Vocês com certeza já observaram equipamentos sem o pino de aterramento em seus cabos de energia, ou até mesmo já instalaram o terra da tomada interligado com o neutro sem observara forma correta para esta prática segundo as normas. Estas são negligências que podem ocorrer, ou seja, a instalação errada ou até a completa falta de proteção contra os surtos elétricos, lembrando o grau de prejuízo que pode causar, por exemplo, durante uma descarga atmosférica, onde pode provocar danos indiretos até a 15 km do ponto de queda e um choque elétrico de aproximadamente 4000 V através de um aparelho telefônico situado a 10 km deste mesmo ponto. Desta forma, acredito que este deveria ser um item mais bem analisado por todos nós. Neste artigo, vocês conhecerão as origens e os elementos de uma proteção contra surtos elétricos para que possam identificar os principais fatores que auxiliam na proteção, os quais vão desde as condições da infraestrutura até o tipo/modelo do protetor que iremos utilizar.
Nota: Artigo publicado na revista Saber Eletrônica 463 de julho agosto de 2012.
O que é um Surto Transitório Elétrico?
"Distúrbio resultante de súbitas descargas de energia elétrica armazenada, que provoca efeitos de indução elétrica e magnética em face aos altos valores de corrente no circuito de descarga ocorridos em um pequeno intervalo de tempo". Esta é a definição completa de um STE (surto transitório elétrico), sendo que o primeiro exemplo e um dos mais preocupantes é o famoso relâmpago, constituído pelas descargas elétricas.
Tipos de STE
Os STEs são divididos em dois tipos, o randômico, do qual eu já citei o seu maior exemplo (descargas atmosféricas), sendo que podemos identificar este tipo da seguinte forma:
• Ocorrem em pontos inesperados;
• Não têm uma periodicidade definida;
• São de uma natureza complexa.
Compare estas características com o nosso exemplo: onde vai ocorrer? De quanto em quanto tempo? Como é produzida uma descarga? Um outro parâmetro que poderíamos lembrar também é que para detectarmos um transitório randômico, necessitamos de instrumentos de monitoração com rápida resposta a frentes de ondas e com características que os habilitem a trabalhar com níveis de tensão e corrente elevadas. Um outro exemplo de transitório randômico consiste nas descargas eletrostáticas.
O segundo tipo é o transitório repetitivo, sendo que podemos identificá-los por ser:
• Frequentemente observados
• Provocados por fenômenos conhecidos.
Um exemplo desse tipo é o "Spike" composto pelos picos de energia elétrica resultante dos chaveamentos elétricos, por exemplo: o chaveamento de cargas indutivas, excitação de motores, entre outros. Os transitórios repetitivos são mais simples de suprimir por terem suas causas facilmente definidas, sendo que para este caso podemos utilizar estabilizadores e nobreaks para a proteção dos equipamentos eletroeletrônicos. Lembramos, que além do problema de queima de equipamentos, os transitórios repetitivos tendem a diminuir o tempo de "vida" dos equipamentos.
Para podermos proteger os circuitos devemos analisar causa por causa, então vamos começar pelo maior problema.
Descargas Atmosféricas
As descargas atmosféricas são um fenômeno natural que acompanha o homem em toda a sua história e devido à destruição causada pelas descargas de energia que acontece, até hoje impõem respeito e temor. E deve ser uma das preocupações para quem vai instalar ou já instalou um sistema elétrico/eletrônico (além da própria proteção patrimonial). Para podermos nos proteger, primeiramente temos que entendê-las.
Como ocorrem?
As grandes responsáveis pelas descargas elétricas são as nuvens do tipo "cumulus nimbus", também denominadas "CB" (figura 1). Usualmente as descargas atmosféricas se iniciam dentro destas nuvens, nas quais os valores elétricos são bem maiores que no solo.
