Impulsos 8/20 µs e 4/10 µs, corrente de longa duração e tensão residual conforme IEC 60099-4 e ABNT NBR 16050 — HVEX | Itajubá, MG

Resumo executivo

O para-raios de óxido de zinco (ZnO) é a última linha de defesa do sistema elétrico contra sobretensões atmosféricas e de manobra. Sua função — conduzir dezenas de quiloampères durante microssegundos e retornar imediatamente ao estado de bloqueio — só pode ser verificada em laboratório, com correntes impulsivas de forma e amplitude rigorosamente controladas. O mesmo vale para varistores individuais, dispositivos de proteção contra surtos (DPS), centelhadores e disparadores, cuja atuação depende de solicitações transitórias que nenhuma fonte convencional é capaz de reproduzir.

Este white paper apresenta os fundamentos das formas de onda de corrente impulsiva — 8/20 µs, 4/10 µs e corrente de longa duração —, os ensaios de qualificação previstos na IEC 60099-4 e na ABNT NBR 16050, com destaque para tensão residual e capacidade de absorção de energia, e a arquitetura RLC dos geradores de impulso de corrente. Ao final, descreve o Gerador de Impulso de Corrente HVEX, capaz de correntes de descarga de 1 kA a 350 kA e tensões residuais de 0,5 kV a 250 kV, com aquisição de 12 bits a 2,5 GS/s e operação remota pelo software HVEX LIAS.

1. O papel crítico dos para-raios e o custo do desempenho não verificado

A coordenação de isolamento de subestações e redes de distribuição é construída em torno de um número: a tensão residual do para-raios. É ela que define a margem de proteção dos transformadores, cabos e demais equipamentos a jusante. Um lote de para-raios com tensão residual acima do declarado corrói silenciosamente essa margem; um para-raios com capacidade de energia insuficiente falha exatamente no momento em que é mais exigido, com risco de ruptura violenta do invólucro. A IEC 62305-1 estima os parâmetros da corrente de descarga atmosférica direta — que pode superar 100 kA na primeira descarga de retorno — e é dessa estatística que derivam as solicitações de ensaio [4].

Nos varistores de ZnO, a condução é um fenômeno de fronteira de grão: a característica tensão-corrente extremamente não linear permite que o bloco passe de microampères para quiloampères com variação de tensão inferior a uma década. Essa não linearidade, porém, degrada-se com absorções de energia sucessivas, envelhecimento térmico e umidade. Por isso as normas exigem verificação experimental do comportamento impulsivo em múltiplas frentes: tensão residual em diferentes formas de onda e amplitudes, suportabilidade a impulsos de grande amplitude, descargas de longa duração e ciclos de operação com energia nominal [1][2][6].

2. As formas de onda normalizadas de corrente impulsiva

A forma de onda de referência para ensaios de descarga atmosférica em para-raios é o impulso de corrente 8/20 µs, ilustrado na Figura 1: tempo de frente virtual de 8 µs (definido como 1,25 vezes o intervalo entre 10 % e 90 % do valor de crista) e tempo até o meio valor de 20 µs, com tolerâncias de ±10 % conforme IEC 60060-1 e IEC 60099-4 [1][3]. É com essa forma de onda que se define a corrente nominal de descarga In do para-raios — tipicamente 5 kA ou 10 kA em distribuição e 10 kA ou 20 kA em transmissão — e que se mede a tensão residual de referência [1][2].

Figura 1 – Impulso de corrente normalizado 8/20 µs, com definição do tempo de frente (T1) e do tempo até o meio valor (T2). Elaboração: HVEX, com base em [1][3].

Duas outras formas de onda completam o repertório de qualificação. O impulso de grande amplitude 4/10 µs, com cristas de 65 kA a 100 kA, verifica a suportabilidade do bloco de ZnO à descarga direta severa: mais íngreme e concentrado, solicita o varistor com densidade de corrente extrema em poucos microssegundos [1][2]. Já a corrente de longa duração — um impulso aproximadamente retangular com duração virtual da ordem de 2 ms (2.000 µs) — reproduz a descarga da energia armazenada em linhas de transmissão longas sobre o para-raios, sendo a base do ensaio de descarga de linha de transmissão e da classificação de energia dos para-raios de estação [1][2][6]. Enquanto o impulso 8/20 µs testa a resposta rápida, a onda longa testa a capacidade termomecânica de absorver energia: são solicitações fisicamente distintas e igualmente indispensáveis.

