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  1. 1. Sistemas de Proteção contra Descargas Atmosféricas: Apostila Moisés Roberto Lanner Carvalho Instituto Militar de Engenharia 2004 80 Páginas
  2. 2. PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ABACUS Informática e Engenharia 1
  3. 3. Moisés Roberto Lanner Carvalho Engenheiro Eletricista Mestre em Engenharia Elétrica pelo IME Professor do Departamento de Engenharia Elétrica do IME Professor da Universidade Estácio de Sá e-mail: mrlc@ime.eb.br 2
  4. 4. SUMÁRIO 1. CONCEITOS BÁSICOS 4 Eletricidade Atmosférica 4 Tempestades 4 Relâmpagos 6 Valores Típicos dos Raios 12 2. NECESSIDADE DE PROTEÇÃO 13 Generalidades 13 Avaliação dos Riscos 13 Fatores de Ponderação 17 3. MÉTODOS DE PROTEÇÃO 18 Método de Franklin 23 Método de Faraday 27 Método Eletrogeométrico 30 4. AS DESCIDAS DO SPDA 35 Conexões Exotérmicas 36 Bitola dos Cabos de Descida 37 Número de Descidas 38 Superfícies Equipotenciais 39 Proximidade do SPDA de Outras Estruturas 41 Mudança de Direção do Cabo de Descida 45 5. ATERRAMENTO PARA UM SPDA 46 Sistemas de Aterramento para Condições Normais 47 Sistemas de Aterramento para Condições Particulares 48 Instalação de Eletrodos de Aterramento 48 Eletrodos de Aterramento Naturais 49 6. EQUIPAMENTOS PARA UM SPDA 49 Captores 50 Isoladores 50 Mastros, Postes e Torres 52 Acessórios Diversos 56 7. SISTEMAS DE PROTEÇÃO ESPECÍFICOS 57 Supressores de Surto 57 Proteção de Estruturas Metálicas 59 Proteção de Estruturas de Concreto 61 Proteção de Áreas Classificadas 63 Proteção de Propriedades Rurais 66 Proteção de Áreas Externas 69 Proteção Pessoal 72 8. PROJETOS 75 9. BIBLIOGRAFIA 79 3
  5. 5. 1. CONCEITOS BÁSICOS ELETRICIDADE ATMOSFÉRICA Foi somente após a descoberta da eletricidade no início do século 18, que a natureza elétrica da atmosfera da Terra começou a ser desvendada. Em 1708, William Wall, ao ver uma faísca sair de um pedaço de âmbar carregado eletricamente, observou que ela era parecida com um relâmpago. Na metade do século, após a descoberta das primeiras propriedades elétricas da matéria, tornou-se evidente que os relâmpagos deveriam ser uma forma de eletricidade, associada de alguma maneira com as tempestades. Benjamin Franklin foi o primeiro a projetar um experimento para tentar provar a natureza elétrica do relâmpago. Em julho de 1750, Franklin propôs que a eletricidade poderia ser drenada de uma nuvem por um mastro metálico. Se o mastro fosse isolado do solo, e um observador aproxima-se do mesmo um fio aterrado, uma faísca saltaria do mastro para o fio quando uma nuvem eletrificada estivesse perto. Se isto ocorresse, estaria provado que as nuvens são eletricamente carregadas e, conseqüentemente, que os relâmpagos também são um fenômeno elétrico. Em maio de 1752, Thomas- François D’Alibard demonstrou que a sugestão de Franklin estava certa e que os relâmpagos, portanto, eram um fenômeno elétrico. Em junho de 1752, Franklin realizou outro experimento com o mesmo propósito, seu famoso experimento com uma pipa. Ao invés de utilizar um mastro metálico, ele usou uma pipa, desde que ela poderia alcançar maiores altitudes e poderia ser usada em qualquer lugar. Novamente, faíscas saltaram de uma chave colocada na extremidade do fio preso a pipa em direção a sua mão. TEMPESTADES Tempestades são caracterizadas por relâmpagos e trovões. Elas são produzidas por uma ou mais nuvens cumulonimbus (Cb), também conhecidas como nuvens de tempestade. Uma típica nuvem de tempestade tem um diâmetro de 10-20 km, alcança altitudes de 10-20 km, dura em média 30-90 minutos e move-se com uma velocidade de 40-50 km/h. Normalmente elas podem ser identificadas por seu largo e brilhante topo esbranquiçado, que se projeta na direção dos ventos formando uma saliência denominada anvil. Cerca de 2000 tempestades estão sempre ocorrendo, o que significa que 16 milhões ocorrem anualmente em nosso planeta. A freqüência de tempestades em um dado local depende de vários fatores, entre eles a topografia, a latitude, a proximidade de massas de água e a continentalidade. Uma pequena percentagem das tempestades que ocorrem todo ano é considerada tempestades severas, isto é, produzem ao menos uma das seguintes características: granizo com diâmetro igual ou maior que 2 cm, ventos de ao menos 90 km/h ou tornados. Um tornado é uma coluna de ar girando violentamente que se estende da base da nuvem até o solo. Tempestades severas também costumam produzir ventos de alta intensidade conhecidos como rajadas e microrajadas, que são rajadas de curta duração e que afetam regiões menores que 4 km de extensão. Nuvens de tempestade são formadas sempre que existir bastante movimento vertical, instabilidade vertical e umidade, de modo a produzir uma nuvem que alcance altitudes com temperaturas abaixo do nível de congelamento. Estas condições são mais freqüentemente encontradas no verão e durante à tarde e início da noite, mas podem ser encontradas em todas as estações e em todas as horas do dia. O movimento vertical pode ser causado por um gradiente no perfil de temperatura ou por processos de levantamento, tais como as brisas ao longo das costas, frentes frias ou quentes, áreas de baixa pressão com convergência horizontal de ventos e montanhas. No primeiro caso, o ar mais quente (mais leve) próximo à superfície da terra tende a deslocar-se para cima trocando de posição com o ar mais frio (mais pesado) nos níveis mais altos, que tende a deslocar-se para baixo. Tempestades formadas por 4
  6. 6. este processo são geralmente chamadas tempestades associadas a massas de ar. Elas tendem a ser menos severas do que os outros tipos de tempestades, embora sejam ainda capazes de produzir rajadas. No processo de levantamento, o ar próximo à superfície da terra é empurrado para cima por outra massa de ar ou ao se chocar com uma montanha. Algumas vezes mais de um processo de levantamento pode ocorrer simultaneamente. Nuvem cúmulos. Primeira etapa no processo de geração de uma nuvem de tempestade com uma única célula. Nuvem de tempestade com uma única célula no estágio de desenvolvimento. Quando o ar sobe na atmosfera o suficiente para atingir seu ponto de saturação, a umidade condensa formando partículas de água, e posteriormente, partículas de água super-resfriada (isto é, partículas de água em temperaturas abaixo do ponto de congelamento) e partículas de gelo, formando a nuvem de tempestade. Quando o vapor de água muda de fase para líquido ou gelo, calor latente é liberado auxiliando no desenvolvimento da nuvem. Estas partículas colidem e combinam-se entre si, formando as gotas de chuva, neve e granizo. Quando as partículas tornam-se pesadas, o movimento de queda supera as correntes de ar ascendentes e a precipitação ocorre. Em setembro de 1752, Benjamin Franklin realizou um experimento para examinar a natureza elétrica das tempestades. Ele colocou uma haste metálica em cima da sua casa, conectada a um longo fio aterrado. Ele cortou o fio e separou suas extremidades por cerca de 15 cm colocando um sino preso a cada uma delas. Uma esfera metálica isolada foi suspensa entre os sinos, movendo-se entre eles e batendo neles quando uma nuvem de tempestade passava próximo. Comparando a carga no fio com uma carga conhecida, Franklin determinou que a base da nuvem de tempestade era carregada negativamente. A estrutura básica de uma nuvem de tempestade, entretanto, só foi proposta no começo do século 20. Ela pode ser descrita como um dipolo elétrico positivo, composto por uma região carregada positivamente acima de uma região carregada negativamente. Não se conhece exatamente como as nuvens de tempestade tornam-se carregadas. A teoria mais aceita para explicar a produção de cargas requerida para eletrificar uma nuvem de tempestade assume que as partículas carregadas são produzidas por colisões de diferentes partículas de gelo no interior da nuvem. Os detalhes do processo de colisão não são muito bem conhecidos mas, em termos gerais, dois tipos de processos tem sido considerados: processos indutivos e não-indutivos. O processo indutivo considera que o campo elétrico tem um papel preponderante sobre a formação das cargas, enquanto que o processo não-indutivo considera que outros parâmetros são preponderantes, tais como 5
