📘 Dispositivo de Proteção contra Surtos (DPS Classes I, II e III)

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1. Identificação Normativa e Visão Geral

O Dispositivo de Proteção contra Surtos (DPS) (internacionalmente designado por SPD - Surge Protective Device) é o componente fundamental de segurança destinado a limitar sobretensões transitórias destrutivas de curta duração e desviar as correntes de surto associadas para a terra, protegendo instalações elétricas, equipamentos sensíveis e vidas humanas.

As sobretensões transitórias que demandam a atuação do DPS dividem-se em duas origens físicas principais:

1. Sobretensões Atmosféricas (Descargas Diretas ou Induzidas por Raios): Transitórios de altíssima energia com frentes de onda impulsivas íngremes normalizadas em $10/350\mu \text{s}$ (impacto direto no SPDA/rede aérea) ou $8/20\mu \text{s}$ (acoplamento indutivo/capacitivo).
2. Sobretensões de Manobra da Rede (Switching Surges): Geradas pela manobra de bancos de capacitores de subestações, chaveamento de grandes motores industriais, curto-circuitos expurgados e fusões de fusíveis.

Normas técnicas internacionais e nacionais mandatórias:

• ABNT NBR 5410 / ABNT NBR 5419: Requisitos de proteção e coordenação contra descargas atmosféricas e sobretensões em baixa tensão.
• IEC 61643-11 / EN 61643-11: Dispositivos de proteção contra surtos de baixa tensão - Requisitos e métodos de ensaio.
• IEC 62305-4: Proteção contra descargas atmosféricas - Sistemas elétricos e eletrônicos internos nas estruturas.
• UL 1449: Norma de segurança para protetores contra surtos (Surge Protective Devices).

graph LR
    subgraph "Simbologia IEC / NBR (DPS Unipolar com Sinalização)"
        IN["Fase / Neutro (L/N)"] --- MOV["[ Varistor ZnO ]"]
        MOV --- DISC["/ (Desligador Térmico)"]
        DISC --- PE["Barramento de Terra (PE)"]
        
        DISC -.-> FLAG["[ Janela Visual: Verde/Vermelho ]"]
        DISC -.-> AUX["[ Contato Seco Remoto FM (11-12-14) ]"]
    end

Classificação Normativa das Classes de DPS (IEC 61643-11)

Classe IEC / EN	Tipo UL 1449	Forma de Onda de Ensaio	Componentes Internos Típicos	Local Típico de Instalação	Função Primária de Proteção
Classe I (Tipo 1)	Type 1	$10/350\mu \text{s}$ ($I_{\text{imp}}$)	Centelhadores a Gás (GDT), Spark Gaps de disparo e varistores de alta densidade.	Ponto de entrada do edifício (QGBT), quando há SPDA externo ou linha aérea.	Drenar a corrente direta do raio sem autodestruição mecânica.
Classe II (Tipo 2)	Type 2	$8/20\mu \text{s}$ ($I_n$ / $I_{\text{max}}$)	Varistores de Óxido de Zinco ($\text{ZnO}$) de alta energia com desligador térmico.	Quadros de distribuição secundários (QDF) e painéis de máquinas.	Suprimir sobretensões remanescentes e surtos de chaveamento industrial.
Classe III (Tipo 3)	Type 3	Onda Combinada ($1.2/50\mu \text{s}$ + $8/20\mu \text{s}$)	Associação híbrida de microvaristores, diodos TVS e filtros de modo comum.	Junto à carga terminal sensível ($<5\text{-}10\text{m}$ do equipamento final).	Limitar a tensão residual final a valores suportáveis por semicondutores ($<1.5\text{kV}$).

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2. Aspecto Físico e Corte Estrutural

O DPS moderno padrão trilho DIN é construído em formato modular de cartucho plugável (plug-in), composto por uma base fixa montada no trilho de $35\text{mm}$ e um cartucho removível que acomoda os blocos de absorção de energia. Na lateral da base, bornes tipo mola disponibilizam contatos secos reversíveis de telemetria remota.

