Proteção de radares de nível contra sobretensões: SPD e ensaios de terra

Um radar de nível num tanque exterior ou silo alto é um dos aparelhos mais expostos durante uma trovoada. Os danos raramente resultam do impacto direto: a sobretensão percorre os cabos de alimentação e sinal e chega ao transmissor antes de qualquer dispositivo de corte atuar. A proteção eficaz exige coordenação entre dois estágios de dispositivos de proteção contra sobretensões, ou SPD, e um percurso de terra de baixa impedância verificado, não apenas um componente fixado ao instrumento.

O que uma sobretensão faz ao transmissor de nível

Um raio próximo injeta um impulso rápido e de corrente elevada, tipicamente modelado por uma onda 8/20 µs, na alimentação, malha de sinal ou terra em redor da estrutura. O impulso procura o percurso de menor impedância e atravessa a entrada do transmissor se esta oferecer um caminho mais fácil do que o protetor. Pode destruir a alimentação, queimar o circuito de comunicação ou danificar a entrada analógica, com custo muito superior ao protetor porque o tanque fica sem monitorização. Caixa e antena não precisam de ser atingidas: uma sobretensão induzida em 50 m de cabo basta. A proteção deve atuar nos cabos; tanto a alimentação de 24 V DC como o sinal 4–20 mA ou RS485 precisam de dispositivos próprios dimensionados para a energia possível.

Coordenação SPD em dois estágios

Um único protetor no instrumento raramente basta, pois um dispositivo de proteção de aparelho não consegue absorver toda a energia de uma sobretensão importante e sobreviver. A configuração habitual coloca um estágio de alta capacidade na entrada do cabo no quadro e um estágio fino de menor tensão de limitação junto do transmissor. Devem ser coordenados para o primeiro desviar a maior parte da corrente e deixar uma carga suportável ao segundo. A tabela apresenta valores nominais típicos de referência; confirme a ficha do dispositivo real antes da compra.

O sinal exige o seu próprio par coordenado, pois uma sobretensão na malha 4–20 mA contorna um protetor apenas de alimentação e continua a destruir o transmissor. Os dois estágios devem partilhar a mesma referência de terra; caso contrário, o fino limita em relação a um ponto flutuante e nada protege.

Um protetor de sinal também acrescenta resistência em série à malha 4–20 mA. A 20 mA, uma fonte de 24 V corresponde a 1200 Ω totais; precisando o transmissor de 12 V nos terminais, restam cerca de 350 Ω além da resistência de medição de 250 Ω. Dois protetores de 10 Ω ainda cabem. Uma malha perto do limite, ou alimentada a 12 V, deve contabilizar essa resistência antes da seleção, não após a primeira leitura baixa.

Exemplo de tensão residual

Numa estimativa resistiva ilustrativa da elevação do potencial de terra, 1.5 kA numa resistência assumida de 4 Ω dão 6.0 kV face a uma referência remota. Somar uma limitação assumida de 0.6 kV dá um possível esforço de 6.6 kV apenas para uma porta e topologia de retorno/referência especificadas; não é automaticamente a tensão entre todos os terminais de entrada protegidos. A expressão R < (1.5 − 0.6) kV / 1.5 kA = 0.6 Ω é um limite para esse circuito simplificado assumido, não um requisito universal de aceitação da terra. Verifique modos reais de sobretensão, impedâncias das ligações, indutância dos condutores, coordenação SPD e suportabilidade das portas do equipamento.

O condutor de ligação acrescenta tensão não incluída na limitação da ficha técnica. Um impulso 8/20 µs de 1.5 kA sobe a cerca de 190 A/µs; 1 m de condutor representa cerca de 1 µH. A queda indutiva é V = L · di/dt ≈ 1 µH × 190 A/µs = 190 V; a 5 m, acrescenta cerca de 0.95 kV, mais do que a limitação do segundo estágio. Entradas (taxa de subida e comprimento) → conversão (L · di/dt) → resultado (190 V por metro). Limite: pressupõe percurso reto sem retorno partilhado; uma ligação curta à barra equipotencial vale mais do que menor tensão de limitação no papel.

