Dimensionamento de para-raios: Uc, Ur, capacidade de TOV e margem de proteção do NBI

O que é o dimensionamento de um para-raios

Um para-raios é a última linha de defesa da coordenação de isolamento. É um resistor dependente da tensão — uma pilha de blocos de óxido metálico (óxido de zinco, ZnO) — que se comporta como circuito aberto em tensão normal e como quase um curto-circuito quando surge uma sobretensão, desviando a corrente de surto para a terra e limitando a tensão sobre o equipamento protegido.

Dimensioná-lo é um equilíbrio entre dois requisitos opostos. De um lado, o para-raios precisa tolerar a maior tensão que a operação normal e as faltas temporárias impõem, ou ele envelhece e falha. De outro, precisa limitar os surtos atmosféricos e de manobra a uma tensão residual baixa o suficiente para proteger o isolamento do equipamento. A tensão contínua Uc e a tensão nominal Ur cobrem o primeiro requisito; a tensão residual Up e sua margem contra o NBI cobrem o segundo.

O método a seguir segue a IEC 60099-4 / NBR 16050 e a orientação de aplicação da IEC 60099-5 e da IEEE C62.22.

Passo 1 — a tensão que o para-raios vê continuamente

O para-raios é conectado fase-terra, então a tensão de regime sobre ele é a tensão fase-terra máxima do sistema:

U_L-N,máx = (Um/√3)·(1 + reg)

Aqui Um é a tensão máxima do sistema (para uma rede nominal de 13,8 kV, Um = 15 kV) e reg é a sobretensão de regime por regulação ou carga leve. A tensão de operação contínua Uc deve ficar acima desse valor com margem para harmônicos e tolerância de medição:

Uc_req = 1,05 · U_L-N,máx

O fator 1,05 não é arbitrário: o conteúdo de terceira harmônica e a tolerância de instrumentos rotineiramente acrescentam alguns por cento à fundamental. Um para-raios cuja Uc apenas iguala a tensão fase-terra nominal vai drenar corrente de fuga resistiva excessiva, aquecer e subir na curva de envelhecimento. Em sistemas isolados ou de aterramento ressonante uma falta à terra pode persistir indefinidamente, elevando as fases sãs em direção à tensão fase-fase; nesse caso de falta sustentada a calculadora referencia a Uc diretamente à Um em vez de Um/√3.

Passo 2 — da Uc à tensão nominal Ur

Para para-raios de óxido metálico padrão a tensão contínua é cerca de 80% da tensão nominal, então o primeiro limite inferior de Ur é:

Ur(Uc) = Uc_req / 0,8 ≈ 1,25 · Uc_req

Ur é a tensão de referência de 10 s à frequência industrial que nomeia o para-raios (um “para-raios de 12 kV”). Mas a Uc não é a única restrição — a sobretensão temporária dá uma segunda, independente.

Passo 3 — o critério da sobretensão temporária (TOV)

Quando uma fase falta à terra, as duas fases sãs sobem. A sobretensão à frequência industrial nas fases sãs é:

Utov = k · U_L-N,máx

onde k é o fator de falta à terra: cerca de 1,3–1,4 num sistema solidamente aterrado, subindo em direção a √3 ≈ 1,73 num sistema isolado ou de alta impedância. O para-raios só absorve essa sobretensão por um tempo limitado antes do disparo térmico, e sua capacidade de TOV Tt (expressa em p.u. de Ur) diminui com a duração — cerca de 1,20 em eventos sub-segundo, 1,15 em 1 s, 1,10 em 10 s e por volta de 1,04 em faltas muito longas. A tensão nominal exigida pela TOV é, portanto:

Ur(TOV) = Utov / Tt

O para-raios precisa satisfazer ambos os critérios, então a Ur de projeto é o próximo valor padrão igual ou acima do maior dos dois:

Ur = próximo_padrão(max(Ur(Uc), Ur(TOV)))

Fixada a Ur num valor de catálogo, a tensão contínua real do para-raios é recuperada como Uc = 0,8·Ur, que ainda deve cobrir a Uc_req.