Elementos Construtivos do Corte Técnico

• ① Disco Cerâmico Varistor de Óxido de Zinco (ZnO): Pastilha cerâmica policristalina dopada com óxidos metálicos (${\text{Bi}}_2{\text{O}}_3,{\text{Sb}}_2{\text{O}}_3,\text{CoO}$), formando uma malha tridimensional de junções Schottky intergranulares com comportamento de resistência não linear extrema.
• ② Centelhador a Gás Nobre Encapsulado (GDT de Descarga): Tubo cerâmico vedado preenchido com gás inerte e dois eletrodos de tungstênio/cobre. Oferece resistência de isolamento praticamente infinita ($>1\text{G}\Omega$) e capacitância parasitária sub-picofarad, ideal para conexão em série com o varistor para anular correntes de fuga contínuas para a terra no condutor neutro (esquema $3+1$).
• ③ Desligador Térmico Mecânico com Solda Eutética e Mola: Dispositivo mecânico de segurança contra fogo. Uma lâmina flexível é mantida sob tração mecânica por uma mola presa por uma pastilha de liga eutética especial com baixo ponto de fusão ($138^{\circ }\text{C}$). Se o varistor entrar em envelhecimento térmico (thermal runaway), a caloria gerada funde a solda e a mola desconecta fisicamente o circuito antes do colapso explosivo.
• ④ Barreira Isolante e Câmara de Extinção Térmica: Placas de poliamida com fibra de vidro que são ejetadas mecânica e automaticamente entre os contatos no momento do desligamento térmico, evitando a manutenção de microarcos elétricos alimentados pela tensão nominal da rede.
• ⑤ Indicador Visual de Vida Útil (Janela Verde/Vermelha): Haste solidária ao desligador mecânico que desloca uma bandeira de cor na janela frontal do cartucho (Verde = Operacional; Vermelho = Defeituoso / Substituição Mandatória).
• ⑥ Microrruptor Auxiliar de Telemetria Remota (FM): Contato reversível livre de potencial (comutador 1NA/1NF, $250{\text{V}}_{\text{ca}}/0.5\text{A}$) interligado aos sistemas de supervisão predial (BMS) ou entradas digitais de CLP para alarme imediato de queima de cartucho.

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3. Princípio de Funcionamento Físico

3.1 A Física do Varistor de Óxido de Zinco ($\text{ZnO}$)

O varistor cerâmico não linear é um elemento resistivo bidirecional dependente de tensão (VDR - Voltage Dependent Resistor). Sua relação constitutiva corrente-tensão é modelada empiricamente pela equação de potência:

$I=k\cdot V^{\alpha }⟺V=C\cdot I^{\beta }$

onde $\alpha$ é o coeficiente de não linearidade (sendo tipicamente $\alpha =30\text{ a }50$ para varistores modernos de $\text{ZnO}$, contra apenas $\alpha \approx 5$ para antigos varistores de carbeto de silício $\text{SiC}$) e $\beta =1/\alpha$.

              CURVA CARACTERÍSTICA V-I DO VARISTOR ZnO
   Tensao (V)
       ^
       |                      [Região de Condução e Saturação (Clamping)]
 Up ---+--------------------+  I surge -> 10 kA a 40 kA
       |                   /
       |                  /   I = k · V^α (α ≈ 40)
       |                 /
 Uc ---+               /
       |              |
       |              |       [Região Pré-Breakdown / Standby]
       |              |       I_fuga < 20 µA a frio
       +--------------+-----------------------------------> Corrente (I)
                     1 mA

Microscopicamente, a pastilha de $\text{ZnO}$ consiste em grãos condutores de $\text{ZnO}$ (resistividade intrínseca $\rho \approx 0.1\Omega \cdot \text{cm}$) separados por finas camadas intergranulares ricas em bismuto e cobalto. Cada contorno de grão comporta-se como duas barreiras de potencial Schottky espelhadas em série (Back-to-Back), com tensão de ruptura de aproximadamente $3.2\text{-}3.5\text{V}$ por contorno:

1. Região de Repouso (Tensão Nominal da Rede): A tensão por contorno de grão permanece abaixo da barreira de potencial. Apenas uma minúscula corrente de fuga resistiva da ordem de microamperes ($I_{\text{fuga}}\le 20\mu \text{A}$) atravessa o componente, operando como isolante quase ideal.
2. Região de Grampeamento (Clamping por Efeito Túnel): Sob uma sobretensão transitória ($V>U_c$), a barreira de potencial colapsa por tunelamento quântico e avalanche nos contornos de grão. A impedância cai instantaneamente de megaohms para miliohms em menos de $25\text{nanossegundos}$, drenando milhares de amperes para a terra e mantendo a tensão residual grampeada em um valor seguro ($U_p$).

