Proteção contra Sobretensões em Transformadores: Como Selecionar Para-raios para Sobretensões Causadas por Descargas Atmosféricas e Manobras

Um encarregado de serviços públicos no sul de Luzon nos enviou, em agosto passado, uma fotografia de uma instalação que parecia perfeitamente normal no dia em que foi aprovada: um transformador montado em caixa com tensão de 13,8 kV, um novo para-raios de polímero fixado em seu suporte e tinta fresca. Dois detalhes não constavam da especificação original: quatro pés de fio condutor enrolado entre o terminal do para-raios e o tanque do transformador; e um condutor de aterramento roteado de volta através do suporte de fixação, em vez de descer diretamente até a placa de aterramento. Três semanas depois, um raio atingiu o alimentador. O para-raios sobreviveu sem qualquer marca. O enrolamento primário não.

O que um Para-raios Faz — e o que ele Não Consegue Fazer

Moderno proteção contra sobretensões em transformadores o esquema é construído em torno de um varistor de óxido metálico sem lacunas. Abaixo da sua tensão de referência, o varistor comporta-se como um circuito aberto e consome microamperes. Acima dessa tensão, a resistência entra em colapso, o supressor desvia a corrente de sobretensão para a terra e retorna a um estado de alta impedância bem antes do próximo semiciclo. IEEE C62.11-2020 define o próprio dispositivo, abrangendo supressores de óxido metálico para circuitos de 48 a 62 Hz acima de 1.000 V, que limitam sobretensões causadas por descargas atmosféricas e manobras, conduzindo a corrente de descarga e, em seguida, limitando automaticamente o fluxo de corrente de potência do sistema. Trata-se de uma norma ativa, publicada em setembro de 2020.

O supressor não absorve a sobretensão; ele a limita. O que o enrolamento efetivamente experimenta é a tensão de descarga do supressor. mais a tensão que a sobretensão desenvolve ao longo do condutor que liga o terminal do supressor ao ponto que está sendo protegido. Ambos os termos são reais. Apenas o segundo pode ainda ser modificado com uma chave no dia da instalação.

Um parafuso de proteção perfeitamente selecionado ainda pode ser mal aplicado. A seleção e a conexão são duas tarefas distintas, e os compradores normalmente delegam apenas uma delas.

 

 

A proteção contra sobretensões em transformadores começa com a tensão máxima de operação contínua (MCOV), não com a tensão nominal em kV

A maioria das solicitações de cotação (RFQs) que chega à nossa equipe de engenharia especifica um parafuso de proteção pela tensão nominal — “um parafuso de proteção de 10 kV”, “um parafuso de proteção de 18 kV”. Esse valor é uma classificação para ciclo de serviço e, por si só, quase nada revela sobre a adequação do equipamento ao seu sistema. O valor que determina a aplicação é MCOV : a tensão máxima de operação contínua (MCOV), ou seja, a maior tensão RMS que o parafuso de proteção pode suportar continuamente em seus terminais sem superaquecer.

A tensão máxima contínua de operação (MCOV) é definida pela aterragem do sistema, não pelo transformador. Num sistema efetivamente aterrado, o para-raios suporta a tensão fase-terra em regime normal, logo o requisito é a própria tensão máxima fase-terra — 7,65 kV num sistema multifuncional de 12,47 kV. Num sistema não aterrado ou aterrado por impedância, uma falta fase-terra faz com que as fases não afetadas se aproximem da tensão total fase-fase, portanto a regra passa a exigir uma MCOV igual ou superior a 90 por cento da tensão máxima fase-fase. Mesmo transformador, mesma classe de tensão, mas dois para-raios muito distintos.

Tensão nominal do sistema fase-fase (kV)	MCOV do para-raios — sistema efetivamente aterrado (kV)	MCOV do para-raios — sistema aterrado por impedância ou não aterrado (kV)
4.16	2.55	5.10
12.47	7.65	15.30
13.80	8.40	15.30
24.94	15.30	29.00
34.50	22.00	Não recomendado

Esses valores provêm dos dados de aplicação de para-raios publicados pela Hubbell Power Systems e correspondem ao observado nos sistemas de distribuição norte-americanos ( Catálogo Hubbell 70, Para-Raios ). A consequência prática vale a pena enunciar claramente. Se uma especificação indica "sistema sem aterramento", mas o sistema é, na verdade, um sistema de quatro fios com múltiplos aterramentos, você adquire aproximadamente o dobro da tensão máxima contínua (MCOV) necessária — e paga por isso com uma tensão de descarga mais elevada, que é exatamente o valor que você tentava manter baixo.