3. Ensaios de qualificação segundo IEC 60099-4 e ABNT NBR 16050

A IEC 60099-4 — e, no âmbito brasileiro, a família ABNT NBR 16050, aplicável aos para-raios de resistor não linear de óxido metálico sem centelhadores para circuitos de potência — estrutura a qualificação em ensaios de tipo, de rotina e de aceitação [1][2]. Os pilares são:

•       Ensaio de tensão residual: registro simultâneo da corrente aplicada e da tensão sobre o para-raios para impulsos íngremes, atmosféricos (8/20 µs, em frações e múltiplos de In) e de manobra, construindo a curva de proteção completa do equipamento;

•       Ensaio de suportabilidade a impulso de corrente de grande amplitude (4/10 µs), que verifica a integridade física dos blocos após descargas extremas;

•       Ensaio de descarga de longa duração (linha de transmissão), com correntes retangulares da ordem de milissegundos, que qualifica a classe de descarga de linha ou, nas edições recentes da norma, as energias Qrs e Wth;

•       Ensaio de ciclo de operação: sequência de descargas com o para-raios energizado à tensão de operação contínua, seguida de verificação de estabilidade térmica — o teste definitivo contra a avalanche térmica;

•       Verificações complementares: corrente de referência, tensão de referência, descargas parciais internas e estanqueidade.

Para disparadores e centelhadores — de equipamentos de manobra a dispositivos de proteção —, o gerador de impulso de corrente cumpre papel análogo: qualifica a capacidade de condução e a erosão de contatos sob correntes de surto controladas, e permite levantar características de atuação com formas de onda normalizadas. Nos DPS de baixa tensão, a IEC 61643-11 utiliza as mesmas ondas 8/20 µs e, para descargas diretas, 10/350 µs [5].

4. Anatomia do gerador: o circuito RLC e a medição

A geração do impulso de corrente segue o princípio da descarga capacitiva, mostrado na Figura 2: um banco de capacitores C, carregado por fonte de corrente contínua a uma tensão ajustável, é descarregado sobre o objeto de ensaio através de um centelhador de disparo e de uma malha série formada pela indutância L e pela resistência R do circuito. A escolha de C, L e R define a forma de onda: a frente é governada pela relação L/R e o valor de crista, pela tensão de carregamento e pela impedância total. Para a onda 8/20 µs, o circuito opera próximo do amortecimento crítico, com pequena passagem por zero admitida pelas normas; para a onda retangular de longa duração, o banco é associado a reatores formando uma rede formadora de pulso (linha de transmissão artificial) [1][3][9].

Figura 2 – Circuito RLC esquemático do gerador de impulso de corrente, com para-raios de ZnO sob ensaio, shunt coaxial para medição de corrente e divisor de tensão para registro da tensão residual. Elaboração: HVEX, com base em [1][3][9].

A medição é tão crítica quanto a geração. A corrente é registrada por shunt coaxial de baixa indutância ou bobina de Rogowski; a tensão residual, por divisor compacto instalado o mais próximo possível dos terminais do objeto, minimizando a parcela indutiva L·di/dt que contamina a leitura durante a frente da onda. O registro simultâneo de u(t) e i(t) permite calcular a tensão residual na crista da corrente e a energia absorvida W = ∫u·i dt em cada descarga. Sistemas modernos digitalizam os dois canais com resolução de 12 bits e taxas de gigaamostras por segundo, com transdutores de banda superior a 10 MHz — requisito para capturar fielmente frentes de poucos microssegundos [1][8].

5. O Gerador de Impulso de Corrente HVEX

O Gerador de Impulso de Corrente HVEX é a solução nacional para ensaios impulsivos de corrente em para-raios, varistores, DPS, centelhadores e disparadores, projetada sob medida para cada aplicação — de bancadas de rotina de fabricantes a laboratórios de certificação e centros de pesquisa. O sistema gera correntes de descarga de 1 kA a 350 kA e tensões residuais de 0,5 kV a 250 kV, cobrindo as formas de onda 8/20 µs, 4/10 µs, 10/350 µs e 10/700 µs, além de ondas retangulares de longa duração para ensaios de descarga de linha [8]. O design compacto do tipo anel e os reatores configuráveis viabilizam a personalização das formas de onda; a operação é totalmente remota, com sequência de disparo, aterramento automático e registro centralizados na estação de trabalho com o software HVEX LIAS [8].