3.2 O Impacto dos Condutores de Conexão na Tensão Efetiva

A tensão real à qual o equipamento protegido é submetido não é apenas o nível de proteção de catálogo do DPS ($U_p$), mas a tensão de proteção efetiva ($U_{p,\text{efetivo}}$), que inclui a queda de tensão induzida na indutância distribuída dos cabos de interligação:

$U_{p,\text{efetivo}}=U_p+\Delta U_1+\Delta U_2=U_p+\left(L_1+L_2\right)\cdot \frac{di}{dt}$

Considerando que condutores cilíndricos convencionais apresentam uma autoindutância típica de $L\approx 1\mu \text{H}/\text{metro}$ e que uma onda de surto impulsiva padrão de $10\text{kA}$ ($8/20\mu \text{s}$) possui uma taxa de variação de corrente média na subida de:

$\frac{di}{dt}=\frac{10\text{kA}}{8\mu \text{s}}=1.25\times 10^9\text{A/s}=1.25\text{kA}/\mu \text{s}$

A queda de tensão induzida por cada metro de cabo condutor atinge:

$\Delta U=L\cdot \frac{di}{dt}=\left(10^{-6}\text{H/m}\right)\cdot \left(1.25\times 10^9\text{A/s}\right)\approx 1250\text{V/metro}\approx 1.25\text{kV/m}$

Regra dos 50 cm da IEC 60364-5-53 / NBR 5410

Se o cabo de alimentação do DPS somado ao cabo de conexão à terra totalizar apenas $1.0\text{metro}$ de comprimento, será adicionada uma sobretensão parasita de mais de $1.25\text{kV}$ sobre o equipamento. Por essa razão, o comprimento total dos condutores de ligação do DPS ($a+b$) deve ser rigorosamente inferior a $0.50\text{metros}$ ($\le 50\text{cm}$).

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4. Esquema de Aplicação Prática Típica

O diagrama abaixo ilustra a conexão e coordenação em cascata de um sistema de proteção contra surtos para um edifício com SPDA externo, alimentado em sistema trifásico a quatro fios com arranjo de DPS em Modo $3+1$ (Três Varistores Fase-Neutro e Um Centelhador Neutro-Terra) no Quadro Geral (QGBT), coordenado com um DPS Classe II no Quadro de Distribuição do Centro de Processamento de Dados (CPD).

graph TD
    subgraph "Entrada da Edificação - QGBT (Classe I + II)"
        F1["Fase L1"] --- DPS1["DPS L1-N (Varistor ZnO)"]
        F2["Fase L2"] --- DPS2["DPS L2-N (Varistor ZnO)"]
        F3["Fase L3"] --- DPS3["DPS L3-N (Varistor ZnO)"]
        
        DPS1 & DPS2 & DPS3 --- N_BUS["Barramento de Neutro (N)"]
        N_BUS --- GDT_TOTAL["DPS N-PE (Centelhador GDT Classe I)"]
        GDT_TOTAL --- PE_BAR["Barramento de Equipotencialização Principal (BEP / PE)"]
    end

    subgraph "Linha de Distribuição Interna (Coordenação de Indutância L_cabo)"
        F1 ==> CABO_L["Cabo L (Comp. > 10m / Indutância L)"]
        PE_BAR ==> CABO_PE["Cabo PE"]
    end

    subgraph "Quadro Secundário do CPD (Classe II + III)"
        CABO_L --- DPS_CPD["DPS Classe II Fino (Up = 1.0 kV)"]
        DPS_CPD --- PE_LOCAL["Barramento PE Local"]
        CABO_PE --- PE_LOCAL
        CABO_L ---> SERVER["Servidor Crítico de TI (Uw = 1.5 kV)"]
        PE_LOCAL ---> SERVER
    end

    style GDT_TOTAL fill:#0284c7,stroke:#38bdf8,stroke-width:2px,color:#ffffff
    style DPS1 fill:#b91c1c,stroke:#f87171,stroke-width:1.5px,color:#ffffff
    style DPS_CPD fill:#047857,stroke:#34d399,stroke-width:1.5px,color:#ffffff