  7. 7. temperatura, potencial de contato, tamanho das partículas ou conteúdo de água. É provável que mais de um parâmetro sejam relevantes e, também, que diferentes parâmetros devam ser considerados em diferentes casos. Após as partículas carregadas serem formadas, elas são separadas pelo efeito de correntes de ar ascendentes e descendentes e pela ação gravitacional. RELÂMPAGOS Um relâmpago é uma corrente elétrica muito intensa que ocorre na atmosfera com típica duração de meio segundo e típica trajetória com comprimento de 5-10 quilômetros. Ele é conseqüência do rápido movimento de elétrons de um lugar para outro. Os elétrons movem-se tão rápido que eles fazem o ar ao seu redor iluminar-se, resultando em um clarão, e aquecer-se, resultando em um som (trovão). Um relâmpago é tipicamente associado a nuvens cumulonimbus ou de tempestade, embora possa ocorrer em associação com vulcões ativos, tempestades de neve ou, mesmo, tempestades de poeira. Dentro das tempestades, diferentes partículas de gelo tornam-se carregadas através de colisões. Acredita-se que as partículas pequenas tendem a adquirir carga positiva, enquanto que as maiores adquirem predominantemente cargas negativas. Estas partículas tendem, então, a se separar sobre a influência de correntes de ar ascendentes e descendentes e da gravidade, de tal modo que a parte superior da nuvem adquira uma carga líquida positiva e a parte inferior uma carga líquida negativa. A separação de carga produz então um enorme campo elétrico tanto dentro da nuvem como entre a nuvem e o solo. Quando este campo, eventualmente, quebra a resistência elétrica do ar, um relâmpago tem início. Em termos gerais, existem dois tipos de relâmpagos: relâmpagos na nuvem e relâmpagos no solo. Relâmpagos na nuvem originam-se dentro das nuvens cumulonimbus, normalmente na região onde gotículas de água transformam-se em gelo, e propagam-se dentro da nuvem (relâmpagos intranuvem) ou fora da nuvem, rumo a outra nuvem (relâmpagos nuvem-nuvem) ou numa direção qualquer no ar (descargas para o ar). Relâmpagos no solo, por sua vez, podem originar-se na mesma ou em outras regiões dentro da nuvem cumulonimbus (relâmpagos nuvem-solo) ou no solo, abaixo ou perto da tempestade (relâmpagos solo-nuvem). Mais de 99 % dos relâmpagos no solo são relâmpagos nuvem-solo. Relâmpagos solo-nuvem são relativamente raros e, geralmente, ocorrem do topo de montanhas ou estruturas altas, ou ainda podem ser gerados por foguetes lançados em direção as tempestades. Relâmpagos no solo podem também ser classificados em termos do sinal da carga do líder, negativa ou positiva, que inicia a descarga. Cerca de 90% dos relâmpagos nuvem-solo que ocorrem em nosso planeta são negativos. Esta percentagem, entretanto, pode mudar substancialmente em determinadas tempestades. Cerca de 70 % do total de relâmpagos são relâmpagos na nuvem. Embora eles sejam a maioria dos relâmpagos, eles são menos conhecidos que os relâmpagos no solo, em parte porque eles são menos perigosos, em parte porque eles são escondidos pela nuvem. Uma forma rara de relâmpagos, não incluída nas categorias acima, são os relâmpagos de bola. Um relâmpago de bola é o nome dado a uma esfera luminosa que geralmente ocorre perto das tempestades, mas não necessariamente simultaneamente a um relâmpago normal. Elas são, em geral, vermelhas, amarelas, azuis, laranjas ou brancas, tem um diâmetro de 10 a 40 centímetros, aparecem próximo ao solo ou na atmosfera, e mantêm um brilho relativamente constante durante sua vida. Elas podem mover-se rápida ou lentamente, ou ficar paradas, podem ser silenciosas ou produzir estalos, duram de segundos a minutos (média de 4 segundos) e desaparecem lenta ou subitamente em silêncio ou produzindo um ruído. Embora elas tenham sido observadas por mais de um século, não são bem conhecidas e permanecem um mistério. Um relâmpago pode ser constituído por uma ou várias descargas, chamadas descargas de retorno. No primeiro caso, ele é chamado de relâmpago simples e, no segundo, de relâmpago múltiplo. Cada descarga de retorno dura algumas centenas de microssegundos e, em relâmpagos múltiplos, o intervalo de tempo entre descargas de retorno consecutivas é tipicamente 40 milissegundos. Quando o intervalo de separação entre as descargas de retorno é próximo de 100 milissegundos, o relâmpago é visto piscar no céu, porque o olho humano consegue identifica-las individualmente. As figuras a seguir ilustram os vários processos contidos em um relâmpago nuvem- 6
  8. 8. solo negativo (com indicação dos típicos intervalos de tempo), acompanhadas por uma detalhada descrição destes processos. Outros tipos de relâmpagos no solo têm etapas similares, com pequenas diferenças, principalmente no que se refere ao processo inicial. Relâmpagos na nuvem, entretanto, apresentam um desenvolvimento diferente e que ainda não é muito bem conhecido. Quase nada se sabe sobre o desenvolvimento de relâmpagos raros, como relâmpagos de bola ou relâmpagos relacionados a vulcões, tempestades de neve ou poeira. Um relâmpago nuvem-solo negativo inicia-se através da quebra de rigidez do ar dentro da nuvem cumulonimbus. Ela é causada por um intenso campo elétrico de cerca de 100-400 kV/m entre duas regiões de cargas opostas, em geral, na parte inferior da nuvem, valor este que excede o campo local para a quebra de rigidez. Os elétrons na região de cargas negativas são tão fortemente atraídos pelas cargas positivas que começam a se mover através do ar rumo a estas cargas criando um canal condutor. O processo de quebra de rigidez tem uma duração média de 100 milissegundos e é, normalmente, localizado perto da região de cargas negativas da nuvem. Este processo estabelece as condições para que as cargas negativas sejam levadas rumo ao solo pelo líder escalonado. Após a quebra de rigidez dentro da nuvem de tempestade, um líder escalonado de carga negativa invisível propaga- se a partir da nuvem (tempo = 0). Uma descarga visível sai do solo para cima (tempo = 20 milissegundos). O líder escalonado e a descarga para cima se encontram; uma descarga de retorno inicia (tempo = 20,1 milissegundos). Sobre a influência do campo elétrico estabelecido entre a nuvem e o solo, as cargas negativas (elétrons) então se movem em etapas de dezenas de metros de comprimento chamadas etapas do líder. Cada etapa tem uma duração típica de 1 microsegundo, com uma pausa entre elas de 50 microssegundos. Após alguns milissegundos, o líder escalonado surge da base da nuvem, movendo-se em direção ao solo. Ao longo do movimento, algumas cargas seguem novos caminhos devido a influência de cargas na atmosfera ao redor do canal, formando as ramificações. As cargas no canal movem-se rumo ao solo em etapas com uma velocidade média de cerca de 100 km/s e produzindo uma fraca luminosidade em uma região com um diâmetro entre 1 e 10 m ao longo do qual a carga é depositada. A maioria da luminosidade é produzida durante as etapas de 1 microsegundo, praticamente não havendo luminosidade durante as pausas. A medida que as cargas do líder propagam-se ao longo do canal rumo ao solo, variações de campo elétrico e magnético são também produzidas. Ao todo, um líder escalonado transporta 10 ou mais coulombs de carga e alcança um ponto perto do solo em dezenas de milissegundos, dependendo da tortuosidade de seu caminho. A corrente média do líder escalonado é cerca de 1 kA e é transportada em um núcleo central do canal com alguns centímetros de diâmetro. 7
  9. 9. Quando o canal do líder escalonado aproxima-se do solo, a carga elétrica contida no canal produz um campo elétrico intenso entre a extremidade do líder e o solo, correspondente a um potencial elétrico de cerca de 100 milhões de volts. Este campo causa a quebra de rigidez do ar próximo ao solo fazendo com que uma ou mais descargas positivas ascendentes, denominadas líderes ou descargas conectantes, saiam do solo, em geral, dos objetos mais altos. A distância entre o objeto a ser atingido e a extremidade do líder no instante em que o líder conectante sai do solo é chamada distância de atração. A distância de atração tende a aumentar com o aumento do pico de corrente da descarga de retorno. O ponto de junção entre o líder escalonado e o líder conectante é normalmente considerado estar no meio da distância de atração. Quando um dos líderes conectantes encontra o líder negativo descendente, em geral entre 10 a 100 metros do solo, o canal do relâmpago é formado. Então, as cargas armazenadas no canal começam a mover-se em direção ao solo e uma onda propaga-se como um clarão visível para cima ao longo do canal com uma velocidade de cerca de 100.000 km/s, um terço da velocidade da luz, iluminando o canal e todas as outras ramificações. A velocidade da onda diminui com a altura. Esta descarga é denominada de descarga de retorno, dura algumas poucas centenas de microssegundos e produz a maioria da luz que vemos. A luz da descarga de retorno origina-se de emissões contínuas e discretas de átomos, moléculas e ions após serem excitados e ionizados pela onda e move-se para cima devido ao fato de que os primeiros elétrons a mover-se para baixo em direção ao solo são aqueles mais próximos ao solo. A medida que elétrons mais acima no canal movem-se, as