Instituto Federal de Educação, Ciências e Tecnologia do Pará

Campus Tucuruí

Assunto: Transformadores e Pára-raios

Professora Avaliadora: MeryleneAluno: Francisco J. Torquato Junior

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27/01/2012

Indice

Transformador de CorrenteIntrodução ................................................................ 3Circuito Equivalente ................................................................ 3Tipos Construtivos ................................................................ 4Classificação ................................................................ 5

Transformador de PotencialIntrodução ................................................................ 6Vida Útil ................................................................ 6

Para-raiosIntrodução ................................................................ 7Raio e Trovão ................................................................ 7 Benjamin Franklin e

os Para-raios ................................................................ 7Como é feito? ................................................................ 8Como funcionam

os Pára-Raios ................................................................ 9Função Secundária

dos Pára-Raios ................................................................ 10

Para-raios de ZnOIntrodução ................................................................ 11Características Elétricas ................................................................ 12Modelagem ................................................................ 13

BIBLIOGRAFIA .................................................................. 17

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Transformador de Corrente

Um transformador de corrente (abreviadamente TC ou TI) é um dispositivo que reproduz no seu circuito secundário, a corrente que circula em um enrolamento primário com sua posição vetorial substancialmente mantida, em uma proporção definida, conhecida e adequada. Os transformadores de corrente, também chamados de transformadores de instrumentos, utilizados em aplicações de alta tensão (situações essas onde circulam, frequentemente, altas correntes), fornecem correntes suficientemente reduzidas e isoladas do circuito primário de forma a possibilitar o seu uso por equipamentos de medição, controle e proteção.

Simbologia e Convenções

Simbologia de dois transformadores de correnteA simbologia padrão dos transformadores de corrente (TC´s) mostra os

terminais primários de alta tensão H1 e H2 e os terminais secundários X1 e X2. O ponto, para transformadores com polaridade aditiva, indica onde entra a corrente no primário e onde sai a corrente no secundário (defasamento de 180°).

Modelos industriais de TC´s têm os terminais de alta tensão marcados como P1 e P2 (Primário 1 e Primário 2), sendo que em muitos casos pode haver diferentes ligações do circuito primário que permitam alterar a relação de transformação. Os terminais secundários são marcados como 1s1, 1s2, 2s2... (número, algarismo, número), indicando respectivamente o número do enrolamento, o símbolo de terminal secundário (s) e o número da derivação do terminal secundário.

Circuito Equivalente

O circuito equivalente aproximado para um transformador de corrente é mostrado na figura ao lado, onde a transformação da corrente entre os circuitos primário e secundário é feita sem perdas. A impedância de dispersão do primário Z1 é multiplicada pelo quadrado da relação N² quando referida ao secundário. A impedância de dispersão secundária é Z2. Os componentes de perdas no núcleo por correntes parasitas e por magnetização são dados por Zm e a impedância de carga é dada por Zc.

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Circuito equivalente simplificado do TC

Este circuito generalizado pode ser simplificado como mostrado no esquema ao lado. A impedância primária Z1 pode ser desprezada, uma vez que o reduzido número de espiras no primário (o que é verdadeiro para a maioria dos TCs comerciais) tem pequena resistência e pouca dispersão. A corrente através do ramo magnetizante Xm é Im, chamada corrente de excitação. A corrente de excitação é atrasada de 90° em relação a V1'.

Tipos Construtivos

São classificados de acordo com o modelo do enrolamento primário, já que o enrolamento secundário é constituído por uma bobina com derivações (taps) ou múltiplas bobinas ligadas em série e/ou paralelo, para se obter diferentes relações de transformação. Quanto aos tipos construtivos, os TCs mais comuns, são:

Tipo enroladoEste tipo é usado quando são requeridas relações de transformações inferiores

a 200/5. Possui isolação limitada e portanto, se aplica em circuitos até 15kV. Ocorre quando o enrolamento primário, constituído de uma ou mais espiras, envolve mecanicamente o núcleo do transformador.

Tipo barraTransformador de corrente cujo enrolamento primário é constituído por uma

barra, montada permanentemente através do núcleo do transformador.

Tipo buchaConsiste de um núcleo em forma de anel (núcleo toroidal), com enrolamentos

secundários. O núcleo fica situado ao redor de uma “bucha” de isolamento, através da qual passa um condutor, que substituirá o enrolamento primário. Este tipo de TC é comumente encontrado no interior das “buchas” de disjuntores, transformadores, religadores, etc..