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5. Metodologia de Dimensionamento e Projeto Numérico

O dimensionamento de um sistema de DPS envolve o cumprimento de etapas rigorosas:

1. Determinação da Classe de Ensaio: Identificação da presença de SPDA externo ou alimentação por rede aérea nua (exigência de Classe I).
2. Cálculo da Corrente de Impulso ($I_{\text{imp}}$) ou Nominal ($I_n$): Divisão proporcional da corrente total de descarga atmosférica.
3. Determinação da Tensão Máxima de Operação Contínua ($U_c$): Suporte à máxima flutuação de tensão da rede e sobretensões temporárias (TOV).
4. Verificação do Nível de Proteção Efetivo ($U_{p,\text{efetivo}}$): Garantia de margem de isolamento perante a suportabilidade de impulso dos equipamentos ($U_w$).
5. Coordenação com o Dispositivo de Desconexão / Proteção de Backup: Fusíveis de retaguarda para limitar corrente de curto-circuito em caso de falha catastrófica do varistor.

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5.1 Fórmulas e Critérios de Dimensionamento

1. Divisão da Corrente de Raio ($I_{\text{imp}}$ para Classe I)

Conforme a norma ABNT NBR 5419-3 / IEC 62305-1, quando uma estrutura provida de SPDA é atingida diretamente por um raio de corrente de pico $I_{\text{raio}}$, assume-se normativamente que $50\%$ da energia é dissipada imediatamente pela malha de aterramento do edifício e os outros $50\%$ retornam pelos condutores das instalações externas que adentram o edifício (fases e neutro):

$I_{\text{imp,polo}}=\frac{0.50\cdot I_{\text{raio}}}{n_{\text{condutores}}}$

onde $n_{\text{condutores}}$ é o número de condutores vivos que adentram a edificação (para trifásico com neutro: $n=4$).

2. Tensão Máxima Contínua de Operação ($U_c$)

Para sistemas em esquema TN/TT com tensão de fase $U_0=220\text{V}$, deve-se considerar a flutuação normal de $+10\%$ da rede mais a margem de segurança contra sobretensões temporárias causadas por faltas à terra:

$U_c\ge 1.10\cdot U_0\approx 1.10\times 220\text{V}=242\text{V}⟹\text{Adota-se comercialmente }{U}_c\ge 275\text{V}$

3. Margem de Segurança de Coordenação de Tensão ($U_p$ vs. $U_w$)

A norma IEC 60664-1 estabelece as categorias de sobretensão e a tensão suportável de impulso de equipamentos ($U_w$):

• Categoria IV (Origem da instalação / medidores): $U_w=6.0\text{kV}$
• Categoria III (Quadros de distribuição / máquinas): $U_w=4.0\text{kV}$
• Categoria II (Equipamentos eletrodomésticos e ferramentas): $U_w=2.5\text{kV}$
• Categoria I (Equipamentos eletrônicos sensíveis / TI): $U_w=1.5\text{kV}$

A proteção efetiva deve respeitar uma margem de segurança de pelo menos $20\%$:

$U_{p,\text{efetivo}}\le 0.80\cdot U_w$

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5.2 Exemplo de Projeto 100% Resolvido

Cenário de Engenharia: Dimensionar o sistema de proteção contra surtos para a entrada principal (QGBT) de uma indústria farmacêutica alimentada em baixa tensão por rede secundária trifásica $380/220\text{V}$ ($60\text{Hz}$, esquema de aterramento TN-C-S). O prédio fabril possui sistema externo de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) projetado para Nível de Proteção III/IV, cuja corrente de raio máxima adotada normativamente é de $I_{\text{raio}}=100\text{kA}$ na onda $10/350\mu \text{s}$. Os equipamentos eletroeletrônicos internos do QGBT pertencem à Categoria de Sobretensão III ($U_w=4.0\text{kV}$). Os cabos de conexão do DPS somam um comprimento total $L_{\text{cabo}}=0.40\text{m}$. A corrente de curto-circuito no barramento principal é $I_{cc}=22\text{kA}$.