partes superiores do canal tornam-se visíveis. Devido ao movimento para cima da luz ao longo do canal ocorrer muito rápido para poder ser visto, o canal como um todo parece iluminar-se ao mesmo tempo. Os ramos do canal que não se conectam ao solo, normalmente, não são tão brilhantes quanto aquela parte do canal abaixo do ponto de junção com a ramificação. Isto é devido ao fato de que menos elétrons passam através deles do que através do canal. A luz da descarga de retorno é geralmente branca. Entretanto, da mesma maneira que o pôr do sol pode ter várias cores, relâmpagos distantes podem também apresentar outras cores, tais como amarelo, roxo, laranja ou mesmo verde, dependendo das propriedades da atmosfera entre o relâmpago e o observador. As cargas depositadas no canal, bem como aquelas ao redor e no topo do canal, movem-se para baixo ao longo do centro do canal em uma região com uns poucos centímetros de diâmetro, produzindo no solo um pico de corrente médio de cerca de 30-40 kA, com variações desde poucos até centenas de kA. Medidas de corrente em torres equipadas tem registrado valores máximos de 400 kA. Em geral, a corrente atinge seu pico em alguns microssegundos, e decai a metade desde valor em cerca de 50 microssegundos. A carga negativa média transferida ao solo é de cerca de 10 coulombs, com valores máximos em torno de 200 coulombs. No processo, campos elétricos e magnéticos com variações temporais desde nanossegundos até milissegundos são produzidos. Estes campos são genericamente chamados de sferics. A forma de onda dos sferics é similar a forma de onda da corrente, com um pico quase no mesmo instante do pico de corrente e um segundo pico invertido associado com o campo refletido na base da ionosfera. Em distâncias maiores que 10 km do relâmpago, o pico dos campos tende a diminuir inversamente com a distância, na ausência de efeitos de propagação significativos. 8
  10. 10. A luz intensa da descarga de retorno move-se para cima, iluminando o canal do relâmpago (tempo = 20,2 milissegundos). Um líder contínuo propaga-se a partir da nuvem através do canal (tempo = 60 milissegundos). Uma segunda descarga de retorno visível (descarga de retorno subseqüente) move-se para cima (tempo= 62 milissegundos). Outras seqüências de líder/descarga de retorno subseqüente podem ocorrer. Para distâncias maiores que cerca de 50-100 km, o pico dos campos é significativamente atenuado devido à propagação sobre a superfície não perfeitamente condutora da terra. No instante do pico dos campos, a média da potência eletromagnética total irradiada é cerca de dez vezes maior do que aquela no espectro ótico. Em geral, o pico dos campos produzido por relâmpagos nas nuvens é menos intenso do que aquele produzido por relâmpagos no solo. No domínio de freqüência, os campos tem uma máxima intensidade ao redor de 5-10 kHz para relâmpagos no solo e ao redor de 100-200 kHz para relâmpagos nas nuvens. A descarga de retorno também aquece violentamente o ar ao seu redor. O ar atinge temperaturas máximas de cerca de 20.000 a 30.000 graus Celsius em cerca de 10 microssegundos, correspondendo a densidades de elétrons de 1020 elétrons por metro cúbico. Quando o ar é aquecido, ele se expande, e esta expansão gera, em uma distância de poucas centenas de metros, uma onda de choque supersônica e, em distâncias maiores, uma onda sonora intensa que se afasta do canal em todas as direções. Estas ondas são os trovões que ouvimos. Trovões produzidos por relâmpagos no solo tem, tipicamente, um máximo de intensidade em torno de 50-100 Hz, enquanto que aqueles produzidos por relâmpagos nas nuvens tem um máximo em torno de 20-30 Hz. Próximo do relâmpago, o som será um intenso estalo e pode causar danos ao ouvido humano. Distante do relâmpago, o som será um estrondo relativamente fraco. A duração do trovão é uma medida da diferença entre as distâncias do ponto mais próximo e do ponto mais distante do canal ao observador. Durações típicas são 5-20 segundos. A maioria dos trovões tem estrondos e estalos porque o canal é torto, fazendo com que ondas de som cheguem ao observador em diferentes instantes e de diferentes direções. Estalos também podem ser produzidos por ramificações. Quanto maior o número de ramificações, maior é o número de estalos no trovão. Se o relâmpago ocorrer a uma distância ao redor de 100 metros do observador ou menos, ele escutará um intenso estalo semelhante ao estalo de um chicote (algumas vezes precedido por um estalido, semelhante a um estalido de dedos) o qual é associado a onda de choque que precede a onda sonora. Trovões produzidos por relâmpagos no solo em geral podem ser escutados até distâncias de 20 km. Trovões produzidos por relâmpagos nas nuvens são similares aqueles produzidos por relâmpagos no solo porém, em geral, são mais fracos. Durante 9
  11. 11. períodos de fortes chuvas e ventos, esta distância será menor enquanto que, em noites calmas, trovões podem ser escutados a distâncias maiores. Parte da energia acústica do trovão esta concentrada em freqüências abaixo daquelas que o ouvido humano pode escutar, em geral umas poucas dezenas de Hz. Esta parte é chamada trovão infrasônico e acredita-se estar associada com mudanças na energia eletrostática dentro da nuvem após a ocorrência de um relâmpago. O trovão pode ser usado para calcular qual a distância de um relâmpago. Quando você enxergar o clarão, comece a contar os segundos até escutar o trovão. Divida o número de segundos por três (3) e você terá a distância aproximada do relâmpago em quilômetros. O erro médio associado com este método é de 20 %. Em parte, a origem deste erro é devida ao fato de que a maioria dos relâmpagos tem longas ramificações. Assim, um relâmpago a três quilômetros de distância pode produzir um trovão após três segundos, indicando que uma ramificação está somente a um quilômetro de distância. Se você enxergar o clarão e não escutar o trovão, o relâmpago provavelmente esta a mais de 20 quilômetros de você. Relâmpagos no solo podem também ser iniciados por lideres positivos descendentes, isto é, líderes positivamente carregados. Na realidade, líderes positivos descendentes correspondem a movimentos ascendentes de cargas negativas (elétrons). A descarga de retorno resultante efetivamente transporta cargas positivas da nuvem para o solo. Neste caso, o relâmpago é chamado de relâmpago positivo. Em geral, não existem descargas de retorno subseqüente em relâmpagos positivos, isto é, eles são relâmpagos simples. O pico de corrente médio das descargas de retorno de relâmpagos positivos, bem como a carga média depositada no solo, entretanto, são normalmente maiores do que os correspondentes valores para descargas de retorno de relâmpagos negativos, de modo que eles geralmente causam maiores danos do que os relâmpagos negativos. Uma grande parte dos incêndios em florestas e danos às linhas de energia elétrica causados por relâmpagos são devidos a relâmpagos positivos. Acredita-se que os relâmpagos tem um largo efeito sobre o meio ambiente. Eles provavelmente estavam presentes durante o surgimento da vida na Terra, e podem mesmo ter participado na geração das moléculas as quais deram origem a vida. Relâmpagos provocam incêndios participando, com isto, na composição de equilíbrio das árvores e plantas. Relâmpagos modificam as características da atmosfera ao redor das regiões onde ocorrem. Eles quebram as moléculas do ar, as quais ao se recombinarem produzem novos elementos. Estes novos elementos mudam o equilíbrio químico da atmosfera, afetando a concentração de importantes elementos com o ozônio, bem como se misturam com a chuva e se precipitam como fertilizantes naturais. Durante as duas últimas décadas, relâmpagos nuvem-solo tem sido detectados e mapeados em tempo real em largas regiões por vários sistema de detecção de relâmpagos. Alguns países, como os Estados Unidos, o Japão e o Canadá, estão inteiramente cobertos por tais sistemas. Sobre os Estados Unidos, uma média de 20-30 milhões de relâmpagos nuvem-solo tem sido detectados todo ano, desde 1989, ano em que tais sistemas começaram a cobrir integralmente todo o país. Outros países como o Brasil, estão parcialmente cobertos. Estimativas aproximadas indicam que cerca de 100 milhões de relâmpagos nuvem-solo ocorrem no Brasil todo ano. Relâmpagos tem sido gerados por pequenos foguetes conectados a longos fios de cobre lançados na direção das tempestades. Quando o foguete é lançado, o fio preso a ele é desenrolado criando um caminho condutor por onde o relâmpago, depois de iniciado, se propaga. Esta técnica tem permitido a medida de campos elétricos e magnéticos bem próximos ao canal do relâmpago. Relâmpagos têm sido detectados também do espaço, durante as duas últimas décadas, através de sensores óticos a bordo de satélites e naves espaciais. Os satélites não conseguem distinguir entre relâmpagos no solo e nas nuvens. Eles tem mostrado que cerca de 50-100 relâmpagos ocorrem a cada segundo em nosso planeta, a maior parte na região tropical (cerca de 70 %). Finalmente, naves espaciais tem mostrado que a Terra não é o único planeta onde relâmpagos ocorrem. Relâmpagos tem também sido detectados em Vênus, Júpiter e Saturno e, provavelmente, ocorrem em Urano e Netuno. 10