Passo 4 — tensão residual e margem de proteção

A razão de ser do para-raios é a tensão residual (de proteção) Up — a tensão que permanece sobre ele enquanto descarrega a corrente nominal In (um impulso 8/20 µs de 5, 10 ou 20 kA conforme a classe). Up vem da razão de datasheet Up/Ur, tipicamente entre 3,0 e 3,5:

Up = (Up/Ur) · Ur

Essa Up é comparada contra o nível básico de impulso atmosférico (NBI/BIL) do equipamento para obter a margem de proteção:

margem = (NBI/Up − 1) · 100 ≥ 20 %

Uma margem de no mínimo 20% é o limiar de aceitação usual. Cabos, equipamentos isolados a gás e máquinas rotativas merecem mais, porque seu isolamento não se auto-regenera. Note que a margem efetiva nos terminais do equipamento é corroída pela indutância dos condutores que conectam o para-raios — mantenha esses condutores curtos e diretos.

Passo 5 — a corrente de curto-circuito (alívio de pressão)

Por fim, o para-raios precisa falhar com segurança. Sua corrente de curto-circuito / alívio de pressão nominal Is deve igualar ou superar a corrente de falta presumida Ik″ no ponto de instalação:

Is ≥ Ik″

Se o para-raios for algum dia sobrecarregado até a falha, deve aliviar a corrente de falta de forma controlada em vez de romper o invólucro violentamente. A calculadora arredonda Ik″ para cima ao próximo valor padrão de Is (5, 10, 16, 20, 31,5, 40 kA…).

Como ler o resultado

A seleção é consistente quando todas as condições abaixo valem:

• A Ur adotada é um valor padrão igual ou acima de Ur(Uc) e de Ur(TOV).
• A Uc do para-raios = 0,8·Ur ainda cobre a Uc exigida.
• A margem de proteção (NBI vs Up) atinge ou supera o alvo (≥ 20%).
• A corrente nominal de descarga In corresponde à classe da aplicação.
• Is ≥ Ik″, para que o modo de falha seja seguro.

Se a margem de proteção for negativa ou abaixo do alvo, o para-raios limita alto demais para aquele nível de isolamento — você precisa de uma Up menor, o que normalmente significa uma Ur menor (só possível se os critérios de TOV/Uc permitirem) ou uma classe de para-raios de maior energia com melhor razão Up/Ur. Se, em vez disso, o critério de TOV dominar e forçar uma Ur alta, a margem de proteção encolhe; essa é a tensão clássica em sistemas fracamente aterrados, onde uma Ur maior é inevitável e o NBI do equipamento pode ter que ser reconsiderado.

Considerações práticas de projeto

• Cheque sempre os dois critérios. A Uc protege contra o serviço contínuo e os harmônicos; a TOV protege contra a sobretensão de falta à terra. A Ur exigida é a pior das duas — nunca só uma.
• Case o fator de falta à terra com o aterramento real. Adotar k = 1,4 por padrão num sistema isolado subdimensiona gravemente o para-raios.
• Use a capacidade de TOV para o tempo de eliminação real. Um relé que leva vários segundos para eliminar a falta exige uma Ur maior do que um rápido.
• Mantenha curtos os condutores do para-raios. A indutância dos condutores soma-se à Up nos terminais do equipamento e silenciosamente come a margem de proteção.
• Verifique Is contra o nível de falta do local. Uma Up correta é inútil se o para-raios não puder falhar com segurança.

Seguir esse encadeamento — U_L-N,máx, Uc, os dois critérios de Ur, a Ur padrão, Up e sua margem contra o NBI e, por fim, Is — entrega uma seleção de para-raios coordenada com o isolamento do equipamento e robusta tanto ao serviço contínuo quanto às faltas temporárias.