Tipo janelaTem construção similar ao tipo bucha, sendo que o meio isolante entre o

primário e o secundário é o ar. O enrolamento primário é o próprio condutor do circuito, que passa por dentro da janela.

Tipo Núcleo DivididoTransformador de corrente tipo janela em que parte do núcleo é separável ou

basculante, para facilitar o enlaçamento do condutor primário.

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Tipo com vários enrolamentos primáriosTransformador de corrente com vários enrolamentos primários distintos e

isolados separadamente.

Tipo com vários núcleosTransformador de corrente com vários enrolamentos secundários isolados

separadamente e montados cada um em seu próprio núcleo, formando um conjunto com um único enrolamento primário, cujas espiras (ou espira) enlaçam todos os secundários.

Classificação

Curva típica dos transformadores de correnteOs transformadores de corrente são classificados em dois tipos: Transformadores de Corrente para serviços de mediçãoUtilizados para medição de correntes em alta tensão, possuem características

de boa precisão (ex.: 0,3%-0,6% de erro de medição) e baixa corrente de saturação (4 vezes a corrente nominal).

Transformadores de Corrente para serviços de proteçãoUtilizados para proteção de circuitos de alta tensão, são caracterizados pela

baixa precisão (ex.: 10%-20% de erro de medição) e elevada corrente de saturação (da ordem de 20 vezes a corrente nominal).

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Transformador de Potencial

Transformador de Potencial (TP) é um equipamento usado principalmente para sistemas de medição de tensão elétrica, sendo  capaz de reduzir a tensão do circuito para níveis compatíveis com a máxima suportável pelos instrumentos de medição. Sua principal aplicação é na medição de tensões com valores elevados, ou seja, em seu circuito primário (entrada) é conectada a tensão a ser medida, sendo que no secundário (saída) será reproduzida uma tensão reduzida e diretamente proporcional a do primário. Assim, com menor custo e maior segurança, pode-se conectar o instrumento de medição (voltímetro)no secundário.

A razão (divisão) entre a tensão no primário sobre a tensão apresentada no secundário de qualquer transformador é uma constante chamada de relação de transformação (RT). A RT é determinada na fabricação do TP pela razão entre o número de espiras do enrolamento primario sobre o número de espiras do enrolamento secundário, assim conhecendo-se a RT e a tensão no circuito secundário, tem-se o valor da tensão no circuito primário.

Os TPs podem ser considerados especiais, pois são fabricados de forma a apresentar uma RT com ótima exatidão, ou seja, uma pequena variação na tensão do primário causará uma variação proporcional também no secundário, permitindo assim que indicação no voltímetro apresente uma incerteza de medição muito pequena. A tensão reduzida do circuito secundário do TP também é usada para alimentar, de forma igualmente segura, os circuitos de proteção e controle de subestações.

Vida Util

Durante o funcionamento dos transformadores de potencia varios processos de desgastes e de envelhecimento ocorrem no sistema de isolamento.

Os efeitos de fadiga térmica, química, elétrica e mecânica, tais como, pontos quentes, sobre-aquecimento, sobre-tensões e vibração são responsáveis por alterações do sistema isolante e devem ser monitorados para garantir a eficiência do equipamento permitindo intervençõesde manutenção preditiva, a fim de evitar paradas de máquina, e consequentemente, aumento de custos.

Dessa forma, a diminuição da vida util dos transformadores está relacionada com a qualidade dos materiais diéletricos utilizado durante o processo de fabricação. O estabelecimento de um programa de supervisão e manutenção preditiva e preventiva, pelo conhecimento dos materiais diéletricos envolvidos, proporcionará um aumento na vida útil do equipamento em serviço.

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Para-raios

Antes de ir diretamente aos para-raios, vale lembrar que o Brasil é o campeão mundial de incidências de descargas elétricas, cerca de 60 milhões de raios por ano. No planeta a estimativa é de 100 raios por segundo. Os grandes centros urbanos estão sujeitos a grandes números de raios por serem considerados “ilhas de calor”, devido às grandes construções e a pouca área verde, favorecendo tempestades. Por isso, é importante uma instalação e manutenção corretas dos para-raios.