O HVEX LIAS analisa automaticamente tempos de frente e de meia onda, valor máximo, coeficiente de oscilação, tensão residual e corrente máxima, armazenando o histórico completo de ensaios em banco de dados e gerando relatórios técnicos customizados em .pdf e .doc [8]. Sistemas da linha já foram fornecidos com estágios de 50 kV e capacitores de 2 µF (5 kJ por unidade), atingindo correntes de crista de até 300 kA, com diagramas de conexão dedicados para os ensaios 8×20 µs e 1,2×50 µs no mesmo conjunto [9].

5.1 Aplicações típicas

•       Ensaios de tensão residual e de suportabilidade em para-raios de ZnO de distribuição e de estação (IEC 60099-4 / ABNT NBR 16050);

•       Qualificação de varistores individuais e controle de qualidade de lotes em fabricantes;

•       Avaliação de DPS de baixa tensão com ondas 8/20 µs e 10/350 µs (IEC 61643-11);

•       Ensaios de centelhadores e disparadores, com simulação de descargas atmosféricas diretas e indiretas;

•       Ensaios normativos para homologação e certificação, e pesquisa em transformadores, cabos, isoladores e equipamentos de subestação.

6. Benefícios operacionais mensuráveis

Para o fabricante, um gerador de impulso de corrente dimensionado corretamente significa rotina de tensão residual integrada à linha de produção, com rastreabilidade unitária e detecção imediata de desvios de processo. Para laboratórios e concessionárias, significa capacidade de verificar, em amostras reais, o desempenho declarado nos catálogos — fechando o elo entre a especificação de coordenação de isolamento e o equipamento efetivamente instalado. A operação remota com disparo e aterramento automáticos elimina a exposição do operador ao circuito de alta energia; a aquisição de alta resolução reduz a incerteza da tensão residual, parâmetro que define margens de proteção; e o histórico digital do HVEX LIAS transforma cada descarga em registro auditável para certificação e para engenharia de confiabilidade [8].

7. Conclusão

A confiabilidade de um sistema elétrico frente a descargas atmosféricas se decide em microssegundos — e é qualificada em laboratório, com impulsos de corrente 8/20 µs, 4/10 µs e descargas de longa duração aplicados conforme IEC 60099-4 e ABNT NBR 16050. Dominar essas formas de onda, a arquitetura RLC que as gera e a medição precisa de tensão residual e energia é requisito para fabricar, certificar e especificar para-raios, varistores e dispositivos de proteção à altura das solicitações reais do sistema.

O Gerador de Impulso de Corrente HVEX coloca essa capacidade ao alcance da indústria brasileira, com projeto personalizado, correntes de até 350 kA, aquisição de alta resolução e automação completa de ensaio. Para conhecer as especificações e discutir a configuração ideal para a sua aplicação, acesse a página do produto e o datasheet em hvex.com.br, ou agende uma reunião com a equipe técnica da HVEX.

Fotos reais

Referências

[1] IEC 60099-4, Surge arresters – Part 4: Metal-oxide surge arresters without gaps for a.c. systems. IEC, Genebra.

[2] ABNT NBR 16050, Para-raios de resistor não linear de óxido metálico sem centelhadores, para circuitos de potência de corrente alternada. ABNT, Rio de Janeiro.

[3] IEC 60060-1, High-voltage test techniques – Part 1: General definitions and test requirements. IEC, Genebra.

[4] IEC 62305-1, Protection against lightning – Part 1: General principles. IEC, Genebra.

[5] IEC 61643-11, Low-voltage surge protective devices – Part 11: Surge protective devices connected to low-voltage power systems – Requirements and test methods. IEC, Genebra.

[6] SIEMENS. Metal-Oxide Surge Arresters in High-Voltage Power Systems – Fundamentals. https://support.industry.siemens.com/cs/attachments/109747132/Metal-Oxide_Surge_Arresters_in_High-Voltage_Systems_-_Fundamentals.pdf

[7] HUBBELL. Metal-oxide Surge Arresters for use on AC systems – Application Guide (TD01135E). https://hubbellcdn.com/literature/TD01135E_Metal-oxide_surge_arresters_Application_Guide.pdf

[8] HVEX. Gerador de Impulso de Corrente – página do produto e datasheet técnico. https://hvex.com.br/solutions/laboratorios-de-ensaio/gerador-de-impulso-de-corrente

[9] HVEX. Manual de Operação – Gerador de Impulso de Corrente e Tensão (documentação técnica de fornecimento, rev. 2020). HVEX, Itajubá, MG.