Passo 1: Determinação da Classe do DPS de Entrada

Como a edificação possui SPDA externo instalado, a norma ABNT NBR 5410 (item 5.4.2) e a IEC 61643-11 exigem compulsoriamente na entrada principal um DPS Classe I (ou Classe I+II combinado) testado na forma de onda de impulso de energia extrema $10/350\mu \text{s}$.

Passo 2: Cálculo da Corrente de Impulso por Polo ($I_{\text{imp}}$)

Aplicando o modelo de partição da norma IEC 62305:

• Corrente total do raio: $I_{\text{raio}}=100\text{kA}$ ($10/350\mu \text{s}$).
• Parcela que adentra os condutores do sistema elétrico: $50\%⟹I_{\text{sistema}}=0.50\times 100\text{kA}=50\text{kA}$.
• O sistema elétrico trifásico a quatro condutores possui $n=4$ fios (L1, L2, L3, PEN). A corrente distribui-se uniformemente:

$I_{\text{imp,polo}}=\frac{50\text{kA}}{4}=12.5\text{kA}(\text{onda }10/350\mu \text{s})$

Seleção Comercial: Seleciona-se um DPS Classe I+II com corrente de impulso nominal de catálogo imediatamente superior: $I_{\text{imp}}=12.5\text{kA}$ ou $25\text{kA}$ por polo.

Passo 3: Determinação da Tensão Máxima de Operação ($U_c$)

Tensão nominal de fase do sistema: $U_0=220\text{V}$. Considerando a tolerância máxima e transitórios de rede: $U_c\ge 1.10\times 220\text{V}=242\text{V}$ Seleção Comercial: Adota-se o cartucho com especificação industrial padrão de $U_c=275{\text{V}}_{\text{ca}}$.

Passo 4: Verificação da Tensão Residual Efetiva ($U_{p,\text{efetivo}}$)

O modelo comercial selecionado com tecnologia varistor de alta capacidade possui nível de proteção de catálogo de $U_p=1.5\text{kV}$ para a corrente nominal. O comprimento físico total dos condutores de ligação do barramento ao DPS e do DPS ao barramento de equipotencialização (BEP) é de $L_{\text{cabo}}=0.40\text{metros}$ ($40\text{cm}\le 50\text{cm}$ - aprovado pela regra de ouro). Indutância distribuída do condutor de cobre ($16{\text{mm}}^2$): $L=1\mu \text{H/m}⟹L_{\text{tot}}=0.40\times 10^{-6}\text{H}$. Considerando a frente de onda de $I_n=20\text{kA}$ ($8/20\mu \text{s}$):

$\frac{di}{dt}=\frac{20\text{kA}}{8\mu \text{s}}=2.5\times 10^9\text{A/s}$

A sobretensão induzida nos condutores de interligação vale:

$\Delta U=L_{\text{tot}}\cdot \frac{di}{dt}=\left(0.40\times 10^{-6}\right)\cdot \left(2.5\times 10^9\right)=1000\text{V}=1.0\text{kV}$

A tensão de proteção efetiva total sobre o barramento será:

$U_{p,\text{efetivo}}=U_p+\Delta U=1.5\text{kV}+1.0\text{kV}=2.5\text{kV}$

Comparando com o limite normativo do painel ($U_w=4.0\text{kV}$):

$U_{p,\text{efetivo}}\le 0.80\cdot U_w⟹2.5\text{kV}\le 0.80\times 4.0\text{kV}=3.2\text{kV}\text{[APROVADO COM MARGEM DE SEGURANC¸A]}$