Resistência de terra e limite inferior de proteção

Um SPD limita a tensão face aos terminais de referência especificados. A proteção depende das ligações equipotenciais, encaminhamento dos condutores, distribuição da corrente e portas protegidas. Medir a resistência do elétrodo a baixa frequência é evidência útil, mas não descreve por si só a impedância a sobretensões de alta frequência nem comprova a proteção. Use o projeto aprovado de terra e proteção contra raios e verifique comprimentos, continuidade, condição dos elétrodos e coordenação SPD; 4 Ω e 1 Ω não são critérios universais para todas as instalações.

Quando a proteção não salva o instrumento

Um SPD fino de instrumentação, sozinho, não constitui um sistema completo contra raios diretos. Onde a corrente de raio possa entrar, avalie a proteção externa, equipotencialidade e dispositivos coordenados aptos a essa corrente, incluindo proteção Tipo 1 quando exigida pelo projeto. Nenhuma configuração garante incondicionalmente a sobrevivência a todos os impactos. A proteção também falha se o sinal ficar desprotegido, se o condutor de terra estiver ausente ou interrompido ou se um protetor já tiver chegado silenciosamente ao fim de vida após vários eventos. Um cabo longo sem blindagem funciona como antena e conduz tensão induzida aos terminais. Um protetor ligado por terra longa e fina pouco melhora face à ausência de proteção, porque indutância e resistência dominam a limitação. Em regiões com mais de alguns dias de trovoada por ano, a estrutura também deve estar numa zona de proteção corretamente projetada, ficando o instrumento como último estágio fino, não o único.

Lista e registos de verificação após trovoadas

Após a época de trovoadas, comprove que a proteção continua operacional. A lista seguinte transforma a verificação num ensaio registado; guarde a ficha com o processo de colocação em serviço para o próximo técnico saber o que foi verificado e quando.

Qualquer item reprovado exige substituição programada antes da próxima época, pois um protetor que chegou silenciosamente ao fim de vida não avisa com bom tempo e falha precisamente quando é necessário.

Perguntas frequentes

P1. Porque preciso de dois protetores e não de um?

Um único aparelho junto do transmissor não absorve uma sobretensão importante, sobrevive e ainda limita a uma tensão baixa. O estágio grosseiro na entrada desvia a maior parte da corrente e o fino limita o restante. Sem coordenação, o fino recebe toda a energia e falha, deixando o transmissor exposto ao evento seguinte.

P2. Quão baixa deve ser a resistência de terra?

Use os critérios do projeto aprovado do local. O exemplo simplificado de 4 Ω ilustra a elevação do potencial face a uma referência remota, não uma tensão universal nos terminais nem um limite de aprovação. Verifique os elétrodos em conjunto com continuidade, encaminhamento, modos de sobretensão e características coordenadas dos SPD.

P3. Proteger a alimentação também protege o sinal?

Não. Uma sobretensão em 4–20 mA ou RS485 contorna um protetor só de alimentação e continua a destruir o transmissor. O sinal precisa da sua proteção coordenada com a mesma referência de terra; caso contrário, o estágio fino limita face a um ponto flutuante e nada protege durante o evento.

P4. Como saber se um protetor falhou?

A maioria tem indicador de estado ou alteração mensurável da resistência de passagem. Uma unidade disparada ou degradada deve ser substituída. Como não avisa com bom tempo, verifique-a num calendário fixo após cada época de trovoadas, não apenas quando o instrumento falhar.

P5. É possível sobreviver a um raio direto?

Um SPD fino sozinho não trata a corrente de raio direto. Estruturas expostas precisam de proteção externa e equipotencialidade avaliadas, com SPD coordenados e aptos à corrente de raio onde o projeto os exigir. Reduzem o risco dentro dos limites declarados, sem garantir sobrevivência a todos os impactos.

P6. Porque usar uma ligação de terra curta e grossa?

Indutância e resistência dominam durante o impulso rápido; uma terra longa e fina pode anular um bom protetor. Mantenha o condutor equipotencial curto e de secção generosa, ligado à barra de terra na entrada, para o estágio 2 referenciar uma terra estável de baixa impedância.

RESUMO

A proteção radar exige alimentação e sinal coordenados, equipotencialidade e uma ligação de terra verificada pelo projeto do local. O cálculo simplificado I × R ilustra uma possível elevação de potencial; não estabelece um objetivo universal de aceitação de 1 Ω nem a tensão em todas as portas. Forneça percursos, tipos de sinal e requisitos para avaliar modos reais de sobretensão, valores nominais SPD e critérios de ensaio.