  12. 12. VALORES TÍPICOS DOS RAIOS A gama de variações dos valores dos raios é uma questão preocupante, tendo em vista que os diversos componentes dos SPDA’s são dimensionados com base nestes dados. Normalmente não se trabalha com valores exatos,mas sim com faixas variação possíveis ou com valores típicos, conforme apresentado na tabela a seguir: Corrente 2 a 400 kA Corrente de 70% dos raios Até 40 kA Tempo de crista 1,2µs Tempo de meia cauda 50µs ( ) dt tdi 5,5kA 11
  13. 13. 2. NECESSIDADE DE PROTEÇÃO GENERALIDADES Estruturas especiais com riscos inerentes de explosão, tais como aquelas contendo gases ou líquidos inflamáveis, requerem geralmente o mais alto nível de proteção contra descargas atmosféricas. Prescrições complementares para este tipo de estrutura serão estudadas posteriormente. Para os demais tipos de estruturas, deve ser inicialmente determinado se um SPDA é, ou não, exigido. Em muitos casos, a necessidade de proteção é evidente, por exemplo: Em locais com grande afluência de público; Em locais que prestam serviços públicos essenciais; Em áreas com alta densidade de descargas atmosféricas; Em estruturas isoladas, ou com altura superior a 25m; Em estruturas de valor histórico ou cultural. Mesmo que um SPDA não seja obrigatório, alguns fatores não podem ser avaliados e podem sobrepujar todas as demais considerações. Por exemplo, o fato de que não deve haver qualquer risco de vida evitável, ou de que os ocupantes de uma estrutura devem se sentir sempre seguros, pode determinar a necessidade de um SPDA, mesmo nos casos em que a proteção seria normalmente dispensável. Para determinar a necessidade de um SPDA, recomenda-se uma avaliação que considere o risco de exposição (isto é, o risco da estrutura ser atingida pelo raio), e ainda os seguintes fatores: O tipo de ocupação da estrutura; A natureza de sua construção; O valor de seu conteúdo; A localização da estrutura; A altura da estrutura. 12
  14. 14. AVALIAÇÃO DOS RISCOS A probabilidade de uma estrutura ser atingida por um raio em um ano é o produto da densidade de descargas atmosféricas para a terra pela área de exposição equivalente da estrutura. A densidade de descargas atmosféricas para a terra (Ng) é o número de raios para a terra por km2 por ano. O valor de Ng para uma dada região pode ser estimado pela equação: Ng=0,04.Td 1,25 [raios/km2 /ano] onde Td é o número de dias de trovoada por ano, obtido de mapas isoceráunicos como mostrado na figura a seguir: Mapa Isoceráunico Define-se índice ceráunico como o número de dias de trovoadas que ocorrem por ano em uma determinada localidade. Este valor é determinado através de medições realizadas em todas as regiões do país e pode ser obtido consultando-se a literatura especializada ou solicitando este serviço ao Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais – INPE. Ex.: índice ceráunico para a cidade do Rio de Janeiro = 24 dias de trovoadas/ano. 13
  15. 15. A área de exposição equivalente (Ae) é a área do plano da estrutura prolongada em todas as direções, de modo a levar em conta a sua altura. Os limites da área de exposição equivalente estão afastados do perímetro da estrutura por uma distância correspondente à altura da estrutura no ponto considerado. Assim para uma estrutura retangular simples, de comprimento L, largura W e altura H, a área de exposição equivalente tem um comprimento L+2H e uma largura W+2H, com quatro cantos arredondados formados por segmentos de círculo de raio H, em metros. Então conforme a figura a seguir: Ae=LW+2LH+2WH+πh2 [m2 ] Para estruturas mais complexas, obtém-se a área de captação pela superposição das áreas de captação correspondentes às partes de maior altura da edificação, conforme mostrado no exemplo a seguir: 14
  16. 16. A freqüência média anual previsível (N) de descargas atmosféricas sobre uma estrutura é dada por: N=Ng.Ae.10-6 [raios/ano] Depois de determinado o valor de N, que é o número provável de raios que anualmente atingem uma estrutura, o passo seguinte é a aplicação dos fatores de ponderação indicados nas tabelas apresentadas a seguir. Multiplica-se o valor de N pelos fatores pertinentes e compara-se o resultado com a freqüência admissível de danos, conforme o seguinte critério: Se N≥10-3 , a estrutura requer um SPDA; Se 10-3 > N>10-5 , a conveniência de um SPDA deve ser decidida por acordo entre projetista e usuário; Se N≤10-5 , a estrutura dispensa um SPDA. 15
  17. 17. FATORES DE PONDERAÇÃO TIPO DE OCUPAÇÃO FATOR A Casas e outras estruturas de porte equivalente 0,3 Casas e outras estruturas de porte equivalente com antena externa 0,7 Fábricas, oficinas e laboratórios 1,0 Escritórios, hotéis e apartamentos 1,2 Locais de afluência de público: igrejas, pavilhões teatros, museus, exposições, estádios, etc. 1,3 Escolas, hospitais, creches 1,7 MATERIAIS DE CONSTRUÇÃO FATOR B Metal revestido, cobertura não metálica 0,2 Concreto armado, cobertura não metálica 0,4 Metal ou concreto armado, cobertura metálica 0,8 Alvenaria ou concreto simples com qualquer cobertura exceto metal e palha 1,0 Madeira ou revestida de madeira com qualquer cobertura exceto metal e palha 1,4 Alvenaria, madeira ou concreto simples com cobertura metálica 1,7 Qualquer estrutura com cobertura de palha 2,0 CONTEÚDO FATOR C Comum, sem valor 0,3 Sensível a danos (instalações de alto valor ou materiais vulneráveis a incêndios) 0,8 Subestações, gás, rádio, TV, telefônica 1,0 Indústrias estratégicas, museus, monumentos, valores especiais 1,3 Escolas, hospitais e creches 1,7 LOCALIZAÇÃO FATOR D Rodeado por árvores ou estruturas de mesma altura ou mais altas 0,4 Área contendo poucas estruturas ou árvores de altura similar 1,0 Isolada 2,0 TOPOGRAFIA FATOR E Planície 0,3 Elevações moderadas, colina 1,0 Montanha de 300 a 900m 1,3 Montanha acima de 900m 1,7 16
  18. 18. 3. MÉTODOS DE PROTEÇÃO Uma vez tomada a decisão de instalar um SPDA, certamente não será possível garantir 100% de eficiência a este sistema. A NBR 5419/93 faz corresponder 4 níveis de proteção conforme a eficiência global teórica esperada. São eles: NÍVEL DE PROTEÇÃO EFICIÊNCIA DO SPDA I 98% II 95% III 90% IV 80% A NBR 5419/93 não estabelece um critério preciso para classificar as diversas estruturas dentro de cada nível de proteção, entretanto fornece exemplos desta classificação: 17
  19. 19. TABELA PARA SELEÇÃO DO NÍVEL DE PROTEÇÃO NÍVEL DE PROTEÇÃO I CLASSIFICAÇÃO DA ESTRUTURA TIPO DE EDIFICAÇÃO Estruturas com risco confinado Estações de telecomunicações usinas elétricas, indústrias com risco de incêndio. EFEITOS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Interrupção inaceitável de serviços públicos, risco indireto para as imediações devido a incêndios e outros. CLASSIFICAÇÃO DA ESTRUTURA TIPO DE EDIFICAÇÃO Estruturas com risco para os arredores Fábricas de munição e fogos de artifício, refinarias, postos de combustível. EFEITOS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Risco de incêndio e explosão para a instalação e seus arredores. CLASSIFICAÇÃO DA ESTRUTURA TIPO DE EDIFICAÇÃO Estruturas com risco para o meio ambiente Indústrias químicas, nucleares, laboratórios bioquímicos. EFEITOS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Risco de incêndio e falhas de operação, com conseqüências perigosas para o local e para o meio ambiente. 18
  20. 20. NÍVEL DE PROTEÇÃO II CLASSIFICAÇÃO DA ESTRUTURA TIPO DE EDIFICAÇÃO Estruturas comuns Teatros, escolas, lojas de departamentos, áreas esportivas e igrejas. EFEITOS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Danos às instalações elétricas e possibilidade de pânico. Falha do sistema de alarme contra incêndio, causando atraso no socorro. CLASSIFICAÇÃO DA ESTRUTURA TIPO DE EDIFICAÇÃO Estruturas comuns Bancos, companhias de seguros, companhias comerciais, e outros. EFEITOS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Danos às instalações elétricas e possibilidade de pânico. Falha do sistema de alarme contra incêndio, causando atraso no socorro, perda de comunicações, falha dos computadores perda de dados. CLASSIFICAÇÃO DA ESTRUTURA TIPO DE EDIFICAÇÃO Estruturas comuns Hospitais, casas de repouso e prisões. EFEITOS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Como para escolas, além de efeitos indiretos para pessoas em tratamento intensivo, e dificuldade de resgate de pessoas imobilizadas CLASSIFICAÇÃO DA ESTRUTURA TIPO DE EDIFICAÇÃO Estruturas comuns Museus e locais arqueológicos. EFEITOS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Perda de patrimônio cultural insubstituível. 19