Para ficar mais simples de entender como funciona o para-raios, vamos começar pelos próprios raios:

Raio e trovão

O raio, que é a descarga elétrica, é formado basicamente pela atração das cargas elétricas opostas entre as nuvens (cargas negativas) em relação ao solo (cargas positivas). Esse caminho percorrido, que pode ser tanto da nuvem pro solo quanto do solo pra nuvem, cria uma espécie de deslocamento de ar, fazendo com que ele se esquente demais, provocando uma expansão e produzindo um som, no caso, o trovão. No caso de raios entre nuvens ou dentro de uma única, não há formação de trovões. Um raio pode atingir as incríveis marcas de 125 milhões de volts (tensão elétrica), 200 mil ampères (corrente elétrica, e o fator elétrico mais perigoso) e 25 mil graus celsius. Pra se ter uma idéia, 0,5 ampères é o suficiente para matar uma pessoa.

Benjamin Franklin e os Para-raios

O primeiro para-raios da história foi construído pelo cientista, inventor e político norte-americano Benjamin Franklin em pleno século XVIII. O dispositivo era uma haste pontiaguda de metal, ligada por um fio a terra. Mas até chegar a essa invenção, ele realizou uma experiência perigosa e bastante incomum.

Benjamin observou uma grande semelhança entre as centelhas produzidas por placas eletrizadas em seu laboratório e os raios que "desciam" das nuvens. Mas como aquelas descargas poderiam ser produzidas? Ele então imaginou que ocorreria algum fenômeno entre as nuvens que produzisse eletricidade. Com essa hipótese surgia um problema: como provar sua teoria? Ele não poderia voar até as nuvens com algum dispositivo, primeiro porque o avião ainda não tinha sido inventado e segundo que

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mesmo hoje, tal procedimento é muito arriscado. Sua única saída foi empinar uma pipa em um dia tempestuoso e esperar que sua ideia desse certo ou ele morreria eletrocutado pela descarga altíssima dos raios.

Durante uma forte tempestade, o cientista inventor ligou o fio da pipa a alguns aparelhos de seu laboratório e esperou para ver o que acontecia. Se a sua teoria estivesse certa, os aparelhos ficariam carregados eletricamente ou caso contrário, nada aconteceria. Para sua alegria, os aparelhos começaram a adquirir cargas elétricas e como eles não estavam ligados a nenhum outro meio elétrico, ele verificou que sua teoria estava certa, as nuvens produziam eletricidade.

Nessa época os cientistas conheciam o fenômeno do poder das pontas e aproveitando desse conhecimento, Benjamin Franklin resolveu montar um dispositivo que pudesse protegê-los dos efeitos perigosos dos raios. Foi então, que ele montou o primeiro para-raios da História.

Como é feito?

O para-raios é constituído por uma haste de metal ligado a terra por um fio condutor de cobre. Em sua extremidade superior existe uma coroa de quatro pontas, como mostra a figura abaixo, coberta por platina para suportar o forte calor gerado pela descarga elétrica.

A função básica de um para-raios é proporcionar um caminho seguro para a descarga elétrica. Quando o fio está ligado a terra, o para-raios faz com que a descarga seja conduzida até o solo.

Assim, podemos dizer que o para-raios nada mais é do que uma haste metálica pontiaguda colocada em um lugar bem alto e ligada a terra. Seu princípio de funcionamento se baseia no poder das pontas do condutor metálico.

Modelo de para-raios utilizado

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Como funcionam os Pára-Raios

Função Principal (ou de prevenção) dos Pára-Raios:A função principal dos pára-raios é evitar que os raios ocorram. Para isso ele

se utiliza dopoder das pontas.Quando uma nuvem se aproxima de um pára-raios, ela induz cargas de sinal

contrário no solo que fica eletrizado. Se nessa região existir um pára-raios, este, também ficará eletrizado, mas devido ao poder das pontas um maior número de cargas elétricas irá se concentrar na ponta do pára-raios. E após uma certa concentração, as cargas começam a serem ejetadas das pontas dos pára-raios, tornando-se, assim, íons e elétrons livres que agora viajam pelo ar.

