A. M. M. Diniz, M. L. B. Martinez,
E. T. Wanderley Neto, A. A. Nunes, A. M. Nóbrega
H. R. P. M. de Oliveira, J. Uchôa
 Introdução
 Objetivos
 Taxa de falhas
 Perfil das correntes
 Suportabilidade de corrente
 Ensaios
 Considerações finais
2
 Os para-raios são equipamentos cuja principal
função é proteger o sistema elétrico contra
sobretensões;
 Os mais modernos são formados basicamente pelo
empilhamento de varistores e apresentam
característica V x I altamente não-linear;
 Normalmente, são produzidos para-raios com
valores de corrente de descarga nominal de 5 kA, 10
kA e 20 kA;
3
 No Brasil, é prática comum utilizar nas redes de
distribuição para-raios de corrente de descarga
nominal de 10 kA;
 Estudos permitem afirmar que para-raios de 5 kA
apresentam suportabilidade adequada para a grande
maioria das redes de distribuição;
 No intuito de verificar os requisitos atribuídos a
suportabilidade dos varistores/módulos frente a
surtos, foi realizada uma sequência adaptada de
ensaios com base nas normas vigentes.
4
 Apresentar o risco relacionado à utilização de pararaios de 5 kA no sistema de distribuição através da
estimativa da taxa de falhas.
 Estimar o número de para-raios que irá falhar;
 Permitir melhor planejamento
concessionárias de energia.
para
as
5
TAXA DE FALHAS
A análise da taxa de falhas do projeto de para-raios
envolveu:
 O perfil dos níveis das correntes de descarga;
 A análise da suportabilidade de corrente.
6
TAXA DE FALHAS
Perfil das correntes:
 Foram utilizados aproximadamente 9.000 pararaios de SiC com centelhadores retirados de
campo;
 Os para-raios foram retirados de 15 regiões de
concessão da AES Sul;
 Foi utilizada uma técnica denominada “etchings
comparisons”.
7
TAXA DE FALHAS
100
Probability Plot for Corrente +
Lognormal - 95% C I
99,9
99,9
99
99
90
90
P er cent
P er cent
N ormal - 95% C I
50
10
1
N ormal
A D = 41,344
P -V alue < 0,005
Lognormal
A D = 0,668
P -V alue = 0,080
50
10
1
0,1
0
30
C or r ente +
0,1
60
0,01
99
90
90
50
50
10
0,10
1,00 10,00 100,00
C or r ente +
E xponential - 95% C I
99,9
P er cent
P er cent
3-P arameter Lognormal - 95% C I
99,9
1
0,01
0,10
1,00
10,00 100,00
C or r ente + - T hr eshold
0,1
0,001
3-P arameter Lognormal
A D = 0,539
P -V alue = *
E xponential
A D = 33,074
P -V alue < 0,003
Média
Limite Inferior
Limite Superior
10
1
0.1
0.01
10
1
1
0,1
G oodness of F it Test
Amplitude da Corrente de Descarga [kA]
Corrente(+) lognormal
0,010
0,100
1,000
C or r ente +
10,000 100,000
2
5
10
20 30 40 50 60 70 80
90 95
98 99
Probabilidade [%]
8
TAXA DE FALHAS
Amplitude da Corrente de Descarga [kA]
100
Geral
Negativo
Positivo
10
1
0.1
µ = 0,54 kA
σ = 1,57 kA
0.01
1
2
5
10
20 30 40 50 60 70 80
90 95
98 99
Probabilidade [%]
9
TAXA DE FALHAS
Suportabilidade de corrente


Definição dos valores máximos de correntes impulsivas suportadas pelo para-raios;
Análise de suportabilidade em sistemas elétricos  Modelo estatístico de Weibull.
p  1  0,5
 x  x50 %
 1


 1, 39

 ln 
 1
p: função distribuição acumulada (Weibull);
x: grandeza sob análise, neste caso, a corrente de descarga;
x50%: Valor crítico da grandeza sob análise;
: Desvio padrão da grandeza sob análise;
: Constante da distribuição de Weibull simétrica.

