Proteção contra surtos de tensão em linhas de sinal

Aspectos Fundamentais

Surtos elétricos causados por descargas atmosféricas diretas ou indiretas propagam-se através dos cabos metálicos que adentram as edificações, seja para a condução de energia elétrica ou sinais. Portanto, tanto as linhas de energia quanto as linhas de sinal devem ser contempladas durante a elaboração de um projeto de Medidas de Proteção contra Surtos (MPS),hoje abordaremos o tema: “Proteção contra surtos de tensão em linhas de sinal.”

Critérios para Seleção de DPS em Linhas de Sinal

Existem Dispositivos de Proteção contra Surtos (DPS) específicos para a proteção de linhas de sinal e sua principal função é proteger os equipamentos que estão conectados à jusante. Eles também reduzem o risco de danos nos cabos. A seleção dos DPS depende, entre outros fatores, dos seguintes critérios:

Zona de proteção contra raios (ZPR) do local de instalação;
Energia que será descarregada;
Arranjo dos dispositivos de proteção;
Imunidade dos equipamentos a serem protegidos;
Proteção em modo diferencial e/ou em modo comum;
Requisitos do sistema a ser protegido, por exemplo: parâmetros da transmissão;
Adequação com o produto ou com normas específicas;
Adequação com as condições do ambiente de instalação.

Seleção de DPS de Acordo com o Tipo de Sinal Transmitido

Diferentemente do processo de seleção de DPS para linhas de energia, que pode contar com condições uniformes de tensão e frequência, os tipos de sinais transmitidos pelos sistemas de automação, medição e controle variam de acordo com:

Tensão (ex: 0 – 10 V)
Corrente (ex: 0 – 20 mA, 4 – 20 mA)
Tipo de transmissão do sinal (balanceada, desbalanceada)
Frequência (DC, LF, HF)
Tipo do sinal (analógico, digital)

Cada um destes parâmetros elétricos para o sinal que está sendo transmitido pode conter informações importantes. Portanto, o sinal não deve ser modificado pelas correntes do raio ou pela presença dos DPS. Nesse contexto, vários pontos devem ser levados em consideração durante a seleção de um dispositivo de proteção para linhas de sinal, medição e controle.

Nível de proteção (Up)

O nível de proteção é o parâmetro que determina a performance do dispositivo de proteção contra surtos, que limita a tensão percebida através de seus terminais. O nível de proteção declarado de um DPS é ligeiramente maior que o máximo valor medido nos terminais do DPS quando exposto ao impulso de corrente e / ou tensões impulsivas de uma certa forma de onda e amplitude.

Coordenação entre DPS de sinal

Da mesma forma que nas linhas de energia, a proteção contra surtos de tensão em linhas de sinal, também devem ser coordenados ao longo da instalação. A coordenação entre dispositivos é uma tarefa complexa, geralmente disponibilizada pelo fabricante. Os DPS devem ser posicionados em cascata, sempre que necessário. Na transição da ZPR 0 para a ZPR 1 devem ser utilizados DPS tipo 1 capazes de conduzir a corrente do raio (10/350μs) e nas transições seguintes devem ser utilizados DPS tipo 2, tipo 3 e/ou tipo 4 capazes de conduzir a corrente induzida (8/20μs). A Figura 1 ilustra os DPS posicionados em cascata, eles podem ser considerados coordenados se os valores residuais I_P (no caso de saídas curto-circuitadas) e U_P (no caso de saídas em circuito aberto) forem menores que os valores estabelecidos de I_IN e U_IN para o próximo DPS ou equipamento a ser protegido.

O DPS tipo 1 normalmente leva um tempo maior para atuar, portanto os DPS subsequentes irão conduzir uma pequena parcela da corrente do raio. A coordenação entre os dispositivos é importante para que o DPS tipo 1 inicie sua operação antes que haja danos nos demais DPS, conduzindo a maior parte da energia descarregada.

Critérios de Seleção para o DPS de Sinal

O projetista deve buscar responder algumas questões durante a elaboração do projeto de MPS da proteção contra surtos de tensão em linhas de sinal. Essas respostas guiarão a especificação dos DPS mais adequados para o projeto.

Qual é a capacidade de descarga requerida?

A capacidade de descarga requerida depende da função de proteção que é esperada para o DPS. Se o dispositivo de proteção necessitar conduzir as correntes do raio, em função do posicionamento dos equipamentos a serem protegidos ou dos cabos, deve-se utilizar a proteção do tipo 1. Se o dispositivo de proteção necessitar conduzir as correntes induzidas, deve-se utilizar a proteção do tipo 2. Em alguns casos pode-se optar pela proteção combinada tipo 1 + tipo 2.

Quais fenômenos de interferência precisam ser evitados?

As interferências podem ser classificadas basicamente entre modo comum, que acontece entre a linha de sinal e o terra, e modo diferencial, que acontece entre duas linhas de sinal. A maioria das interferências em linhas de sinal é de modo comum, para evitá-las deve-se selecionar dispositivos com limitação fina de sobretensão entre o condutor de sinal e o terra.

Existem requisitos especiais para adaptar o circuito de proteção ao circuito de entrada do dispositivo a ser protegido?

