletrotécnico nos trabalhos de conceção do edifício e a intervenção do instalador no estado inicial da realização dos trabalhos de construção civil.

O valor da resistência de terra deve satisfazer os requisitos estabelecidos pela lei em vigor. Contudo, a minimização do valor de resistência de terra não deve ser conseguida a todo o custo. Condutores inapropriados ao tipo de solo e a adoção de materiais para melhoramento de terra inadequados podem provocar a aumento significativo da corrosão dos metais, que levam à redução da longevidade da instalação elétrica e por consequência ao aumento do valor de resistência de terra para valores inaceitáveis.

Para uma proteção eficaz das nossas instalações é essencial adotar um modelo de proteção global, composto pelo sistema de proteção contra descargas atmosféricas, sistema de proteção contra sobretensões e rede de terras.

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