ANÁLISE DE UM PROJETO DE PARA-RAIOS DE 5 kA COM BASE NA TAXA DE FALHAS

1. ANÁLISE DE UM PROJETO DE PARA-RAIOS DE 5 kA COM BASE NA TAXA DE FALHAS 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

2. SUMÁRIO • Introdução • Objetivos • Taxa de falhas • Perfil das correntes • Suportabilidade de corrente • Ensaios • Considerações finais

3. INTRODUÇÃO • Os para-raiossãoequipamentoscuja principal função é proteger o sistemaelétrico contra sobretensões; • Os maismodernossãoformadosbasicamentepeloempilhamento de varistores e apresentamcaracterística V x I altamentenão-linear; • Normalmente, sãoproduzidos para-raios com valores de corrente de descarga nominal de 5 kA, 10 kA e 20 kA;

4. INTRODUÇÃO • No Brasil, é práticacomumutilizarnasredes de distribuição para-raios de corrente de descarga nominal de 10 kA; • Estudospermitemafirmarque para-raios de 5 kA apresentam suportabilidade adequadapara a grandemaioria das redes de distribuição; • No intuito de verificarosrequisitosatribuídos a suportabilidade dos varistores/módulosfrente a surtos, foirealizadauma sequência adaptada de ensaios com base nasnormasvigentes.

5. OBJETIVOS • Apresentar o risco relacionado à utilização de para-raios 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 para as concessionárias de energia.

6. 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.

7. TAXA DE FALHAS Perfil das correntes: • Foram utilizados aproximadamente 9.000 para-raios 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 “etchingscomparisons”.

8. TAXA DE FALHAS

9. TAXA DE FALHAS µ = 0,54 kA σ = 1,57 kA

10. 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. • Correntes suportáveis consideradas: 40, 65 e 100 kA. 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.

11. 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: • A taxa de falhas corresponde a área definida pelo produto entre as duas funções  Ocorrência de descargas e Probabilidade de falha. 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;

12. TAXA DE FALHAS • Sobreposição das curvas de probabilidade e curva correspondente ao cálculo da taxa de falhas.

13. 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 %.

14. ENSAIOS • Foram realizados ensaios em varistores e módulos (parte ativa) dos para-raios; • Os varistores foram organizados de acordo com a seguinte tabela:

15. ENSAIOS • Sequência de impulsos realizada nos varistores e nos módulos: (i)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.

16. RESULTADOS DOS ENSAIOS

17. RESULTADOS DOS ENSAIOS • Característica Tensão versus Corrente em módulos de para-raios a óxido metálico (fabricante 4)

18. 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 avaliá-lo 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;

19. 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;

20. 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 para-raios de 10 kA retirados do sistema por operação do desligador automático, mas ainda em boas condições operacionais.

21. 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.

22. OBRIGADO PELA ATENÇÃO!!! Arimatéa A. Nunes nunesarimatea@lat-efei.org.br Aellfclêniton M. M. Diniz mouroner@lat-efei.org.br Manuel Luís Barreira Martinez martinez@lat-efei.org.br