O que são DPS Centelhadores e por que são tão necessários?

A especificação de dispositivos de proteção contra surtos (DPS) é uma das etapas de um projeto de PDA e, se você não está familiarizado com o tema, recomendo ler o texto: O que devemos analisar ao especificar e comparar DPS de energia?. Um fator muito importante abordado nesse artigo, e que é esquecido pela maioria dos profissionais, é a tecnologia construtiva do DPS em si, que está diretamente relacionada à sua vida útil e desempenho na condução de surtos elétricos.

De todas as tecnologias construtivas existentes, 3 se destacam: centelhadores, varistores e diodos. Essas podem ser aplicadas separadamente ou em conjunto em um só dispositivo, para suprimir falhas e até melhorar o seu desempenho em determinadas situações, como visto no texto: Por que DPS somente varistores são coisa do passado?. Neste artigo, serão apresentadas de forma detalhada as principais características dos centelhadores e os motivos de serem tão importantes para a proteção confiável das instalações elétricas e das pessoas.

Em essência, o centelhador (também conhecido por spark-gap) é um dispositivo constituído por no mínimo dois eletrodos separados entre si por um meio dielétrico, podendo ser o próprio ar, um gás, materiais plásticos e, etc. Dessa forma, o material utilizado como isolante e a distância entre os eletrodos definirão qual será a tensão máxima que o centelhador irá suportar sem conduzir.

O centelhador é uma chave aberta, inerte ao circuito elétrico, que requer uma elevação de tensão (tensão de ruptura) entre seus terminais o suficiente para romper a rigidez dielétrica do meio isolante e iniciar sua tarefa de descarregar um surtos elétricos. Sempre que a tensão de ruptura é atingida tem-se uma centelha entre os eletrodos, criando um canal ionizado de baixa impedância por onde o arco elétrico (proporcionado pelo surto) será conduzido. Essa etapa é muito semelhante a uma chave fechada, já que sua impedância é próxima a 0 (como se fosse um fio aterrando o condutor vivo diretamente).

Este comportamento do centelhador o categoriza como um comutador de tensão.

Uma desvantagem notória desta característica é o intervalo de tempo necessário para a atuação do protetor, uma vez que, enquanto a centelha não ocorrer, o dispositivo permanecerá invisível ao circuito, possibilitando que a tensão em seus terminais aumente continuamente até seu surgimento, o que pode degradar equipamentos mais sensíveis às variações de tensão. Os fabricantes de DPS descrevem em suas fichas técnicas qual é a máxima tensão residual que os seus produtos podem atingir (Up) antes do gatilho, bastando ao projetista dimensionar um modelo de protetor que se adeque a suportabilidade do equipamento a ser protegido. Um detalhe interessante é que, em comparação com outras formas construtivas, o Up máximo de um centelhador sempre ocorre antes do início de sua condução!

Além disso, os centelhadores podem gerar problemas em decorrência de correntes de segmento, situação em que a corrente nominal do circuito elétrico aproveita o caminho de baixa impedância criado após a condução do surto, provocando um curto circuito na instalação e, consequentemente, ocasionando o desarme das proteções a montante. Para evitar este transtorno, é necessário verificar se o parâmetro Ifi do centelhador é superior à corrente de curto circuito máxima esperada para seu local de instalação. Por isso, é importante adquirir produtos de fabricantes que conseguem garantir uma atuação sem desarmes para correntes de curto acima de 25 kArms. A Figura 2 demonstra como essa informação aparece nas fichas técnicas.

A principal vantagem de um centelhador é que, por ser um componente mecânico que utiliza da sua geometria interna para extinguir os arcos elétricos, pode descarregar centenas de surtos sem se danificar. Em comparação com varistores, por exemplo, que possuem componentes químicos que se degradam de acordo com a quantidade de surtos conduzidos, a eficiência e garantia da proteção de um centelhador é muito superior, especialmente para instalações onde a criticidade da proteção é máxima, como hospitais e indústrias.

Apesar de não se degradar em condições normais de operação, centelhadores podem ser danificados por: correntes maiores que sua capacidade (Iimp ou In), sobretensões temporárias maiores ou que durem por mais tempo do que sua suportabilidade (veja este conceito no artigo: O que é TOV e por que este parâmetro é tão importante em um DPS? – Termotécnica Para-raios (tel.com.br)) e corrosão dos seus componentes.  As duas primeiras são evitáveis com o dimensionamento correto do DPS. Já a terceira, apesar de inevitável, irá demorar muito para acontecer, visto que os componentes internos dos modelos mais atuais de centelhadores são em sua maioria metais não oxidáveis e o desgaste causado ao conduzir a corrente do raio em si é praticamente desprezível.

Essa característica mecânica garante maior durabilidade e a confiabilidade de que o DPS irá proteger o interior da edificação continuamente, principalmente ao desviar os surtos na onda 10/350 μs (corrente da descarga atmosférica), que são fenômenos de altíssima energia e poder destrutivo. Em comparação, varistores com classe I não são capazes de garantir esta proteção contínua, visto que possuem uma vida útil imprecisa, determinada pela intensidade e quantidade de surtos descarregados. Se a equipe de manutenção não for ágil quando o varistor estragar, o que pode acontecer em anos ou meses, a instalação elétrica ficará totalmente desprotegida contra a corrente do raio, estando suscetível a diversos perigos, como a explosão dos condutores, incêndios nos quadros elétricos e queima de equipamentos, além de trazer riscos à vida das pessoas que estiverem nas proximidades.

Outro fator importante ao analisar tecnologia de construção de um DPS é a energia que irá incidir sobre os equipamentos durante a condução do surto. Enquanto o centelhador permite a passagem de um valor ínfimo de corrente por um período extremamente curto (Ver figura 3), o varistor, por sua característica de limitador de tensão, a mantém com um valor significativamente maior e por mais tempo, o que pode degradar os equipamentos em médio/longo prazo (Ver figura 4). Essa situação é especialmente crítica ao utilizar um varistor para descarregar surtos conduzidos, pois a energia da forma de onda 10/350 μs é tão grande que o DPS pode não ser capaz de garantir que os dispositivos a serem protegidos não sejam inutilizados pela energia residual gerada. Essa relação de energia pelo tempo pode ser vista nos gráficos a seguir.

Com o avanço tecnológico no desenvolvimento dos DPS, se tornou possível as soluções combinadas de centelhadores (tipo I+II ou I+II+III). Ou seja, esses dispositivos também poderão ser aplicados aos quadros internos, de modo a otimizar e prolongar a proteção da instalação e seus componentes.

Portanto, embora sejam bons protetores, os varistores são considerados inadequados para a proteção contra surtos conduzidos. Dessa forma, é necessário adotar a tecnologia que será mais eficiente e segura ao conduzir a corrente da descarga atmosférica, como são os centelhadores alemães da DEHN que possuem um desempenho muito superior em desviar correntes do raio (onda 10/350µs), surtos induzidos (8/20µs) e proteção dos equipamentos finais.

*Ricardo Rocha
Técnico de Suporte DEHN da Termotécnica Para raios.