Passo 5: Dimensionamento da Proteção de Backup (Fusível de Retaguarda)

O fabricante do DPS especifica fusível máximo de backup de $160\text{A gG}$ e capacidade de interrupção de curto-circuito de $50\text{kA}$. Como o disjuntor geral de entrada do QGBT possui corrente nominal de $400\text{A}$ ($>160\text{A}$), é obrigatória a instalação de uma chave seccionadora fusível dedicada em derivação para o ramal do DPS com fusíveis tipo NH00 de $125\text{A gG}$ com capacidade de ruptura de $120\text{kA}>22\text{kA}$, assegurando a proteção contra curto-circuito sem queima intempestiva durante a passagem da onda de surto.

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6. Modos de Falha, Diagnóstico e Manutenção

Tabela FMEA de Modos de Falha

Modo de Falha	Causa Física / Fenômeno Raiz	Efeito no Sistema	Método de Diagnóstico	Ação Mitigadora / Manutenção
Degradação Térmica Progressiva (Envelhecimento)	Microdescargas sucessivas repetidas e sobretensões temporárias contínuas degradando os contornos de grão do $\text{ZnO}$.	Aumento da corrente de fuga resistiva permanente ($I_{\text{fuga}}>1\text{mA}$); aquecimento Joule contínuo.	Termografia infravermelha no cartucho ($T>60^{\circ }\text{C}$ em repouso); medição de corrente de fuga com alicate específico.	Substituição imediata do cartucho plugável antes do desarme térmico definitivo.
Atuação do Desligador Térmico (Fim de Vida Seguro)	Aquecimento excessivo mantido por corrente de fuga atingindo a temperatura de fusão da solda eutética ($138^{\circ }\text{C}$).	Abertura física dos contatos da lâmina; perda total da proteção contra novos surtos.	Janela visual frontal muda de Verde para Vermelho; comutação do contato seco auxiliar FM (alarme no SCADA/BMS).	Substituição do módulo de cartucho defeituoso por novo sem desenergizar o quadro.
Explosão / Curto-Circuito Franco do Varistor	Incidência de corrente impulsiva de raio que supera amplamente a energia nominal máxima suportada ($I_{\text{raio}}\gg I_{\text{max}}$).	Curto-circuito fase-terra na entrada; queima violenta da pastilha com projeção de fuligem se o fusível de backup falhar.	Atuação do fusível de backup ou disjuntor de entrada; inspeção visual de carbonização interna.	Utilizar fusíveis de backup ultrarrápidos adequados; revisar cálculo de nível de proteção do SPDA.
Curto-Circuito por Descontinuidade de Terra	Rompimento ou frouxidão do condutor de conexão do DPS ao barramento de proteção (BEP).	O DPS descarrega o surto, mas a tensão residual eleva a carcaça de todos os equipamentos, queimando fontes.	Ensaio de continuidade de baixa resistência com miliômímetro ($R_{\text{condutor}}<0.1\Omega$).	Aperto periódico de torque conforme catálogo (tipicamente $3.5\text{-}4.5\text{N}\cdot \text{m}$).

Diretrizes de Boas Práticas e Ensaios de Campo

1. Comprimento Mínimo de Linha para Desacoplamento: Ao coordenar um DPS Classe I na entrada e um DPS Classe II no quadro a jusante, deve haver uma distância mínima de condutores de pelo menos $10\text{metros}$ entre eles (ou um indutor de desacoplamento dedicado), garantindo que a impedância indutiva da linha force a absorção da maior parcela de energia pelo DPS Classe I de maior porte antes que o Classe II seja sobrecarregado.
2. Inspeção Pós-Tempestade: Após a ocorrência de tempestades severas com queda de raios confirmada nas proximidades da edificação, uma equipe técnica de manutenção deve realizar inspeção visual imediata das janelas de status de todos os quadros e verificar os logs do sistema de alarme FM.
3. Substituição a Quente (Hot-Swap): Os cartuchos de DPS plugáveis modernos possuem barreira isolante de proteção contra choque elétrico que permite sua substituição manual instantânea sob tensão, sem a necessidade de paradas operacionais da fábrica.