As nuvens atraem todas as cargas de sinal contrário que estiverem soltas no ar que aos poucos vão neutralizando a própria nuvem como ilustrado na figura abaixo. Este processo sendo lento, gradual e contínuo, as nuvens não concentram uma quantidade suficiente de carga, não sendo capazes de provocar os raios, pois são incapazes de tornar o ar de isolante em condutor.

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Função Secundária (ou de proteção) dos Pára-Raios:

Se os cumulus-nimbus chegarem muito rapidamente ou com uma quantidade de carga muito elevada, o processo de descarga não é lento e gradual, mas ser torna rápido o que aumenta muito a quantidade de íons na ponta do pára-raios.

Como os raios "são preguiçosos" eles sempre procuram o caminho mais fácil para chegar ao chão. Devido ao grande número de íons na ponta do pára-raios o líder desce por esse "caminho", pois, assim, ele precisará criar um menor número de íons para fechar o "circuito" e tornar o ar um condutor como mostra o esquema a seguir. Como os metais conduzem melhor a eletricidade, a descarga (raio) se completará pelo pára-raios, sendo dipersada pelo solo através do aterramento.

Em qualquer caso, a área de atuação de um para-raios é aproximadamente igual ao dobro da altura onde ele se encontra. Portanto, se ele está a 200 metros do solo, sua área de atuação está em um raio de 400 metros a sua volta.

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Para-raios de ZnO

Os pára-raios de ZnO (Óxido de Zinco) são dispositivos de proteção contra sobretensões transitórias, já utilizados há bastante tempo, que podem ser construídos sem nenhum tipo de centelhador em série porque suas características não-lineares são apropriadas para tal finalidade. Apresentam algumas vantagens sobre os pára-raios convencionais de SiC (Carbureto de Silício), mas cuidados especiais devem ser considerados ao executar estudos de sobretensões para a obtenção das informações requeridas para sua própria especificação. As energias absorvidas dependem de suas características não-lineares e da configuração de sistema elétrica sob estudo. Geralmente a quantidade de energia absorvida pelos pára-raios é maior para sistemas elétricos com impedancias de surto menores e para níveis de proteção dos pára-raios mais baixos. Na ocorrência de sobretensões de manobra todos os pára-raios de ZnO instalados na mesma subestação conduzem ao mesmo tempo para compartilhar a energia total envolvida na manobra.

Devido a possíveis diferenças nas características dos pára-raios de ZnO, a divisão de energia sempre apresenta diferenças e aquele com a característica mais baixa absorverá mais energia do que os demais. Mesmo as pequenas diferenças nas características não-lineares podem dar origem a grandes diferenças na absorção de energia entre os diversos pára-raios.

A finalidade principal deste artigo é apresentar as características não-lineares básicas dos pára-raios de ZnO e as técnicas de modelagem apropriadas para os estudos de sobretensões de manobra. Resultados obtidos com programa ATP serão apresentados a fim de ilustrar os aspectos acima mencionados.

2. Características Elétricas dos Pára-raios de ZnO

2.1 Níveis de Proteção

Os níveis de proteção para pára-raios de ZnO, sem nenhum tipo de centelhador em série, são definidos somente pelas tensões residuais que aparecem através de seus terminais durante a sobretensão transitória.

As tensões residuais dependem da forma e do valor das correntes de condução. Este tipo de informação deve ser obtida dos fabricantes e um exemplo de como este informação normalmente é apresentada é mostrado na Figura 1.

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Figura 1. Tensões residuais para diferentes formas de onda.É muito importante considerar que o fabricante indica as tensões residuais

máximas e mínimas para cada corrente de condução. A diferença entre estas duas características é geralmente menor do que 5%.

Os fabricantes consideram que esta pequena variação na característica residual da tensão é inerente ao processo de fabricação. Por um determinado período de tempo a variação máxima permissível é tal como indicada na Figura 1. Entretanto, os fabricantes afirmam que, para um lote específico de fabricação, a característica residual da tensão se mantém numa determinada característica mais definida, sendo a tolerância máxima indicada apenas a delimitação da variação máxima permissível entre diferentes lotes de fabricação.

Outro aspecto importante que deve ser ressaltado é que a tensão residual também pode ser modificada pelo fabricante para projetos especiais com a finalidade de atender exigências muito específicas de determinada aplicação.

As informações acima servem para ilustrar a importância que a característica não-linear de um páraraios de ZnO deve ter durante a sua modelagem para a realização de estudos de sobretensões de manobra.

