Proteção de instalações elétricas contra sobretensões.

Conceito fundamental

As pessoas, os animais e os bens devem ser protegidos contra as consequências prejudiciais de ocorrências que possam resultar em sobretensões, como faltas entre partes vivas de circuitos sob tensões diferentes, fenômenos atmosféricos e manobras.

Proteção contra sobretensões e perturbações eletromagnéticas

Proteção contra sobretensões temporárias: Determinadas ocorrências podem fazer com que os circuitos fase-neutro sejam submetidos a sobretensões que podem atingir o valo da tensão entre fases. Essas ocorrências são:

⦁ Perda do condutor neutro em esquemas TN e TT, em sistemas trifásicos com neutro, bifásicos com neutro e monofásicos a três fios;

⦁ Falta à terra envolvendo qualquer dos condutores de fase em um esquema IT. Neste caso os componentes da instalação elétrica devem ser selecionados de forma a que sua tensão nominal de isolamento seja pelo menos igual ao valor da tensão nominal entre fases da instalação.

Em instalações que utilizam aterramento no esquema TT, deve-se verificar se as sobretensões temporárias provocadas pela ocorrência de falta à terra na média tensão são compatíveis com a tensão suportável à frequência industrial dos componentes da instalação de baixa tensão. Essa condição é considerada atendida quando:

⦁ R x Im ≤ 250V, quando a falta à terra for eliminada pela proteção primária da subestação de transformação MT/BT em um tempo superior a 5s;

⦁ R x Im ≤ 1.200V, quando a falta à terra for eliminada pela proteção primária da subestação de transformação MT/BT em um tempo inferior a 5s.

Sendo:

R = Resistência de aterramento das massas da subestação de transformação MT/BT.

Im = é a parte da corrente de falta à terra da média tensão que circula pelo eletrodo de aterramento das massas da subestação de transformação MT/BT.

A verificação prescrita acima pode se limitar aos equipamentos BT da subestação de transformação MT/BT se o eletrodo de aterramento do condutor neutro for eletricamente distinto do eletrodo de aterramento das massas da subestação de transformação.

Proteção contra sobretensões transitórias em linhas de energia: Deve ser provida proteção contra sobretensões transitórias, com o uso de DPS ou outros meios que garantam uma atenuação de sobretensões no mínimo equivalente àquela obtida pelos DPS, nas seguintes situações:

⦁ Quando a instalação for alimentada por linha total ou parcialmente aérea, ou incluir ela própria linha aérea, e se situar em região classificada para descargas atmosféricas como AQ2, com mais de 25 dias de trovoadas por ano;

⦁ Quando a instalação se situar em região classificada para descargas atmosféricas como AQ3, com riscos provenientes da exposição dos componentes da instalação, ou seja, partes da instalação estejam situadas no exterior das instalações.

Proteção contra sobretensões transitórias em linhas de sinal: Toda linha externa de sinal, seja de telefonia, de comunicação de dados, de vídeo ou qualquer outro sinal eletrônico, deve ser provida de proteção contra surtos nos pontos de entrada e/ou saída da edificação, conforme abaixo.

A localização do DPS destinado à proteção de linhas de sinal deve ser:

⦁ No caso de linha originária da rede pública de telefonia, o DPS deve ser localizado no distribuidor geral (DG) da edificação, situado junto ao BEP (Barramento de equipotencialização principal);

⦁ No caso de linha externa originária de outra rede pública que não a de telefonia, o DPS deve ser localizado junto ao BEP;

⦁ No caso de linha que se dirija a outra edificação ou a construções anexas e, ainda, no caso de linha associada a antena externa ou a estruturas do topo da edificação, o DPS deve ser localizado junto ao BEL (Barramento de equipotencialização Local) mais próximo, ou eventualmente junto ao BEP quando o ponto de saída ou entrada de tal linha se situar.

Conexão dos DPS: Os DPS requeridos devem ser conectados entre a linha de sinal e a referência de equipotencialização mais próxima.

Seleção do DPS: As disposições abaixo especificam as características exigíveis dos DPS destinados à proteção de linhas de telefonia em par trançado, assumindo que o DPS venha a ser instalado no DG da edificação.