Correntes suportáveis consideradas:
40, 65 e 100 kA.
10
TAXA DE FALHAS
Taxa de Falhas
 Probabilidade de ocorrência de determinados valores de corrente de
descarga  Probabilidade de falha do para-raios diante de um valor
específico de descarga;
 Cálculo da taxa de falha:
R falha   DPS ( I )  S PR ( I )  dI
Rfalha: Risco de falha do pára-raios;
DPS(I): Função densidade de probabilidade das descargas elétricas;
SPR(I): Função probabilidade de suportabilidade do para-raios;
 A taxa de falhas corresponde a área definida pelo produto entre as duas
funções  Ocorrência de descargas e Probabilidade de falha.
11
TAXA DE FALHAS
 Sobreposição das curvas de probabilidade e curva
correspondente ao cálculo da taxa de falhas.
12
TAXA DE FALHAS
Resultados:
Para raios de 5 kA  Suportabilidade de 40 kA: 1,56 %;
Para-raios de 5 kA  Suportabilidade de 65 kA: 0,67 %;
Para-raios de 10 kA  Suportabilidade de 100 kA: 0,23 %.
13
ENSAIOS
 Foram realizados ensaios em varistores e
módulos (parte ativa) dos para-raios;
 Os varistores foram organizados de acordo com
a seguinte tabela:
Fabricantes e modelos dos varistores
Fabricantes
Modelos dos varistores
Fabricante 1
A1, A2 e A3
Fabricante 2
B1 e B2
Fabricante 3
C1 e C2
Fabricante 4
D1, D2 e D3
14
ENSAIOS
 Sequência de impulsos realizada nos varistores e
nos módulos:
Ordem
Medição
Características
01(i)
Impulsos 8 x 20 µs
Cinco impulsos: 1,5 kA, 2,5 kA, 3,0 kA,
5,0 kA e 10 kA.
02
Impulsos 4 x 10 µs
Dois impulsos de 40 kA.
03(ii)
Impulsos de longa duração
(2 ms)
Cinco impulsos: 75 A, 150 A e 250 A.
04(iii)
Impulso 4 x 10 µs
Dois impulsos de 65 kA.
Varistores: 1,5 kA, 2,5 kA, 5,0 kA e 10 kA; Módulos: 1,5 kA, 3,0 kA, 5,0 kA e 10 kA.
(ii)Varistores: 75 A e 150 A; Módulos: 150 A e 250 A.
(iii)Ensaio realizado apenas nos varistores.
(i)
15
RESULTADOS DOS ENSAIOS
Número de varistores que falharam
Amostras
10 kA
40 kA
75 A
150 A
65 kA
(8 x 20 µs)
(8 x 20 µs)
2ms
2ms
(8 x 20 µs)
A1
0
1
0
0
0
A2
0
0
0
0
0
A3
0
0
0
0
0
B1
0
1
0
0
3
B2
0
0
0
0
1
C1
0
0
0
0
0
C2
0
1
0
3
0
J2
0
0
0
0
1
J3
0
0
0
0
1
K5
0
1
0
0
0
16
RESULTADOS DOS ENSAIOS
 Característica Tensão versus Corrente em módulos de
para-raios a óxido metálico (fabricante 4)
Tensão residual (kV)
60
15 A
40
15 B
15 C
15 D
15 E
20
100
1.000
10.000
Corrente (A)
17
CONSIDERAÇÕES FINAIS
 Os resultados deste trabalho puderam ser usados
como justificativa para desenvolver de forma
adequada um projeto de para-raios de 5 kA e avaliálo através de uma sequência adaptada de ensaios;
 Através dos impulsos de curta duração foi possível
avaliar a suportabilidade dos varistores assim como
nível de proteção contra impulsos atmosféricos.
Foram obtidos valores de tensão residual entre 27
kV e 56 kV;
18
CONSIDERAÇÕES FINAIS
 Através dos impulsos de longa duração foi possível
avaliar a capacidade de absorção de energia dos
varistores. Foram obtidos valores iguais a 28 kV e 32
kV.
 O número de falhas causadas por impulsos de
longa duração foi superior ao número de falhas
causadas pelos impulsos de curta duração;
19
CONSIDERAÇÕES FINAIS
 Não foram verificados indícios de descarga disruptiva
externa, trincas ou perfurações nos varistores do
fabricante 4 após a sequência de ensaios;
 No que se refere a taxa de falhas, foi observado que o
aumento do risco referente ao para-raios de 5 kA e
suportabilidade 40 kA é compensado pelo custo
associado ao investimento na compra dos para-raios,
assim como no grande número de substituição de pararaios de 10 kA retirados do sistema por operação do
desligador automático, mas ainda em boas condições
operacionais.
20
CONSIDERAÇÕES FINAIS
 Além disso, esse risco é significativo apenas para
correntes de descarga elevadas, em torno de 40 kA.
 Para valores inferiores de corrente, a degradação do
para-raios ocorre de maneira contínua, levando à
atuação do desligador antes da sua falha completa.
 Estes
resultados
são
indicativos
da
suportabilidade do projeto que está sendo
desenvolvido e, portanto, garante a viabilidade da
instalação de para-raios de 5 kA no sistema de
distribuição do Brasil.
21
OBRIGADO PELA ATENÇÃO!!!
Arimatéa A. Nunes
[email protected]
Aellfclêniton M. M. Diniz
[email protected]
Manuel Luís Barreira Martinez
[email protected]
22