2.2 Capacidade de Absorção de Energia

Os pára-raios de ZnO são suscetíveis a períodos de condução mais longos e mais freqüentes durante as sobretensões do que os pára-raios convencionais por causa da ausência de centelhadores. Como estão permanentemente conectados ao sistema elétrico, estão sempre conduzindo correntes que variam de alguns mA a centenas de A, dependendo da magnitude da sobretensão transitória.

A capacidade de absorção de energia tem que ser adequadamente especificada de forma a evitar conseqüências sérias aos equipamentos do sistema elétrico, incluindo os próprios pára-raios de ZnO.

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Pode-se mostrar que a relação entre a energia absorvida por pára-raios de ZnO e seu nível de proteção tem a forma indicada na Figura 2 (2).

É fácil compreender que a energia é muito baixa para níveis de proteção muito baixos e quando as sobretensões e os níveis de proteção são iguais. A energia aumenta com o aumento no nível de proteção até um ponto onde um máximo é alcançado e a energia começa a diminuir para níveis de proteção mais altos.

Figura 2 - Relação entre o nível de proteção e a energia absorvida por um pára-raios de

ZnO.Os pára-raios de ZnO são aplicados geralmente na região onde a energia

absorvida aumenta para níveis de proteção mais baixos porque as tensões nominais são definidas para as tensões de operação em regime do sistema. Para casos especiais, como no uso de pára-raios de ZnO para a proteção de capacitores série, de filtros de harmônicos, de filtros de onda e de terminais de neutro, a energia absorvida geralmente aumenta com o aumento no nível de proteção.

Para as instalações usuais pode-se dizer que é necessário modelar os pára-raios de ZnO considerando-se as características não-lineares mínimas informadas pelo fabricante para ondas de corrente do tipo surtos de manobra.

3. Modelagem do Pára-raios de ZnO

3.1 Modelos disponíveis no ATP

Algumas possibilidades estão disponíveis no ATP para modelar de uma resistência não-linear, que seria o equivalente ao pára-raios de ZnO sem centelhadores série. Basicamente há duas possibilidades principais: o uso direto de um determinado número de pontos no plano tensão/corrente ou determinação de equações que representam a característica não-linear do pára-raios de ZnO.

Um caso muito simplificado foi simulado a fim obter dados para comparação entre os diferentes modelos disponíveis no ATP. Dos resultados apresentados na Tabela I pode ser verificado que todos os modelos têm um comportamento

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consistente, com diferenças muito pequenas na energia absorvidas em cada modelo.

Tabela I – Comparação entre Diferentes Modelos do ATP

3.2 Casos com diversos pára-raios de ZnO em paralelo

Nos estudos de sobretensões de manobra, onde a energia absorvida pelos pára-raios é um dos parâmetros mais importantes, é fundamental que todos estejam corretamente modelados.

Nos itens acima mostrou-se que o modelo do pára-raios de ZnO geralmente é baseado na característica não-linear mínima, nos estudos de sobretensões de manobra. No caso de mais de um pára-raios de ZnO conectado no mesmo ponto elétrico é razoável considerar que as suas características não-lineares podem ser diferentes, uma vez que a expansão de uma subestação, por exemplo, com a instalação de novos pára-raios, é um caso muito comum.

A fim ilustrar as possíveis diferentes opções a respeito dos modelos de pára-raios de ZnO, dois casos foram simulados no ATP.

No primeiro caso foi simulado uma re-ignição de um disjuntor durante a abertura de um banco de capacitores em derivação.

Cinco casos diferentes foram simulados sendo a única diferença entre eles as características não lineares consideradas nos modelos dos pára-raios. A Tabela 2 mostra os resultados obtidos para cada simulação diferente. Deve-se observar que havia dois pára-raios de ZnO instalados por fase.

Tabela 2 - Corrente de Condução e Energia Absorvida

No caso número 1 os dois pára-raios de ZnO (PRl e PR2) foram modelados com as características nãolineares em seu valor máximo.

Para o caso número 2 um pára-raios de ZnO (PR1) foi modelado com a característica máxima e o outro (PR2) com sua característica mínima. O terceiro

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caso teve os dois pára-raios de ZnO (PR1 e PR2) modelados com a característica mínima. Os casos de número 4 e 5 tiveram somente um pára-raios modelado com a característica máxima (caso 4) ou característica mínima (caso 5).