Em alguns casos, a entrada de sinal no equipamento a ser protegido passa por desacopladores, de modo a evitar interferências de modo comum e diferencial. Nestes casos, deve-se buscar também formas de desacoplar o dispositivo de proteção.

Qual é a frequência do sinal / taxa de transmissão de dados que precisa ser transmitida?

Os DPS de sinal comportam-se como filtros passa-baixa e apresentam um valor de frequência de corte. Essa frequência é o ponto a partir do qual o dispositivo pode causar uma perda por inserção (aE) de 3 dB em condições específicas de teste, conforme representado pela Figura 2. Ao escolher o dispositivo, é crucial considerar as características de frequência do sinal para evitar problemas relacionados à atenuação.

Quão alta é a corrente de operação do sistema a ser protegido?

A corrente de operação do circuito de sinal a ser protegido deve sempre ser inferior à corrente nominal do DPS para que não haja danos nos componentes internos do dispositivo de proteção.

Qual é a máxima tensão de operação que pode ocorrer no sistema a ser protegido?

A tensão de operação do circuito de sinal a ser protegido deve sempre ser inferior à tensão nominal do DPS para que não haja danos nos componentes internos do dispositivo de proteção.

Qual é a referência da máxima tensão de operação?

Deve-se observar se as tensões nominais dos dispositivos de proteção e as tensões máximas dos equipamentos a serem protegidos estão na mesma base: linha/linha ou linha/terra.

As impedâncias de desacoplamento dos dispositivos fazem algum efeito na transmissão do sinal?

As impedâncias de desacoplamento são integradas para coordenar os elementos de proteção no DPS. Elas estão localizadas diretamente no circuito de sinal e, portanto, podem ter um efeito sobre ele. Especialmente em caso de loops de corrente (0 – 20 mA, 4 – 20 mA),deve-se levar em consideração que a carga máxima no circuito de sinal pode ser excedida assim que o DPS entrar em operação, se o circuito de sinal já estiver operando em sua carga máxima.

Qual efeito protetivo é esperado?

Seria intuitivo dizer que o DPS deveria ter um efeito protetivo no qual o equipamento fosse protegido de um surto sem que houvesse destruição. No entanto, estes limites normalmente não são conhecidos e não fazem parte da documentação fornecida pelos fabricantes dos equipamentos de sinal. Portanto, normalmente utiliza-se outro critério.

Os dispositivos eletroeletrônicos são testados segundo critérios de compatibilidade eletromagnética e devem ser imunes a interferências conduzidas em forma de pulso. Essa imunidade é classificada dentre 4 níveis. Para o efeito protetor de um DPS, isso significa que a “energia transmitida” relacionada ao nível de proteção de tensão deve ser tão baixa que fique abaixo do nível de imunidade especificado do equipamento a ser protegido.

Classificação de DPS para Linhas de Sinal

Conforme os níveis e critérios de compatibilidade eletromagnética estabelecidos pela norma IEC 61643-21, os DPS para linhas de sinal podem ser classificados como:

Tipo 1, quando suportam a um impulso de corrente (10/350 μs) ≥ 2,5 kA por polo ou ≥ 5 kA total. Estes dispositivos superam a capacidade de descarga dos dispositivos Tipo 2 ao Tipo 4;
Tipo 2, quando suportam a um impulso de corrente (8/20 μs) ≥ 2,5 kA por polo ou ≥ 5 kA total. Estes dispositivos superam a capacidade de descarga dos dispositivos Tipo 3 ao Tipo 4;
Tipo 3, quando suportam a um impulso de corrente (8/20 μs) ≥ 0,25 kA por polo ou ≥ 0,5 kA total. Estes dispositivos superam a capacidade de descarga dos dispositivos Tipo 4;
Tipo 4, quando suportarem um impulso menor que aqueles suportados pelos dispositivos Tipo 3.

Deve-se usar uma proteção com 1 ou 2 estágios?

A escolha entre a adoção de dois Dispositivos de Proteção contra Surtos (DPS) para proteção contra descargas diretas e indiretas, ou de um DPS com funções combinadas, depende da infraestrutura da edificação que abriga os equipamentos a serem protegidos, dos requisitos de proteção resultantes das transições entre Zonas de Proteção contra Raios (ZPRs) e de outros critérios anteriormente mencionados. Se for necessário proteger o dispositivo contra a corrente conduzida do raio e também contra os surtos induzidos, é recomendável instalar dois dispositivos separados a uma certa distância entre si e também a uma certa distância do dispositivo a ser protegido. Quando for necessário instalar toda a proteção em um ponto muito próximo do dispositivo, pode-se optar por soluções combinadas.

Considerações Finais

Considerando todos os aspectos mencionados neste artigo aonde falamos sobre a proteção contra surtos de tensão em linhas de sinal, o projetista poderá selecionar os dispositivos mais adequados para garantir a proteção contra surtos nos equipamentos e linhas de sinal. Muitos destes equipamentos recebem alimentação elétrica e a proteção também deve ser garantida nas linhas de energia. O Suporte Técnico da Termotécnica Para-raios está disponível para sanar dúvidas sobre a especificação desses dispositivos.

Adaptado de Lightning protection guide. 3., updated ed. ed. [s.l.] Neumarkt Dehn + Söhne 2014, por Gabriel Almeida, Analista de P&D da Termotécnica Para-raios.