Dimensionamento de DPS: tipo, Uc, Up e coordenação Up ≤ Uw

O que é o dimensionamento de um DPS

Dimensionar um dispositivo de proteção contra surtos não é escolher o modelo de maior corrente do catálogo: é casar três tensões para que uma sobretensão transitória seja grampeada num nível que o equipamento protegido suporte, enquanto o próprio dispositivo tem vida longa no sistema. Essas três tensões são Uc (o que o DPS tolera permanentemente), Up (o que ele deixa passar durante o surto) e Uw (o que o equipamento suporta). Acerte a relação entre elas e a instalação está protegida; erre, e ou o DPS envelhece e queima, ou o surto passa para o equipamento.

A falha de campo mais comum é um DPS que “queima sem motivo” — quase sempre porque seu Uc foi escolhido igual à tensão nominal em vez de acima do esforço permanente real, ou porque os condutores de conexão ficaram tão longos que o nível de proteção efetivo passou da suportabilidade do equipamento.

Tensão de operação contínua Uc — definida pelo aterramento

A primeira decisão é o Uc, a tensão que o DPS suporta continuamente sem conduzir. Ela é governada pelo esquema de aterramento, conforme a IEC 60364-5-534:

• TN-S, TN-C-S, TN-C: o modo fase-neutro vê até 1,1·Uo, então o Uc deve ser ao menos 1,1·Uo.
• TT (DPS ligado fase-PE, arranjo 3+1): o DPS L-PE deve suportar a sobretensão temporária de uma falta a montante, então o Uc deve ser ao menos 1,55·Uo — bem acima do valor de TN.
• IT (sem neutro distribuído): uma primeira falta à terra não é eliminada e as fases sadias sobem em direção à tensão de linha, então o DPS deve suportar √3·Uo.

O valor exigido é então arredondado para cima até o próximo Uc comercial da série normalizada (150, 275, 320, 335, 350, 385, 420, 440, 460, 550, 690 V). Para um sistema de 230 V isso dá 275 V em TN, 385 V em TT (1,55·230 ≈ 357 V) e cerca de 420-440 V em IT. Escolher Uc baixo demais é a causa clássica do envelhecimento prematuro do DPS.

Suportabilidade do equipamento Uw — pela categoria de sobretensão

O alvo que o DPS precisa bater é o Uw, a tensão suportável de impulso do equipamento que ele protege. A IEC 60364-4-44 (Tab. 443.2) o atribui por categoria de sobretensão e faixa de tensão:

A faixa 120-240 V usa valores menores (4 / 2,5 / 1,5 / 0,8 kV). A categoria diminui à medida que se caminha da origem para a carga, e é justamente por isso que a proteção é escalonada: um Tipo 1 na entrada baixa o surto, e um Tipo 2/3 a jusante o traz abaixo do Uw menor da carga sensível.

O nível de proteção efetivo — Up não basta

O Up do datasheet é medido nos terminais do DPS, mas o equipamento é ligado por condutores. Durante um surto rápido, a indutância desses cabos produz uma tensão extra de cerca de 1 kV por metro de conexão (fase + PE). A tensão que o equipamento realmente vê é portanto:

Up_efetivo = Up + ΔU, com ΔU ≈ 1 kV/m · L_conexão

Por isso a conexão deve ficar ≤ 0,5 m: um laço descuidado de 1 m transforma um DPS de 1,5 kV em 2,5 kV efetivos, o suficiente para quebrar a coordenação com um quadro categoria III (4 kV) e certamente com uma carga categoria I (1,5 kV). Uma conexão curta, em V, é uma das formas mais baratas de melhorar a proteção.

A condição de coordenação

Tudo converge para uma única desigualdade. O DPS coordena com o equipamento somente quando:

Up_efetivo ≤ Uw

e a boa prática acrescenta uma reserva de 20 % para absorver envelhecimento, tolerância e oscilação:

Up_efetivo ≤ 0,8·Uw

Reorganizando, o maior Up de DPS que ainda dá a margem de 20 % é Up_max = 0,8·Uw − ΔU. Se o nível efetivo fica entre 0,8·Uw e Uw, o dispositivo ainda protege, mas com pouca folga — o sinal para escolher um DPS de Up menor, encurtar os condutores ou acrescentar um estágio Tipo 3 junto à carga.

Escolhendo o Tipo — posição e exposição a raio

O Tipo (classe de ensaio) do DPS decorre de onde ele fica e de se uma corrente direta de raio pode alcançá-lo:

1. Entrada de serviço, com SPDA ou linha aérea exposta → Tipo 1, ensaiado com a corrente de impulso 10/350 µs, Iimp (12,5 kA/polo para NP III/IV, 25 kA/polo para NP I/II, do estudo de risco IEC 62305-2 / NBR 5419-2). Só o Tipo 1 escoa uma corrente direta de raio; um Tipo 2/3 nessa posição queima na primeira descarga.
2. Entrada ou quadro de distribuição, sem exposição a raio direto → Tipo 2, ensaiado com as correntes 8/20 µs, In (nominal repetitiva) e Imax (pico único). É o carro-chefe dos quadros.
3. Junto a equipamento sensível (≤ 10 m) → Tipo 3, proteção fina, sempre a jusante de um Tipo 1/2 e nunca sozinho na origem.

Uma combinação inválida comum, que o método sinaliza como erro: um DPS que não é Tipo 1 numa entrada com SPDA, ou um Tipo 3 colocado na origem.

Suportabilidade a curto-circuito e backup

Um dispositivo de proteção contra surtos também precisa sobreviver à falta à frequência industrial que pode se seguir. Sua corrente nominal de curto-circuito Isccr deve ser ao menos a corrente de curto presumida Icc no ponto de instalação, e esse valor só é válido junto com a proteção de backup indicada pelo fabricante (fusível gG ou disjuntor). O condutor de conexão é dimensionado em 6 mm² Cu para um Tipo 2 e 16 mm² Cu para um Tipo 1. Tome o Icc do estudo de curto-circuito; sem ele, o Isccr e o backup não podem ser verificados.

Considerações práticas de projeto

• Fixe o Uc pelo aterramento primeiro: 1,1·Uo para TN (L-N), 1,55·Uo para TT (L-PE), √3·Uo para IT, arredondado para um valor comercial.
• Leia o Uw pela categoria: IV na origem, III nos quadros, II/I em direção à carga — e lembre da faixa de tensão.
• Nunca compare o Up nu com Uw: some a queda na conexão e mantenha o cabo ≤ 0,5 m.
• Mire a margem de 20 %: Up_efetivo ≤ 0,8·Uw deixa folga para o envelhecimento.
• Case o Tipo com a posição: Tipo 1 só onde o raio direto pode chegar; Tipo 3 só junto à carga.
• Verifique Isccr ≥ Icc com o backup indicado.

Seguir esse encadeamento — Uc pelo aterramento, Uw pela categoria, o Tipo pela posição, depois a coordenação Up_efetivo ≤ Uw e a verificação de curto-circuito — entrega uma seleção de DPS que protege o equipamento e sobrevive ao sistema em que está instalado.