Um problema que temos é que até hoje há várias controvérsias entre as teorias de como ocorre a formação das cargas elétricas positivas e negativas dentro da nuvem. A mais usual é que inicialmente a nuvem possui cargas positivas e negativas, e quando se inicia a tempestade ocorrem fortes correntes ascendentes de ar úmido dentro das CBs. Em resultado da condensação do vapor de água formam-se gotas de água que, atingidas certas dimensões, começam a cair carregadas de eletricidade, negativamente em sua parte inferior e positivamente na sua parte superior. Em sua queda encontram gotículas em ascensão, cedendo a elas sua carga positiva, nas quais são violentamente arrastadas para as bordas superiores das nuvens.
Como consequência final, apresentam-se as nuvens com cargas elétricas positivas em sua parte superior, ficando a parte de baixo carregada negativamente. Desta forma se inicia o processo de descarga elétrica, aumentando o campo elétrico na nuvem.
N.A. Medições efetuadas nas nuvens através de balões atmosféricos identificaram que as densidades de cargas variam bastante, sendo que o valor máximo medido foi de 100 volts por centímetro. Mesmo com tempo bom, foi possível encontrar valores onde se fizeram presentes tensões da ordem de 20 a 30 V/cm.
A Descida
O primeiro componente visível da descarga é o denominado stepped leader, que se movimenta em direção da terra em saltos variando de 10 a 200 metros. Quando este alcança a terra, intensa luminosidade é então vista, como se estivesse deslocando-se do solo para a nuvem: esta é a chamada " descarga de retorno" com alta corrente circulando, fazendo inclusive que a temperatura do ar chegue a 3000° Celsius, provocando a expansão rápida do mesmo ao redor do canal e, consequentemente, criando uma onda de choque sonora (o trovão).
No entanto, depois de um certo intervalo de tempo uma segunda descarga--líder descendente pode ocorrer seguida também por uma de retorno: este então não é mais o líder e é muito mais rápido que o primeiro, sendo então chamado de dart leader. Quando sucedem várias dart leaders seguidas de suas descargas de retorno, nós temos as chamada descargas atmosféricas múltiplas (figura 2).
O Poder das Pontas
Em 1749, Benjamin Franklin escreveu uma série de cartas para a Royal Society (uma sociedade científica, em Londres) descrevendo as suas experiências elétricas e as suas interpretações. Numa delas referiu-se ao extraordinário "poder das pontas" observado nos objetos pontiagudos eletrizados, poder esse que permitia extrair ou projetar o "fogo elétrico", que se manifestava nos fenômenos chamados elétricos, de atração e de repulsão, e que provocavam faíscas de uns corpos para outros.
Este poder funciona da seguinte forma, imagine um condutor vertical (uma haste de para-raios por exemplo): durante as tempestades os campos elétricos aumentam os seus valores, desta forma ocorre uma concentração de campo na ponta da haste, se a intensidade de campo na ponta da haste ultrapassar certo valor crítico haverá um curto-circuito com parte do campo elétrico da nuvem, pois irá ocorrer a ionização por colisão, em consequência ocorrendo o transporte de íons positivos da terra (através da haste para a atmosfera), (figura 3).
Proteção
Um sistema completo de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) pode ser dividido em duas partes:
• Earthing - responsável pela absorção e transferência da energia proeminente das descargas atmosféricas, compreendido portanto pelo sistema de hastes verticais e eletrodos horizontais.
• Grounding - referente aos meios e princípios de vinculações elétricas que devem preservar a segurança, dissipação para os sistemas de proteção contra surtos e criação de potenciais referentes.
Earthing
Foi em 1752 que Benjamim Franklin verificou que entre um corpo eletrizado e outro pontiagudo apenas saltava faísca quando este último estava ligado à terra, e na sequência ele realizou uma das suas mais famosas experiências, quando utilizando um dispositivo baseado nos "papagaios" de papel e com uma chave presa na outra extremidade da linha (e conectada à terra), quando pode comprovar a descarga recebida pelo "papagaio" ao carregar uma garrafa de Leyden permitiu-lhe verificar que as nuvens estavam carregadas de eletricidade.