  21. 21. NÍVEL DE PROTEÇÃO III CLASSIFICAÇÃO DA ESTRUTURA TIPO DE EDIFICAÇÃO Estruturas comuns Residências. EFEITOS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Perfuração da isolação da instalação elétrica, incêndio e danos ma- teriais. Danos normalmente limitados a objetos no ponto de impacto ou no caminho do raio. CLASSIFICAÇÃO DA ESTRUTURA TIPO DE EDIFICAÇÃO Estruturas comuns Indústrias. EFEITOS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Efeitos indiretos, conforme o conteúdo das estruturas, variando de danos pequenos a prejuízos inaceitáveis, e perda de produção. CLASSIFICAÇÃO DA ESTRUTURA TIPO DE EDIFICAÇÃO Estruturas comuns Fazendas e estabelecimentos agropecuários com estruturas de madeira. EFEITOS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Risco indireto de incêndio e tensões de passo perigosas. Risco indireto devido à interrupção de energia, e risco de vida para animais devido a perda de controles eletrônicos, ventilação, temperatura, suprimento de alimentos, etc. NÍVEL DE PROTEÇÃO III CLASSIFICAÇÃO DA ESTRUTURA TIPO DE EDIFICAÇÃO Estruturas comuns Fazendas e estabelecimentos agropecuários com estruturas de alvenaria. EFEITOS DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS Risco indireto de incêndio e tensões de passo perigosas. Risco indireto devido à interrupção de energia, e risco de vida para animais devido a perda de controles eletrônicos, ventilação, temperatura, suprimento de alimentos, etc. OBS.: No caso de edificações muito perigosas (inflamáveis, produtos tóxicos, explosivos, etc.) deve ser consultado um especialista para análise do grau de periculosidade, perigo para a vizinhança, determinar a área de inalação de gases e até onde a ignição poderá ser iniciada, etc. Um sistema de proteção contra descargas atmosféricas tem como objetivo blindar uma estrutura, seus ocupantes e seus conteúdos, dos efeitos térmicos, mecânicos e elétricos associados com os relâmpagos. O sistema atua de modo que a descarga atmosférica possa entrar ou sair do solo sem passar através das partes condutoras da estrutura ou através de seus ocupantes danificando-os ou causando acidentes. Um sistema de proteção contra relâmpagos não impede que o relâmpago atinja a estrutura; ele promove um meio para controlar e impedir danos através da criação de um caminho de 20
  22. 22. baixa resistência elétrica para a corrente elétrica fluir para o solo. A idéia de proteger prédios e outras estruturas dos efeitos diretos dos relâmpagos através do uso de condutores foi pela primeira vez sugerida cerca de dois séculos atrás por Benjamin Franklin. Os principais componentes de um sistema de proteção contra relâmpagos são: Captores – Conhecidos como pára-raios, eles são hastes condutoras rígidas montadas em uma base com o objetivo de capturar o raio. Eles devem ser instaladas nos pontos mais altos da estrutura. Algumas vezes, estas hastes são interligadas através de condutores horizontais. Condutores de Descida – Cabos que conectam os captores aos terminais de aterramento. Terminais de Aterramento – Condutores que servem para conectar os condutores de descida ao solo. Eles são tipicamente condutores de cobre ou revestidos com cobre enterrados no solo. O nível de aterramento é bastante dependente das características do solo. Condutores de Ligação Equipotencial – São condutores que visam igualar o potencial entra os diferentes condutores de modo a impedir descargas laterais. Descargas laterais, também conhecidas como correntes de sobretensão, são causadas por diferenças de potencial entre a corrente percorrendo o condutor e objetos próximos. Elas são o resultado da resistência finita dos condutores a passagem de corrente elétrica e a indução magnética. A zona de proteção de um sistema de proteção contra relâmpagos formado por um terminal aéreo é a região adjacente, a qual é substancialmente imune a incidência direta de relâmpagos. Os diversos métodos de implementar uma proteção contra descargas atmosféricas diferenciam-se basicamente, pela forma de captar os raios, ou seja, é a aplicação do captor que definirá o método de proteção. No mundo inteiro existem vários métodos para se captar as descargas atmosféricas. No Brasil, os métodos mais conhecidos, que são aqueles recomendados pela ABNT na norma NBR 5419/93, são os seguintes: Método de Franklin; Método de Faraday; Método Eletrogeométrico. 21
  23. 23. MÉTODO DE FRANKLIN Este método considera a zona de proteção representada por um cone ao redor do terminal aéreo tendo um raio no solo função do ângulo de proteção (α). α Este ângulo depende do nível de proteção desejado e da altura da estrutura, conforme pode ser observado na tabela a seguir: NÍVEL DE PROTEÇÃO h<20 (m) 20<h<30 (m) 30<h<45 (m) 45<h<60 (m) I 25o * * * II 35o 25o * * III 45o 35o 25o * IV 55o 45o 35o 25o Estruturas cujo nível de proteção desejado e a correspondente altura, estejam assinalados por um asterisco (*), não devem ser protegidas pelo método de Franklin. Isto se deve ao fato de que muitas estruturas altas, protegidas por este método, recebiam descargas laterais. Os ângulos de proteção e as correspondentes alturas máximas, para o nível de proteção IV, são mostrados, de forma esquemática, na figura a seguir: 22
  24. 24. A seguir pode-se observar alguns exemplos de aplicação deste método. Captor único sobre estrutura. 23
  25. 25. Dois captores protegendo a estrutura sobrepondo suas zonas de proteção. Estrutura protegida por cabo pára-raios, isto é, um cabo que realiza a função de captor. Um condutor horizontal tem a mesma eficiência que uma haste da mesma altura que se desloca ao longo do condutor. Na figura seguinte pode-se observar mais um exemplo deste tipo de proteção e como determinar a zona de proteção. 24
  26. 26. Na prática, o condutor esticado adquire a forma de uma catenária, dificultando a obtenção da zona espacial de proteção. Este fato deve ser levado em conta na execução do projeto de um SPDA. 25
  27. 27. No Método de Franklin podem ser usados como captores hastes metálicas de diversas alturas ou cabos estendidos horizontalmente. Quando se utiliza hastes, esta normalmente apresentam uma terminação vulgarmente denominada de pára-raios Franklin. Pára-raios Franklin MÉTODO DE FARADAY Este método tem como princípio básico a utilização de condutores horizontais em forma de anel para realizar a captura dos raios. Estes condutores em anel, formam uma malha ou gaiola, advindo dai o nome Gaiola de Faraday. A Gaiola de Faraday é o método mais utilizado na Europa, além de se consistir numa proteção muito eficiente. O princípio básico é que a “gaiola” é formada por várias quadrículas de condutores, ou sejam, anéis, que evitarão a penetração do raio no interior da estrutura. Faraday demonstrou que quando as correntes uniformemente distribuídas passam pela “gaiola”, o campo magnético no interior da mesma é nulo. Quando as correntes não são uniformes o campo no seu interior não é nulo, mas muito pequeno. O raio ao cair na estrutura, não produz uma dissipação uniforme. Por este motivo ocorrem induções internas devido à variação do campo magnético existente no interior da gaiola. A proteção devido à Gaiola de Faraday se dá porque as correntes induzidas nas quadrículas criam campos magnéticos de oposição, levando o raio para as bordas da malha, obrigando-o a fluir para o cabo de descida. Quanto mais malhada for a “gaiola”, melhor a blindagem e portanto, melhor a proteção. 26
  28. 28. As dimensões das quadrículas da Gaiola de Faraday foram determinadas empiricamente, e são função do nível de proteção desejado. NÍVEL DE PROTEÇÃO MÓDULO DA MALHA (m) I 5x10 II 10x15 III 10x15 IV 20x30 A seguir são apresentados alguns exemplos de estruturas protegidas com este método. Recomenda-se que locais de antenas de TV, de rádio, antenas parabólicas, ou letreiros luminosos, sejam protegidos pelo método de Franklin. 27
  29. 29. Gaiola de Faraday Proteção de estrutura com 20 metros de altura e nível de proteção III. 28
  30. 30. Uma vez definida as características da malha captora da Gaiola de Faraday, deve-se definir a forma de sua instalação: Malha suspensa a 20 cm da cobertura; Malha apoiada sobre a cobertura; Malha embutida na laje da cobertura. Para diminuir a possibilidade dos condutores da malha captora serem danificados nos pontos de impacto, recomenda-se a instalação de pequeno captores verticais, denominados de terminais aéreos, com altura variando entre 30 e 50cm, separados ente si por uma distância variando de 5 a 8m ao longo dos condutores da malha. Terminal Aéreo de Fabricação TERMOTÉCNICA MÉTODO ELETROGEOMÉTRICO Neste caso, aplica-se a teoria conhecida como “teoria das esferas rolantes” ou “teoria das esferas fictícias”. Esta teoria é baseada no conceito de distância de atração, que é definida como a maior distância em que o raio será atraído pelo captor ou pela terra. Esta distância, que define o raio da esfera rolante, depende da corrente do raio. 29