⦁ Tipo de DPS – O DPS deve ser do tipo curto-circuitante, simples ou combinado (incorporando limitador de sobretensões em paralelo);

⦁ Tensão de disparo CC – O valor da tensão de disparo CC deve ser no máximo 500V e no mínimo 200V, quando a linha telefônica for balanceada aterrada, ou 300V, quando a linha for flutuante;

⦁ Tensão de disparo impulsiva – O valor da tensão de disparo impulsiva do DPS deve ser de no máximo, 1kV;

⦁ Corrente de disparo impulsiva – A corrente de descarga impulsiva do DPS deve ser no mínimo 5kA, quando a blindagem da linha telefônica for aterrada e de, no mínimo, 10kA quando a blindagem não for aterrada;

⦁ Corrente de descarga CA – O valor da corrente de descarga CA do DPS deve ser de no mínimo 10A;

⦁ Protetor de sobrecorrente – Quando a linha telefônica for balanceada aterrada, o DPS deve incorporar protetor de sobrecorrente, com corrente nominal entre 150mA e 250mA. Quando a linha telefônica for flutuante, o DPS pode incorporar ou não o protetor de sobrecorrente, mas caso o DPS incorpore tal protetor, a corrente nominal do protetor deve se situar entre 150mA e 250mA;

⦁ DPS para blindagens e capas metálicas – Quando a blindagem ou capa de uma linha de sinal for conectada a equipotencializações ou vinculada à massa de um equipamento com a interposição de DPS, este DPS deve ser utilizado deve ser do tipo curto-circuitante com tensão disruptiva CC entre 200V e 300V, corrente de descarga impulsiva de no mínimo 10kA (8/20µs) e corrente de descarga CA de no mínimo 10A (60Hz/1s);

⦁ Falha do DPS – O DPS deve ser do tipo (falha segura) incorporando proteção contra sobreaquecimento;

⦁ Condutores de conexão do DPS – As ligações do DPS devem ser as mais curtas e retilíneas possíveis.

Seleção dos componentes da instalação sob o critério de sua suportabilidade às sobretensões transitórias:

Os componentes da instalação devem ser selecionados de modo que o valor nominal de sua tensão de impulso suportável não seja inferior àqueles indicados na tabela abaixo.

Os produtos com suportabilidade a impulsos categoria I são destinados a serem conectados a uma instalação fixa da edificação, mas providos de alguma proteção específica, que se assume externa ao equipamento e situada em algum ponto da instalação fixa ou entre a instalação fixa e o produto, limitando as sobretensões transitórias a um nível especificado.

Os produtos com suportabilidade categoria II também são produtos destinados a serem conectados à instalação elétrica fixa da edificação. São, essencialmente, equipamentos de utilização como aparelhos eletrodomésticos, aparelhos eletroprofissionais, ferramentas portáteis e cargas análogas.

Os produtos com suportabilidade a impulsos categoria III são correspondentes da instalação fixa propriamente dita e outros produtos dos quais se exige um maior nível de confiabilidade. Aqui podem ser citados, como exemplo, quadros de distribuição, disjuntores, linhas elétricas (o que inclui condutores, barramentos, caixas de derivação, interruptores e tomadas de corrente) e outros elementos da instalação fixa, bem como produtos de uso industrial e equipamentos, como motores elétricos, que estejam unidos à instalação fixa através de uma conexão permanente.

Por fim, os produtos com suportabilidade categoria IV são aqueles utilizados na entrada da instalação ou próximo da entrada, a montante do quadro de distribuição principal. Exemplos: Medidores de energia, dispositivos gerais de seccionamento e proteção de outros itens usados tipicamente na interface da instalação elétrica com a rede pública de distribuição.

• Prevenção de influências eletromagnéticas nas instalações e seus componentes:

As blindagens, armações, coberturas e capas metálicas das linhas externas, bem como os condutos de tais linhas, quando metálicos, devem ser incluídos na equipotencialização principal.

Em linhas elétricas de sinal, quando a conexão da blindagem ou capa metálica à equipotencialização puder suscitar corrosão eletrolítica, essa conexão pode ser efetuada com a interposição de DPS do tipo curto-circuitante.

São outros exemplos de medidas que contribuem para a redução dos efeitos das sobretensões induzidas e das interferências eletromagnéticas:

• Disposição adequada das fontes potenciais de perturbações em relação aos equipamentos sensíveis;

• Disposição adequada dos equipamentos sensíveis em relação aos circuitos e equipamentos com altas correntes como barramentos de distribuição e elevadores;

• Uso de filtros e/ou dispositivos de proteção contra surtos (DPSs) em circuitos que alimentam equipamentos sensíveis;

• Seleção de dispositivos de proteção com temporização adequada para evitar desligamentos indesejáveis devidos a transitórios;

• Equipotencialização de invólucros metálicos e blindagens;

• Separação adequada, por distanciamento ou blindagens, entre as linhas de energia e as linhas de sinal, bem como seu cruzamento em ângulo reto.