Uma relação adicional é útil ao ler uma folha de dados: a tensão nominal de um para-raios é, em geral, cerca de 1,25 vezes sua MCOV. É por isso que um para-raios de distribuição com tensão nominal de 10 kV possui uma MCOV de aproximadamente 8,4 kV, e também por isso que ambos os valores variam em conjunto quando você altera a suposição sobre o aterramento no mesmo transformador.

 

Comprimento dos Condutores de Ligação, Aterramento e a Margem de Proteção que Realmente Conta

Aqui está a parte que a maioria dos compradores ignora. Cada pé de fio condutor entre o para-raios e o equipamento que ele protege acrescenta tensão ao isolamento durante uma sobretensão, pois a corrente precisa percorrer essa distância e retornar. O guia de aplicação IEEE para para-raios de óxido metálico utiliza 1,6 kV por pé a 10 kA, e a Norma de Aprovação FM DS 5-11 para proteção contra raios e sobretensões de equipamentos elétricos emprega o mesmo valor.

Comprimento do condutor do para-raios (pés)	Tensão acrescentada a 10 kA (kV)	Parte de um enrolamento com NIV de 95 kV
1	1.6	1.7%
2	3.2	3.4%
4	6.4	6.7%
10	16.0	16.8%

 

 

Amargem de proteção é o cálculo aritmético que integra todos esses elementos. Subtraia da NIV do enrolamento a tensão de descarga do para-raios e a contribuição do condutor, depois divida o resultado pela NIV. Em um transformador de distribuição de 13,8 kV, o nível padrão de isolamento primário é de 95 kV NIV, e a margem mínima recomendada margem de proteção é de 20 por cento. Um condutor de 10 pés consome 16 kV desses 95 kV — quase toda a margem recomendada, antes mesmo de se considerar qualquer kV da tensão de descarga do para-raios.

A ligação à terra falha da mesma forma silenciosa. O condutor de aterramento deve ser curto, reto e separado do suporte de montagem, conectando-se a uma placa dedicada ligada ao tanque e à malha de aterramento da estação. Rotear o caminho de aterramento através de componentes de fixação parafusados introduz uma junção que sofre corrosão, afrouxa-se e acrescenta impedância exatamente no momento em que a sobretensão ocorre. NFPA 780 , a Norma para Instalação de Sistemas de Proteção contra Descargas Atmosféricas, é a edição atual de 2026 e constitui a referência mais utilizada por inspetores norte-americanos. Leia-a antes de aprovar um projeto, não após uma falha.

 

Escolhendo a Classe Correta de Parafuso para o Transformador que Você Está Adquirindo

Os para-raios são classificados conforme a energia de surto e a corrente de falta que conseguem suportar, e a classe deve corresponder à criticidade do equipamento instalado logo após ele — e não ao valor do pedido de compra.

Classe de para-raios	Aplicação Típica	Notas de Seleção
Distribuição	transformadores de distribuição de 12,47–34,5 kV, unidades montadas em base, postes de subida	corrente nominal de descarga de 10 kA. Serviço normal adequado para alimentadores rurais levemente carregados; serviço pesado onde a unidade está exposta ou o alimentador é longo.
Intermediário	Subestações pequenas, equipamentos de chaveamento em média tensão, transformadores acima de 5 MVA	Capacidade energética superior à classe de distribuição. Utilizado onde os equipamentos protegidos são caros e a exposição é elevada.
Estação	Transformadores de classe de transmissão e subestações críticas	Maior capacidade energética e suporte a correntes de falha. O comportamento de alívio de pressão e os requisitos de graduação são explicitamente definidos na norma IEEE C62.11.

Em transformadores montados em base (pad-mounted) na América do Norte, o para-raios normalmente é fixado ao tanque com um suporte e tampa dedicados, e o condutor de terra é conectado a uma placa soldada na parede do tanque. Isso não é decoração. É o caminho mais curto possível da base do para-raios até o aço aterrado, e é o único caminho que mantém a contribuição do condutor dentro da faixa calculada por nossos engenheiros na fase de cotação.