  31. 31. Distância de Atração O método da esfera Rolante é o mais moderno, e consiste em fazer rolar uma esfera, por toda a edificação . A zona de proteção calculada por esta teoria é em geral menor que aquela obtida pela "teoria do cone de proteção" (Método de Franklin). 30
  32. 32. Esta esfera terá um raio definido em função do Nível de Proteção. NÍVEL DE PROTEÇÃO RAIO DA ESFERA (m) I 20 II 30 III 45 IV 60 Os locais onde a esfera tocar a edificação são os locais mais expostos a descargas. Resumindo poderemos dizer que os locais onde a esfera toca, o raio também pode tocar, devendo estes ser protegidos. 31
  33. 33. 32
  34. 34. 33
  35. 35. Método Eletrogeométrico - proteção de estruturas baixas 34
  36. 36. 4. AS DESCIDAS DO SPDA Recebem as correntes distribuídas pela captação encaminhando-as o mais rapidamente para o solo. Para edificações com altura superior a 20 metros têm também a função de receber descargas laterais, assumindo neste caso também a função de captação devendo os condutores ser corretamente dimensionados para tal. A condução das correntes até o solo deverá ser realizada de modo a não causar danos na estrutura protegida, manter os potenciais em um nível baixo e não produzir faiscamentos laterais com as estruturas metálicas próximas. O cabo de descida deve ser preferencialmente contínuo. Caso isto não seja possível, devem ser utilizadas soldas exotérmicas para realizar as conexões. CONEXÕES EXOTÉRMICAS As conexões exotérmicas utilizam o processo de aluminotermia. Através do uso de um pó exotérmico fundido em um molde de grafite. Após uma reação química, o pó transforma-se em uma liga de cobre formando a conexão da forma desejada para a soldagem de cobre com cobre, e cobre com outros metais. Conexão Exotérmica O pó exotérmico é constituído de uma mistura de óxido de cobre e alumínio, acondicionado em cartuchos de plástico. Cada cartucho contém o metal de ignição no fundo do tubo, com o metal de solda preenchendo o tubo até o topo. A forma final da conexão é fornecida pelo molde de grafite que, apesar de ser reutilizável, é específico para cada tipo de conexão. 35
  37. 37. Conexões Exotérmicas Conexões Exotérmicas 36
  38. 38. BITOLA DOS CABOS DE DESCIDA Como o raio produz aquecimento nos cabos de descida, os limites térmicos do cabo devem ser garantidos pelo dimensionamento adequado da sua bitola. A NBR 5419/93 prescreve o seguinte dimensionamento para estes cabos, em função do material utilizado: MATERIAL BITOLA Cobre 16 mm2 Alumínio 25 mm2 Aço 50 mm2 Em termos de efeito térmico, estas bitolas estão superdimensionadas, entretanto garantem a resistência dos condutores aos efeitos mecânicos. NÚMERO DE DESCIDAS Quando a corrente do raio flui pelos cabos de descida, é gerado ao seu redor um campo magnético variável que induz tensão nos materiais condutores vizinhos. Para atenuar as correntes induzidas nos materiais condutores vizinhos e reduzir o risco de centelhamentos e o aparecimento de tensões perigosas, deve-se distribuir, o mais uniformemente possível, os cabos de descida. A distribuição reduz o efeito térmico e também proporciona uma redução nos campos magnéticos induzidos no interior da estrutura minimizando assim, as interferências nos equipamentos eletrônicos sensíveis (EES). A NBR 5419/93 recomenda os seguintes espaçamentos médios entre os diversos condutores de descida, em função do nível de proteção desejado: 37
  39. 39. NÍVEL DE PROTEÇÃO ESPAÇAMENTO MÉDIO (m) I 10 II 15 III 20 IV 25 Desta forma, verifica-se que o número de descidas é resultante da divisão do perímetro da estrutura pelo espaçamento indicado na norma. Recomenda-se que se utilize, pelo menos, duas descidas sempre que possível. SUPERFÍCIES EQUIPOTENCIAIS Devido às diferenças de potenciais que aparecem ao longo do cabo de descida e às tensões induzidas nos condutores adjacentes, podem surgir, no interior da estrutura, danos materiais (perfuração devido ao centelhamento) e pessoais (choque elétrico). Além disso, os cabos de descida nem sempre formam uma distribuição uniforme e simétrica, bem como as correntes que os percorrem também não são idênticas, desta forma, a descarga pode gerar potenciais distintos em uma mesma altura da estrutura. Portanto, é conveniente interligar todos os cabos de descida por um condutor horizontal próximo ou junto ao solo e a cada 20m de altura. 38
  40. 40. Mais precisamente, a ligação equipotencial de ser efetuada: No subsolo, ou próximo ao nível do solo. Os condutores de ligação equipotencial devem ser conectados a uma barra de ligação equipotencial, construída e instalada de modo a permitir fácil acesso para inspeção. Essa barra de ligação equipotencial deve estar conectada ao sistema de aterramento. Em grandes estruturas podem ser instaladas mais de uma barra de ligação equipotencial, desde que elas sejam interligadas. Acima do nível do solo. Em intervalos de 20m, para estruturas com mais de 20m de altura. As barras de ligação equipotencial devem ser conectadas ao anel horizontal que interliga os condutores de descida. A equalização de potencial constitui a medida mais eficaz para reduzir os riscos de incêndio, explosão e choques elétricos dentro da estrutura protegida. Esta equalização é obtida mediante 39
  41. 41. condutores de ligação equipotencial ou supressores de surto interligando, dentro do volume a proteger, o SPDA aos seguintes pontos: Armação metálica da estrutura; Instalações metálicas; Massas; Sistemas elétricos; Sistemas eletrônicos; Sistemas de telecomunicações. Caso uma ligação equipotencial deva suportar uma parte substancial da descarga atmosférica, as seções mínimas deverão estar de acordo com a tabela a seguir: MATERIAL BITOLA Cobre 16 mm2 Alumínio 25 mm2 Aço 50 mm2 Caso uma ligação equipotencial deva suportar apenas uma porção insignificante da descarga atmosférica, as seções mínimas deverão estar de acordo com a tabela a seguir: MATERIAL BITOLA Cobre 6 mm2 Alumínio 10 mm2 Aço 16 mm2 40
  42. 42. Ligação Equipotencial PROXIMIDADE DO SPDA DE OUTRAS ESTRUTURAS Nos materiais condutores vizinhos aos cabos de descida e distanciados da superfície de equalização, o campo magnético gerado pela passagem da corrente do raio nos condutores de descida, pode induzir tensões que provocam centelhamento pelo ar ou pelo interior das paredes da estrutura. Este centelhamento, além de perigoso para o ser humano, pode também provocar incêndios. 41
  43. 43. Para evitar centelhamentos perigosos quando uma ligação equipotencial não pode ser efetuada, a distância de separação entre os condutores do SPDA e as instalações metálicas, massas e condutores dos sistemas elétrico, eletrônico e de telecomunicação deve ser aumentada em relação a distância de segurança “d”: ds ≥ l k k kd m c i= Onde: ki = depende do nível de proteção escolhido (Tabela 1 a seguir) km = depende do material de separação (Tabela 2 a seguir). kc = depende da configuração dimensional (Figuras 1, 2 e 3 a seguir). l = é o comprimento do condutor de descida, em metros, compreendido entre o ponto em que se consideram a proximidade e o ponto mais próximo da ligação equipotencial. 42
  44. 44. NÍVEL DE PROTEÇÃO ki I 0,1 II 0,075 III e IV 0,05 Tabela 1: Valores do coeficiente ki MATERIAL km Ar 1 Sólido 0,5 Tabela 2: Valores do coeficiente ki Figura 1 43
  45. 45. Figura 2 Figura 3 Em caso de estruturas com nível de proteção IV, costuma-se adotar a distância mínima de 0,5m entre o cabo de descida e as janelas ou portas metálicas. MUDANÇA DE DIREÇÃO DO CABO DE DESCIDA Os condutores de descida devem seguir o menor percurso possível, buscando-se sempre caminhos retos e verticais, de modo a evitar o acoplamento mútuo no próprio cabo. Se características arquitetônicas da estrutura não permitirem um trajeto adequado do cabo de descida, trajetos com curvas fechadas só serão permitidos se a distância “d” satisfizer as mesmas condições verificadas para a proximidade do SPDA de outras estruturas, ou seja: 44
  46. 46. ds ≥ l k k kd m c i= onde: s = distância de separação; ki = depende do nível de proteção escolhido; km = 0,5; kc = depende da configuração dimensional (em geral, kc =1); l = comprimento do condutor (ver Figura a seguir); Cada condutor de descida (com exceção das descidas naturais) deve ser provido de uma conexão de medição, instalada próximo ao ponto de ligação ao eletrodo de aterramento. A conexão deve ser desmontável por meio de ferramenta, para efeito de medições elétricas, mas deve permanecer normalmente fechada. 45