• Separação adequada, por distanciamento ou blindagens, entre as linhas de energia e as linhas de sinal em relação aos condutores de descida do sistema de proteção contra descargas atmosféricas;

• Redução dos laços de indução pela adoção de um trajeto comum para as linhas dos diversos sistemas;

• Utilização de cabos blindados para o tráfego de sinais;

• As mais curtas conexões de equipotencialização possíveis;

• Linhas com condutores separados (por exemplo, condutores isolados ou cabos unipolares) contidas em condutos metálicos aterrados ou equivalentes;

• Evitar o esquema TN-C, e quando não for possível, o condutor PEN deve ser separado, a partir do ponto de entrada da linha na edificação, ou a partir do quadro de distribuição principal, em condutores distintos para as funções de neutro e de condutor de proteção. A alimentação elétrica, até aí TN-C, passaria então a um esquema TN-S, compondo então, globalmente, um esquema TN-C-S;

• Utilizar enlaces de fibra óptica sem revestimento metálico ou enlaces de comunicação sem fio na interligação de redes de sinal dispostas em áreas com equipotencialização separadas, sem interligação.

Dispositivos de proteção contra surtos (DPS)

⦁ Uso e localização dos DPSs: A disposição dos DPS deve respeitar os seguintes critérios:

⦁ Quando o objetivo for a proteção contra sobretensões de origem atmosférica transmitidas pela linha externa de alimentação, bem como a proteção contra sobretensões de manobra, os DPS devem ser instalados junto ao ponto de entrada da linha na edificação ou no quadro de distribuição principal, localizado o mais próximo possível do ponto de entrada, ou

⦁ Quando o objetivo for a proteção contra sobretensões provocadas por descargas atmosféricas diretas sobre a edificação ou em suas proximidades, os DPS devem ser instalados no ponto de entrada da linha na edificação.

⦁ Instalação dos DPS no ponto de entrada ou no quadro de distribuição principal

Quando os DPS forem instalados junto ao ponto de entrada da linha elétrica na edificação ou no quadro de distribuição principal, o mais próximo possível do ponto de entrada, eles serão dispostos no mínimo como mostra a figura abaixo.

A ligação ao BEP ou à barra PE depende de onde, exatamente, os DPS serão instalados e de como o BEP é implementado, na prática. Assim, a ligação será no BEP quando:

• O BEP se situar a montante do quadro de distribuição principal (Com o BEP localizado, como deve ser, nas proximidades imediatas do ponto de entrada da linha na edificação) e os DPS forem instalados então junto ao BEP, e não no quadro; ou

• Os DPS forem instalados no quadro de distribuição principal da edificação e da barra PE do quadro acumular a função de BEP.

Por consequência, a ligação será na barra PE, propriamente dita, quando os DPS forem instalados no quadro de distribuição e a barra PE do quadro não acumular a função de BEP.

A hipótese do esquema 1 da direita configura um esquema que entra TN-C e prossegue instalação adentro TN-C, ou entra na edificação TN-C e em seguida passa a TN-S. O neutro de entrada, necessariamente PEN, deve ser aterrado no BEP, direta ou indiretamente. A passagem do esquema TN-C a TN-S, com separação do condutor PEN de chegada em condutor neutro e condutor PE, seria feita no quadro de distribuição principal.

A hipótese dos esquemas de conexão 2 e 3 configuram 3 possibilidades de esquema de aterramento: TT (com neutro), IT com neutro e linha que entra na edificação já em esquema TN-S. Há situações em que um dos dois esquemas se torna obrigatório.

⦁ Instalação dos DPS em pontos ao longo da instalação

Quando, além dos DPS instalados na origem da instalação, forem necessários DPS adicionais, conforme previsto abaixo:

- Em esquemas TN-S, esquema TT com neutro e esquema IT com neutro:

• Entre cada fase e PE e entre neutro e PE (Esquema de conexão 2)

• Entre cada fase e neutro e entre neutro e PE (Esquema de conexão 3)

- Em circuitos sem neutro, qualquer que seja o esquema de aterramento:

• Entre cada fase e PE (Esquema de conexão 1)

- Em esquema TN-C:

• Entre cada fase e PE (PEN) (Esquema de conexão 1)

Cabe ressaltar que a disposição de DPS é aqui também considerada mínima, pois não exclui uma proteção complementar de modo diferencial (Conexão de DPS entre condutores vivos).