N.A. -A "garrafa de Leyden" é um tipo de capacitor de alta tensão de uso comum em eletrostática. Na forma usual atualmente (últimos 200 anos...), consiste em um pote cilíndrico de material altamente isolante, com uma folha metálica fixada por fora e outra fixada por dentro. Um terminal atravessando a tampa do pote faz contato com a folha interior, e um anel metálico faz contato com a folha exterior, constituindo assim os dois terminais do capacitor. Esta primeira experiência deu base a uma segunda, que foi realizada na França. Sendo montado um mastro metálico isolado da terra, um fio de cobre foi ligado à terra e um dos experimentadores presentes (isolado do cobre com vidro) aproximou o cobre do mastro durante uma trovoada, observando faíscas a saltar entre o mastro e o cobre, o que comprovou a teoria de Franklin (figura 4).
Esta experiência serviu também para mostrar a capacidade de proteção que este para-raios proporciona, desde que o mastro seja ligado a terra. O que hoje constitui a base do sistema de proteção pelo método de ângulo de proteção, também chamado método Franklin.
Captores
O captor tem a função de interceptar a descarga atmosférica, sendo que os métodos mais utilizados de captores são:
• Método Franklin ou de ângulo de proteção — que consiste na instalação de um captor sobre um mastro colocado na parte mais alta do telhado. Este mastro possui ligação com cabos de descida colocados nos cantos externos da casa, que tem como função levar a descarga elétrica até o solo (figura 5).
• Condutores em Malhas ou gaiolas — o contorno de todo o telhado é feito por uma malha de fios metálicos intercalados por pequenas hastes responsáveis pelo recebimento de descargas elétricas, que descem através dos cabos ligados à malha (figura 6).
Descidas
São os cabos, ou outros meios, responsáveis por conduzir a descarga elétrica desde o captor até o sistema de aterramento.
Aterramento
É formado pelo conjunto de eletrodos, cabos e conexões fabricados em cobre, que constituem o caminho de escoamento e dispersão da corrente recebida pelos captores e conduzida até o sistema para a terra, sem provocar tensões de passos perigosas e mantendo baixa a queda de tensão, e desta forma diminuindo ao máximo a probabilidade de riscos a área/ pessoas.
Na figura 7 podemos observar as diferentes configurações de uma malha de aterramento.
Efeitos Indiretos
Como já estudamos, uma descarga elétrica com a potência gerada pode causar enormes danos aonde atinge, por isso é necessário o uso de captores, descidas e aterramento, evitando que as estruturas e edifícios sejam total ou parcialmente destruídas pelos raios. No entanto, os danos causados indiretamente pelos raios são tão importantes quanto os diretos, pois quando ocorre a queda de um raio em um prédio adequadamente protegido contra descargas diretas, são geradas sobretensões nas redes da empresa concessionária (tanto nas linhas de média quanto nas linhas de baixa tensão), nas instalações elétricas do próprio edifício e naquelas dos edifícios vizinhos. Um prédio a centenas de metros de um outro que recebeu a descarga pode ter seus equipamentos danificados ou, nos casos mais graves, até serem totalmente destruídos. E, na maioria dos casos, é mais crítica e importante a interrupção das comunicações ou ainda a perda de programas em processamento do que os próprios equipamentos em si que precisam ser substituídos devido ao raio.
É importante lembrar que não são apenas as tensões, mas também nos níveis de energia que determinam a avaria de um equipamento.
Níveis de Exposição e Suportabilidade
A aplicação de um determinado tipo de circuito de proteção contra surtos depende, principalmente, do grau de exposição a descarga atmosférica da instalação ou qualquer outro STE, ou seja, o quanto o equipamento a ser protegido está exposto a um surto (STE).
Características dos níveis de exposição
• Exposição elevada: situações com alta probabilidade de impacto direto ou ocorrências muito próximas de descargas atmosféricas. Ex.: Topo de montanhas, altas estruturas, linhas aéreas etc.