  47. 47. 5. ATERRAMENTO PARA UM SPDA Para assegurar a dispersão da corrente de descarga atmosférica na terra sem causar sobretensões perigosas, o arranjo e as dimensões do sistema de aterramento são mais importantes que o próprio valor da resistência de aterramento. Entretanto, recomenda-se uma resistência da ordem de 10Ω, como forma de reduzir os gradientes de potencial no solo e a probabilidade de centelhamento perigoso. Do ponto de vista da proteção contra descargas atmosféricas, um sistema de aterramento único e integrado à estrutura constitui a melhor solução e assegura uma proteção completa (isto é, proteção contra descargas atmosféricas, proteção das instalações elétricas de baixa tensão, dos sistemas eletrônicos a de telecomunicação). Sistemas de aterramento distintos devem ser interligados através de uma ligação eqüipotencial. Os seguintes tipos de eletrodo de aterramento podem ser utilizados: a) condutores em anel; b) hastes verticais ou inclinadas; c) condutores horizontais radiais; d) armações de aço das fundações. Eletrodos em forma de placas ou pequenas grades devem ser evitados, por razões de corrosão. É preferível instalar vários eletrodos adequadamente distribuídos, a um eletrodo mais longo. Eletrodos de aterramento, profundos são adequados para solos em que a resistividade diminua com a profundidade, e onde as camadas de baixa resistividade. ocorram a profundidades maiores do que aquelas em que normalmente são cravadas as hastes de aterramento. 46
  48. 48. SISTEMAS DE ATERRAMENTO PARA CONDIÇÕES NORMAIS Para condições normais, aplicam-se dois arranjos de eletrodos de aterramento: Arranjo A: Este arranjo é composto de eletrodos radiais ou verticais, sendo indicado para solos de baixa resistividade e pequenas estruturas. Cada condutor de descida deve ser conectado, no mínimo, a um eletrodo distinto, radial ou vertical (ou inclinado). Devem ser instalados, no mínimo, dois eletrodos. O comprimento mínimo de cada eletrodo deve ser igual a: a) I1 - Para eletrodos horizontais radiais: b) 0,5 I1 - Para eletrodos verticais (ou inclinados). sendo I1 o comprimento mínimo dos eletrodos radiais, obtido da equação: 58,903,01 −= ρI ρ é a resistividade do solo em Ω.m. Notas: a) Quando se utilizar uma combinação destes dois tipos de eletrodo, deve-se considerar o comprimento total. b) Em solos de baixa resistividade, os comprimentos mínimos calculados podem ser desconsiderados, desde que se obtenha uma resistência de aterramento inferior a 10Ω. c) Estes tipos de eletrodos de aterramento requerem cuidados quanto às tensões de passo e de contato, caso o local apresente risco para pessoas ou animais. As tensões de passo podem ser reduzidas aumentando-se a profundidade dos eletrodos horizontais, ou a profundidade do topo dos eletrodos verticais; as tensões de contato podem ser minimizadas mediante equalização de potencial. Arranjo B: Este arranjo é composto de eletrodos em anel ou embutidos nas fundações da estrutura. O raio médio geométrico r da área envolvida pelo eletrodo não deve ser inferior ao valor de I1 (conforme calculado anteriormente). Quando o valor exigido para I1, for maior que o valor calculado de r, devem ser acrescentados eletrodos cujos comprimentos são dados por: a) Para eletrodos horizontais: rIIh −= 1 b) Para eletrodos verticais: 2 1 rI Iv − = 47
  49. 49. ATERRAMENTO PARA CONDIÇÕES PARTICULARES Em estruturas não providas de SPDA externo, deve ser instalado, para aterramento do SPDA interno, no mínimo, um eletrodo horizontal de comprimento I1, ou um eletrodo vertical (ou inclinado) de comprimento 0,5.I1. A ligação equipotencial principal deve estar aterrada nesse mesmo eletrodo. INSTALAÇÃO DE ELETRODOS DO ATERRAMENTO Com exceção dos eletrodos de aterramento naturais, os eletrodos de aterramento devem ser instalados externamente no volume a proteger, a uma distância de l m das fundações da estrutura. Eletrodos de aterramento formados de condutores em anel, ou condutores horizontais radiais, devem ser instalados a uma profundidade, mínima de 0,5m. Nos eletrodos radiais, o ângulo entre dois condutores adjacentes não deve ser inferior a 60o . Hastes de aterramento verticais (ou inclinadas) instaladas em paralelo devem ser uniformemente distribuídas no perímetro da estrutura, espaçadas entre si por uma distancia não-inferior à sua profundidade de cravação no solo. A profundidade e o tipo dos eletrodos de aterramento devem ser escolhidos de forma a minimizar os efeitos da corrosão, do ressecamento e congelamento do solo, e assim estabilizar a resistência de aterramento equivalente. Até 1m de profundidade, hastes de aterramento verticais são ineficazes em caso de congelamento do solo. Em solos de rocha viva, aplica-se somente o arranjo de aterramento B. ELETRODOS DE ATERRAMENTO NATURAIS As armações de aço embutidas nas fundações das estruturas, apresentando as características adequadas indicadas na NBR 5419, podem ser utilizadas como eletrodo de aterramento, nas seguintes condições: a) as armações de aço das estacas, dos blocos de fundação e das vigas baldrames devem ser firmemente amarradas com arame torcido em cerca de 50% de seus cruzamentos. As barras horizontais devem ser soldadas, ou sobrepostas por, no mínimo 20 vezes seu diâmetro e firmemente amarradas com arame torcido; b) em alternativa, pode ser acrescentada às armações da fundação para servir como eletrodo uma barra de aço de construção, com diâmetro mínimo de 10mm, ou uma fita de aço de 25mm x 4mm disposta com a largura na posição vertical, formando um anel em todo o perímetro da estrutura. A camada de concreto que envolve estes eletrodos deve ter uma espessura mínima de 5cm; c) as armações de aço das fundações devem ser interligadas com as armações de aço dos pilares da estrutura, utilizados como condutores de descida naturais, de modo a assegurar a continuidade elétrica; d) o eletrodo de aterramento natural assim constituído deve ser conectado à ligação equipotencial principal através de uma barra de aço com diâmetro mínimo de 10mm, ou uma fita de aço de 25mm x 4mm, soldada às armações de aço das fundações; e) os eletrodos de aterramento de fundação devem ser instalados de modo a permitir inspeção durante a construção. 48
  50. 50. 6. EQUIPAMENTOS PARA UM SPDA Os materiais utilizados devem suportar, sem danificação, os efeitos térmicos eletromecânicos das correntes de descarga atmosférica, bem como os esforços acidentais previsíveis. Os materiais e suas dimensões devem ser escolhidos em função dos riscos de corrosão da estrutura a proteger e do SPDA. As dimensões mínimas dos materiais do SPDA, indicados nesta apostila, podem ser aumentados em função de exigências mecânicas ou de corrosão. Os riscos de corrosão provocada pelo meio ambiente, ou pela junção de metais diferentes, devem ser cuidadosamente considerados no projeto do SPDA. CAPTORES 49
  51. 51. ISOLADORES 50
  52. 52. MASTROS, POSTES E TORRES 51
  53. 53. 52
  54. 54. 53
  55. 55. 54
  56. 56. ACESSÓRIOS DIVERSOS 55
  57. 57. 7. SISTEMAS DE PROTEÇÃO ESPECÍFICOS SUPRESSORES DE SURTO Um sistema de proteção contra relâmpagos pode também incluir componentes para prevenir danos causados por efeitos indiretos dos relâmpagos, tais como supressores de surtos. A atividade de relâmpagos próximos a um local, incluindo relâmpagos dentro das nuvens e entre nuvens, pode causar surtos de tensão, conhecidos como sobretensões ou transientes, que podem afetar linhas de tensão, cabos telefônicos ou de dados, e instrumentação em geral. Os surtos de tensão são aumentos momentâneos na tensão normal de um sistema, causados pêlos efeitos eletromagnéticos associados aos relâmpagos. Os supressores de surtos podem ser adicionados a um sistema de proteção contra relâmpagos para proteger os equipamentos eletrônicos contra sobretensões. Existem diversos tipos de supressores, entre eles centelhadores à ar, centelhadores à gás, varistores e diodos zener. Em várias aplicações é necessário o uso combinado de mais de um tipo de supressor, formando um circuito de proteção. Os supressores de surto devem ser instalados o mais próximo possível dos equipamentos protegidos. Se o módulo protetor estiver a mais de 100m do equipamento protegido, é necessária a instalação de um segundo módulo protetor próximo aos terminais de entrada/saída do equipamento eletrônico. De qualquer forma, os protetores devem ser devidamente aterrados para que possam desempenhar com eficiência as suas funções protetoras. A figura a seguir ilustra a aplicação dos supressores de surto. 56