 

Três problemas recorrentes com para-raios que observamos repetidamente no campo

Solicitamos fotografias da instalação existente antes de cotar uma unidade de substituição, e os mesmos três padrões continuam aparecendo.

• Fio condutor enrolado ou em laço. Uma equipe segurando 6 pés de fio condutor e necessitando de 18 polegadas dele enrolará o restante de forma organizada ao longo do tanque. Cada volta acrescenta indutância e tensão. Encurte o fio condutor; não o organize.
• Caminho de aterramento através do suporte de montagem. É rápido, mas está errado. Os parafusos do suporte não são um condutor de aterramento no dia da instalação, nem se tornarão um após dois invernos em um pátio costeiro.
• Parafuso de proteção dimensionado com base na potência em kVA do transformador, em vez da aterragem do sistema. A classificação em kVA da unidade não tem relação com a tensão máxima contínua (MCOV). A configuração de aterramento tem sim, e ela é uma resposta de uma única linha no desenho.

Uma falha adicional esconde-se dentro da primeira. Um para-raios de distribuição com desconector externo soltará seu condutor se o para-raios falhar em curto-circuito — exatamente o que se deseja —, mas o desconector necessita de um entreferro que permaneça livre. Já abrimos armários nos quais um único fio ou um ninho de insetos construído ao longo de uma estação haviam ponteado esse entreferro. O para-raios ainda estava lá. Simplesmente não protegia mais nada.

 

Como Incorporamos a Proteção contra Surtos em Cada Pedido de Transformador

A Ryan Electric fabrica transformadores desde 2007 e, desde 2023, opera como parceira de joint-venture da Eaton. Na fábrica de Danyang — 120.000 metros quadrados, mais de 180 conjuntos de equipamentos de produção e teste, 37 patentes — o salão de ensaios dielétricos executa os ensaios rotineiros exigidos pela especificação do projeto, juntamente com os ensaios de impulso nos projetos que os requerem, e o nível BIL gravado na placa de identificação corresponde ao nível no qual o projeto foi qualificado.

Quando um pedido inclui para-raios, dimensionamos a tensão máxima contínua de operação (MCOV) com base no aterramento do sistema fornecido por você, listamos o suporte de montagem e a tampa na lista de materiais e soldamos uma placa de aterramento para que o instalador tenha um ponto de conexão direto, em vez de um parafuso conveniente. Nos programas UL e CSA, o suporte, a placa de aterramento e a ligação equipotencial do tanque são avaliados como parte do conjunto, não como acessórios de campo.

 

O que incluir na sua solicitação de cotação (RFQ) para proteção contra sobretensões em transformadores

Quatro linhas na sua RFQ evitarão revisões posteriores, e nenhuma delas leva mais de um minuto para ser localizada nos desenhos.

• Aterramento do sistema: aterrado efetivamente, aterrado por impedância, sem aterramento ou em delta — além da tensão máxima do sistema, não apenas a nominal.
• MCOV exigida se você já a tiver, bem como a classe do para-raios que pretende especificar.
• Método de Montagem: suporte no tanque, braço transversal, no interior do gabinete ou em um compartimento de quadro de comando.
• Comprimento máximo possível dos condutores na disposição real e onde a placa de aterramento será instalada.

Envie o diagrama unifilar e o plano do local com essas quatro respostas, e forneceremos a seleção do para-raios, sua tensão de descarga, a contribuição dos condutores e a tensão resultante margem de proteção na cotação — assim, a discussão ocorre no papel, em sua mesa, em vez de ocorrer em uma subestação após uma tempestade. Entre em contato com a equipe de engenharia de aplicações em [email protected] ou acesse as páginas de produtos de transformadores Imersos em Óleo e transformadores Montados em Base para solicitar suporte de dimensionamento para um projeto específico.

 

Sobre o autor

Este artigo foi elaborado pela equipe de engenharia de aplicações da Ryan Electric (Jiangsu Ryan Electric Co., Ltd.), fabricante de transformadores que atua em projetos de distribuição, energia e energias renováveis para clientes de serviços públicos, centros de dados, indústria e infraestrutura em todo o mundo. Nossos engenheiros especificam a seleção de para-raios, a coordenação de isolamento e os detalhes de aterramento nos mesmos projetos testados em nosso laboratório de ensaios em Danyang. Para dúvidas sobre a seleção de MCOV ou sobre a margem de proteção em um projeto específico, envie um e-mail para [email protected].