• Exposição moderada: instalações eletrônicas em prédios pouco sujeitos a ação direta, mas ainda sujeitos a interferência de descargas atmosféricas próximas.
• Exposição baixa: equipamentos em uma única sala ou abrigo, alimentados através de um mesmo quadro de distribuição, com cabos de comunicação também confinados na mesma sala.
Suportabilidade
Suportabilidade é a tolerância máxima, em níveis de tensão e corrente, aplicados sem a degradação das características originais de um equipamento, seja em aplicação repetitiva ou não. Os equipamentos eletrônicos possuem uma curva de suportabilidade de tensão dependente do tempo de duração do impulso ou sobretensão do surto.
O estudo publicado pela CBEMA (Computer Business Equipment Manufacturers Association) estabelece uma orientação segura para operação de equipamentos de informática, baseada nas características técnicas das suas fontes de alimentação, sendo uma forma eficiente de preparar uma operação ótima de equipamentos no que tange a alimentação elétrica (figura 8).
Equipamentos que operam nas regiões A e B podem ter seu funcionamento comprometido.
Características Desejáveis dos Módulos Protetores
Para podermos especificar qual é a melhor proteção para cada tipo de STE, foram definidos alguns parâmetros e características elétricas desejáveis destes equipamentos:
• Tensão de Clamping — é o valor de tensão medido pico a pico, após o tempo de atuação da proteção, ou seja, é a tensão garantida após a proteção ter sido acionada;
• Sobretensão residual — é o máximo valor medido pico a pico no instante anterior a atuação da proteção - é a tensão máxima em que o equipamento fica exposto antes da atuação do protetor;
• Tempo de resposta — é o tempo decorrido entre a aplicação do pulso e a atuação da proteção. O ponto de atuação da proteção caracteriza-se pela passagem do pulso pelo valor de Clamping, sendo que após este instante a tensão nos terminais do protetor é mantida nos limites específicos da atuação do mesmo.
• Fator de Clamping — é a razão entre a sobretensão residual e a tensão de clamping:
Fc = Vrd / Vc
Baseados nestes parâmetros, agora podemos definir as características desejáveis dos protetores contra STE:
• Grande capacidade energética — para que possa suportar grandes descargas de corrente e tensão;
• Velocidade rápida de atuação com baixa sobretensão residual — quanto mais rápido ele atuar, menor será a sobretensão que o equipamento protegido irá receber;
• Tensão de Clamping condizente com a classe de suportabilidade do equipamento protegido;
• Baixa atenuação — para que os equipamentos não tenham suas capacidades alteradas;
• Baixa distorção — evitando assim problemas como ruídos na linha telefônica.
Centelhador a Gás
Os centelhadores são constituídos por dois ou três eletrodos dentro de um tubo de vidro ou cerâmica, separados por uma distância bem determinada, na ordem de 1 mm, sendo o volume preenchido por um gás raro.
Ele atua quando os limites de corrente forem excedidos (seja em corrente, duração ou número de aplicações) podendo ter seus eletrodos fundidos. Para entender melhor, quando ocorre um aumento brusco da tensão (por um surto que atinge o centelhador), inicia-se um processo denominado avalanche, e que conduz a disrupção do gás. Uma vez estabelecido o arco entre os eletrodos, a tensão de alimentação pode cair que o arco se mantém (é uma descarga autossustentada). O arco só será extinto se a fonte não conseguir fornecer correntes da ordem de 1 mA, ou se a tensão da fonte ficar abaixo da tensão do arco (entre 10 V e 20 V).
Devido a essas características, os centelhadores devem ser usados em circuitos protegidos por fusíveis ou disjuntores junto a eles e do lado da fonte.
Varistores
Os varistores são resistores cuja resistência varia com a tensão aplicada, por isso, também denominados VDR.
Os varistores têm uma aplicação bastante ampla devido a larga faixa de tensões (desde 4 V até 4 kV) e de correntes de impulso (100 A até 120 kA), podendo ser fornecidos para soldagem direta SMD, nas placas de circuito impressa (PCB — Power Circuit Board), com terminais, ou ainda sem terminais (os chamados blocos para uso nos para-raios).