⦁ Seleção dos DPS

Os DPS devem ser selecionados com base no mínimo nas seguintes características:

⦁ Nível de proteção: O nível de proteção do DPS deve ser compatível com a categoria II de suportabilidade a impulsos indicados na tabela 1 do item 3 deste capítulo. No caso de conexões conforme o esquema 3, o nível de proteção exigido refere-se ao nível global, isto é, entre fase e PE. Quando o nível de proteção exigido, qualquer que seja o esquema de conexão, não puder ser atendido com um só conjunto de DPS, devem ser providos DPS suplementares, devidamente coordenados, de modo que o nível de proteção requerido seja satisfeito.

⦁ MCOV – Máxima tensão de operação contínua: tensão máxima de operação contínua deve ser igual ou superior aos indicados na tabela 2 abaixo.

Suportabilidade a sobretensões temporárias: O DPS deve atender aos ensaios pertinentes especificados na IEC-61643-1. Essa norma estabelece que o DPS suporte sobretensões temporárias decorrentes de faltas na instalação BT e que os DPS conectáveis ao PE, e quando assim conectados, não ofereçam nenhum risco à segurança em caso de destruição provocada por sobretensões temporárias devidas a faltas na média tensão e por perda de neutro.

⦁ Corrente nominal de descarga e/ou corrente de impulso: Na seleção da corrente nominal de descarga e/ou da corrente de impulso do DPS, distinguem-se 3 situações:

⦁ Quando o DPS for destinado à proteção contra sobretensões de origem atmosférica transmitidas pela linha externa de alimentação e contra sobretensões de manobra, sua corrente nominal de descarga In não deve ser inferior a 5kA (8/20us) para cada modo de proteção. Todavia, In não deve ser inferior a 20kA (8/20us) em redes monofásicas, quando o DPS for usado entre neutro e PE, do esquema de conexão 3;

⦁ Quando o DPS for destinado à proteção contra sobrecorrentes provocadas por descargas atmosféricas diretas sobre a edificação ou em suas proximidades, sua corrente de impulso Iimp deve ser determinada com base na IEC-61312-1; Se o valor da corrente não puder ser determinado, Iimp não deve ser inferior a 12,5kA para cada modo de proteção. No caso do DPS usado entre neutro e PE, no esquema de conexão 3, Iimp também deve ser determinada conforme a IEC-61312-1; ou, caso o valor da corrente não possa ser determinado, Iimp não deve ser inferior a 50kA para uma rede trifásica para uma rede monofásica;

⦁ Quando o DPS for destinado, simultaneamente, à proteção contra todas as sobretensões relacionadas nas duas situações anteriormente citadas, os valores de In e Iimp do DPS devem ser determinados, individualmente, como especificado anteriormente.

Suportabilidade a corrente de curto-circuito: Tendo em vista a possibilidade de falha no DPS, sua suportabilidade a correntes de curto-circuito, já levando em conta a ação do dispositivo de proteção contra sobrecorrentes que o integrar ou for especificado pelo fabricante, deve ser igual ou superior à corrente de curto-circuito presumida no ponto em que vier a ser instalado. Além disso, quando o DPS incorporar centelhador, a capacidade de interrupção de corrente subsequente declarada pelo fabricante deve ser igual ou superior à corrente de curto-circuito presumida no ponto de instalação do dispositivo. Para os DPS a serem conectados entre neutro e PE, a capacidade de interrupção de corrente subsequente deve ser no mínimo 100A, em esquema TN ou TT, e deve ser a mesma dos DPS conectados entre fase e neutro, no caso de sistema IT.

⦁ Coordenação dos DPS: Os fabricantes de DPS devem fornecer, em sua documentação, instruções claras e suficientes sobre como obter coordenação entre os DPS dispostos ao longo da instalação.

Falha do DPS e proteção contra sobrecorrentes

A possibilidade de falha interna, fazendo com que o DPS entre em curto-circuito, impõe a necessidade de dispositivo de proteção contra sobrecorrentes, para eliminar tal curto-circuito. Vejamos o que pode ser feito.

⦁ Posicionamento do dispositivo de proteção: a proteção deve estar:

⦁ Na própria conexão do DPS, representada pelo dispositivo de proteção da figura abaixo, sendo que o DP pode ser inclusive o desligador interno que eventualmente integra o DPS.

Em termos de seção nominal, o condutor das ligações DPS-PE, no caso de DPS instalados no ponto de entrada da linha elétrica na edificação ou em suas proximidades, deve ter seção de no mínimo 4mm² em cobre ou equivalente. Quando esse DPS for destinado a proteção contra sobretensões provocadas por descargas atmosféricas diretas sobre a edificação ou em suas proximidades, a seção nominal do condutor das ligações DPS-PE deve ser de no mínimo 16mm² em cobre ou equivalente.

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