Dos resultados mostrados na Tabela 1 pode-se ver que uma variação grande na energia absorvida pelo pára-raios é obtida para os modelos diferentes usados nas simulações. É evidente que os dois pára-raios de ZnO existentes devem ser modelados a fim de evitar que uma absorção de energia irreal seja considerada como resultado do estudo.

Também pode-se ver que o caso mais conservador é aquele onde um dos pára-raios de ZnO está representado na sua característica mínima enquanto o outro está representado com sua característica máxima (caso 2).

O segundo caso é uma simulação da rejeição de carga onde cinco pára-raios de ZnO por fase encontram-se instalados na subestação onde a carga foi aberta. A tabela 3 mostra os resultados obtidos.

Tabela 3 – Corrente de Condução e Energia Absorvida no Caso de Rejeição de Carga

No caso número 1 todos os pára-raios de ZnO em paralelo foram modelados como uma única característica não linear correspondente à curva de máximo. O mesmo tipo de modelagem foi aplicado ao caso 2, mas considerando-se a característica mínima. Nos casos 4 e 5 o modelo foi substituído pela característica de um único pára-raios de ZnO, respectivamente a característica máxima no caso 4 e a mínima no caso 5.

Deve-se enfatizar que nos casos 1 e 2 todos os pára-raios foram modelados por um único pára-raios equivalente (um paralelo de cinco pára-raios de ZnO) e que nos casos 4 e 5 somente um único páraraios de ZnO foi simulado com a sua correspondente característica não-linear.

No caso 3 um dos pára-raios foi modelado por sua característica mínima enquanto todos os quatro restantes foram modelados por um pára-raios equivalente, correspondente ao paralelo de suacaracterística máxima. Novamente pode-se observar que é necessário modelar todos pára-raios da subestação que são submetidos às sobretensões transitórias e que a maneira a mais conservadora para determinar a solicitação máxima de um pára-raios de ZnO é considerar sua característica não-linear em seu valor mínimo, com os demais pára-raios de ZnO em sua característica máxima (caso 3).

Das duas tabelas acima pode-se verificar que variações muito grandes na energia absorvida em páraraios de ZnO podem ocorrer em função da variação possível em suas características não-lineares. Uma aproximação conservadora deve considerar que um dos pára-raios encontra-se em sua característica não-linear mínima e que todo o restante encontram-se em sua característica máxima.

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Quando o número de pára-raios em paralelo é muito grande uma etapa intermediária poderia ser considerada porque a probabilidade de se ter uma combinação específica é muito baixa. Deve-se notar que a diferença na quantidade de energia absorvida numa única unidade aumenta com o número de pára-raios de ZnO em paralelo.

3.3 Pára-raios com colunas em paralelo

Quando a quantidade de energia imposta pelo sistema elétrico é mais elevada do que aquela que o fabricante garante para a capacidade de uma coluna é necessário aplicar pára-raios de ZnO com colunas múltiplas.

Para colunas múltiplas, a característica não-linear é o resultado do paralelismo de todas as colunas existentes. Caso o número original de blocos de ZnO de uma coluna seja mantido para todas elas, a característica não-linear resultante é sempre mais baixa. Quando se utilizam colunas em paralelo, para se manter o nível de proteção de uma delas é necessário adicionar blocos em série em todas as colunas.

Ao executar estudos de sobretensões transitórias é necessário conhecer o correto número de colunas de um pára-raios, de forma que a energia obtida na simulação seja representativa da energia que seria absorvida pelo pára-raios de ZnO na instalação real. A característica não-linear do pára-raios de ZnO e do sistema elétrico interagem de tal maneira que é necessário ter uma correta correspondência entre o número de colunas e a energia absorvida pelo mesmo.

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BIBLIOGRAFIA

1. Alternative Transients Program Rule Book, K. U. Leuven EMTP Center2. M.P. Pereira, M. Drummond, de "Modelagem de Pára-raios de ZnO para

Estudos de SobretensõesTransitórias", VIII SNPTEE, São Paulo, 1986.3. M.P. Pereira, M. Drummond, da "Capacidade de Absorção de Energia e

Repartição de Corrente emPára-raios de ZnO", X SNPTEE, Curitiba, 1989.

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