Diodos Supressores
Os diodos supressores são baseados nos diodos Zener que são usados normalmente como diodos estabilizadores de tensão, mas para serem empregados como proteção sua construção deve ser especial para obterem maiores junções entre grãos de silício e maior massa nos terminais e, desta forma, aumentando a dissipação de calor. Comercialmente recebem diversos nomes, sendo os fabricados respectivamente pela Siemens (TAZ) e pela General Semiconductors (TRANSZORB) os mais facilmente encontrados no comércio. O tempo de resposta é teoricamente de 1 a 5 ns, mas esse tempo raramente é conseguido devido a indutância dos terminais.
Em relação aos varistores os diodos são mais rápidos, de menor tamanho e dão melhor proteção, mas em contrapartida têm menor capacidade de dissipar potência e são mais caros. Desta forma eles são usados como proteção fina, ou em locais onde as energias são baixas e precisamos de um elevado nível de proteção.
Proteção híbrida
Como podemos observar, um único dispositivo de proteção não atende simultaneamente aos requisitos de tempo de atuação, capacidade de condução de corrente e as características de suportabilidade de tensão dos equipamentos que normalmente precisamos proteger. Surge então a opção de usarmos uma proteção híbrida, onde usamos as qualidades de cada elemento de proteção para atenuar as desvantagens do outro, sendo normalmente dividida em proteção primária, proteção secundária e filtros.
Sendo que a proteção primária deve atender as características do surto, principalmente quanto a capacidade de condução de corrente. E apresenta níveis de tensão de operação superiores àqueles suportados pelos equipamentos protegidos e sua velocidade de atuação sempre é menor que a requerida.
Os próximos estágios já apresentam sempre velocidades de atuação superiores e níveis de atuação (tensão de disparo) precisos e compatíveis com os níveis de suportabilidade de tensão dos componentes a serem protegidos, porém possuem baixa capacidade de condução de energia.
Para atuar como elemento de retardo de corrente e divisor de potência são utilizados filtros, normalmente indutivos, que defasam e dividem a corrente e a tensão em tempo suficiente para permitir que o estágio subsequente opere com baixos níveis de energia até que ocorra a atuação da proteção primária.
Equalização de potencial
Para nos assegurarmos quanto à proteção contra STE, um sistema de aterramento equalizado, ou seja, único, se constitui como a proteção mais completa, isto é, ele garante uma proteção contra descargas atmosféricas, proteção das instalações de baixa tensão, dos sistemas eletrônicos e de telecomunicações. A equalização de potencial é necessária principalmente onde existem muitos equipamentos eletrônicos sensíveis, e em alguns casos é a única proteção de equipamentos e operadores.
A equalização de potencial é obtida mediante a interligação equipotencial, interligando: • Sistema de proteção contra descargas atmosféricas;
• Armação metálica da estrutura;
• Instalações metálicas;
• Massas e blindagens de condutores;
• Sistemas elétricos;
• Sistemas eletrônicos;
• Sistemas de telecomunicações;
Lembrando que os condutores vivos devem, obrigatoriamente, ser conectados através de protetores contra surtos.
A equalização deve ser efetuada tanto em um único ponto, quando as distâncias forem pequenas, como em vários pontos, quando há grandes distâncias ou vários equipamentos em um mesmo ambiente (figura 9).
Conclusão
Os sistemas de proteção contra surtos são visivelmente negligenciados durante uma manutenção ou até mesmo durante a instalação de sistemas eletroeletrônicos, então, espero ter demonstrado de uma forma geral que a instalação de uma proteção não é simplesmente uma norma legal, e sim uma segurança para os equipamentos eletroeletrônicos e, principalmente, para nós mesmos que trabalhamos uma boa parte do dia perto de um micro ou uma máquina conectada a sistemas elétricos.