  58. 58. SUPRESSORES DE SURTO PARA CIRCUITOS DE ENERGIA São encontrados módulos supressores de surto para circuitos monofásicos, bifásicos e trifásicos. Devem ser observadas as seguintes recomendações: Os módulos protetores devem ser instalados nas proximidades dos equipamentos eletrônicos, em paralelo com seu circuito de alimentação, sempre após o disjuntor de proteção de sobrecorrente. Se houver falha do módulo protetor, ou quando este atingir seu tempo de vida útil, pode ocorrer um curto-circuito monopolar à terra cujo sistema deverá ser interrompido pela ação do disjuntor de proteção de sobrecorrente. A vida útil dos módulos protetores depende do fabricante, do tipo e do tipo e intensidade dos surtos que o atingem. Selecionar os módulos protetores em função do valor máximo da energia transitória dissipada com onda 8x20µs, ou ainda, em função do nível de proteção desejado, selecionar um protetor que suporte um elevado valor de corrente para uma onda 8x20µs quando for desejada uma proteção duradoura e mais eficaz. A figura a seguir apresenta o protetor contra surtos VCL da CLAMPER: Suas principais características são as seguintes: Grande capacidade energética. Suporta correntes de surto de até 40.000A em elevados valores de sobretensão transitória; Tempo de atuação da ordem de nanossegundos (bilionésimos de segundo), compatível com os mais modernos equipamentos eletrônicos; Facilmente instalável no quadro de distribuição de energia (junto aos disjuntores) nas residências, escritórios e indústrias, oferecendo proteção para os aparelhos conectados aos circuitos oriundos daquele quadro; Possui dispositivo de proteção interna contra eventuais acidentes na rede elétrica, atuando tanto por sobrecorrentes quanto por sobretemperatura; Indicador de operação através de sinalização luminosa local bicolor; Pode atuar centenas ou milhares de vezes sem necessidade de ser substituído ou religado. 57
  59. 59. As sobretensões transitórias e instantâneas de elevada amplitude são conduzidas através da rede de alimentação para as instalações elétricas industriais e domésticas. A supressão destas sobretensões evita a sua propagação na rede elétrica interna e conseqüentemente evita os eventuais danos que podem ser causados aos equipamentos eletro-eletrônicos conectados a ela. Conforme prevê a ABNT NBR 5410/97 esta supressão deve ser proporcionada por dispositivos apropriados de proteção contra sobretensões. O supressor de surto é um protetor contra sobretensões transitórias, para instalação em quadros de distribuição de energia elétrica de residências, escritórios e áreas industriais. Integra um elemento supressor de alta capacidade de dreno de corrente (Varistor de Óxido Metálico de até 80 KA @ 8x20 microsegundo) e um dispositivo térmico de segurança que desconecta o elemento supressor da rede se, eventualmente, o protetor foi submetido a distúrbios acima de sua capacidade ou acidentes na rede elétrica. O supressor de surto VCL da CLAMPER pode ser utilizado em circuitos monofásicos, bifásicos e trifásicos, conforme diagrama esquemático abaixo: É facilmente instalado nos quadros de distribuição e oferece proteção para todos os equipamentos eletro-eletrônicos conectados aos circuitos oriundos deste quadro. Sua concepção mecânica permite montá-lo com fixação rápida sobre trilho padronizado de 35mm ou em garras. 58
  60. 60. Exemplo de quadro de distribuição trifásico (Sistema TN-S) Dimensões: Dados Técnicos: Tipos Valores Máximos (TA = 85ºC) Características (TA = 25ºC) Clamping VCL VRMS (V) VDC i Max. 8 x 20 µs WMax. 2 ms Vv 1mA ∆Vv 1mA V i C tip 1KHz 175V 8KA 175 225 V 8000 A 98 J 270 V +/- 10% 455 100A 1000pF 275V 8KA 275 350 V 8000 A 151 J 430 V +/- 10% 710 100A 630pF 440V 8KA 440 585 V 8000 A 185 J 715 V +/- 10% 1180 100A 400pF 175V 40KA 175 225 V 40000 A 325 J 270 V +/- 10% 455 300A 4300pF 275V 40KA 275 350 V 40000 A 550 J 430 V +/- 10% 710 300A 2700pF 440V 40KA 440 585 V 40000 A 950 J 715 V +/- 10% 1180 300A 1700pF Modelos com capacidade de dreno de corrente de 16.000 ou 80.000 Ampères sob consulta. 59
  61. 61. SUPRESSORES DE SURTO PARA LINHAS TELEFÔNICAS Como as linhas telefônicas são, muitas vezes, o meio de comunicação de dados em informática, é necessário bloquear a penetração de transitórios através delas. Isto pode ser feito utilizando um módulo protetor em série com o equipamento protegido, instalado em suas proximidades. Devem ser observadas as seguintes recomendações: Selecionar o módulo protetor em função da classe de tensão que pode variar entre 25 e 150V em corrente contínua; Observar que, logo após a atuação, o módulo protetor regenera as condições normais da linha telefônica; Um só módulo protetor pode proteger várias linhas telefônicas, de acordo com o modelo adotado; Da mesma forma que a proteção de linhas elétricas, selecionar os módulos protetores em função do valor máximo da energia transitória dissipada com onda 8x20µs, ou ainda, em função do nível de proteção desejado, selecionar um protetor que suporte um elevado valor de corrente para uma onda 8x20µs quando for desejada uma proteção duradoura e mais eficaz. SUPRESSORES DE SURTO DIVERSOS Outros tipos de protetores também estão disponíveis no mercado. Alguns tipos são relacionados a seguir: Proteção contra surtos transitórios elétricos para equipamentos eletro-eletrônicos conectados à cabos coaxiais; Proteção contra surtos transitórios elétricos para equipamentos eletro-eletrônicos conectados à LAN Ethernet; 60
  62. 62. Proteção contra surtos transitórios elétricos para equipamentos eletro-eletrônicos conectados à linhas de sinais de controle e alimentação; Proteção contra surtos transitórios elétricos para equipamentos eletro-eletrônicos conectados à linhas telefônicas discadas (LD); Proteção contra surtos transitórios elétricos para equipamentos eletro-eletrônicos conectados à linhas privativas de comunicação de dados (LPCD), interfaces RS-422 e RS- 485; 61
  63. 63. Proteção contra surtos transitórios elétricos para transmissores montados no campo conectados à linhas de sinais de controle e supervisão; Proteção contra surtos transitórios elétricos para equipamentos eletro-eletrônicos conectados à linhas de dados de interface RS-232-C; 62
  64. 64. PROTEÇÃO DE ESTRUTURAS METÁLICAS Para o caso de edificações com algum tipo de estrutura metálica – sejam colunas, estruturas do telhado ou as próprias telhas, tem-se um pequeno paradoxo: devido à sua natureza, são grandes atratoras de raios e, portanto, potencialmente mais perigosas; entretanto, dispensam a adição de componentes, e, desde que devidamente aterradas, são as mais seguras possíveis. Por estrutura metálica, definimos não apenas elementos estruturais propriamente ditos, mas também quaisquer elementos metálicos de porte suficiente e em posições tais que possam que possam interagir com a queda do raio e/ou sua condução à terra. Assim, podemos ter: telhas metálicas estruturas metálicas de suporte das telhas (sejam estas metálicas ou não) colunas metálicas elementos diversos: rufos metálicos, escada tipo marinheiro, tubulações expostas, etc. Pode-se então definir os seguintes casos, conforme a ocorrência de cada elemento metálico: Caso Telhas Metálicas Estruturas Metálicas Colunas Metálicas I sim não não II não sim não III não não sim IV sim sim não V não sim sim VI sim sim sim Obs: não é comum encontrar-se telhas e colunas metálicas sem estrutura metálica. Captação dos raios Nos casos I e IV, se as telhas tiverem espessura igual ou maior que 2mm (para o aço, e 4 mm para o alumínio), o telhado é considerado autoprotegido e não há necessidade de nenhuma providência extra para captar os raios. Já para as telhas que tiverem espessura menor que o indicado acima, poderão haver perfurações pelos raios de maior intensidade, mas as correntes serão conduzidos sem problemas. O único risco é a formação de goteiras, o que, na maioria das vezes, é aceitável. 63
  65. 65. No caso de edifícios com conteúdos perigosos, deve-se levar em conta - e, conforme o caso, evitar - o fato do telhado ficar energizado, podendo ocasionar centelhas. Já nos casos II, V e VI, a estrutura metálica de sustentação costuma estar toda interligada, formando, assim, uma gaiola de Faraday natural no prédio. Cuidados com as telhas não metálicas: as telhas não metálicas estão fora do volume de proteção, o que significa que poderão ser atingidas pelos raios; o risco é a quebra das telhas e queda de alguns cacos dentro da estrutura. A norma VDE considera esse risco muito baixo, porque a maioria dos raios cairá nas peças metálicas de fixação das telhas. Se for desejado reduzir ainda mais o risco, pode- se instalar hastes verticais de 30 a 50cm, ligadas à estrutura e distanciadas de 5 a 8m; exagerando os cuidados, poderia ser instalada uma malha de condutores (10 x 15 a 10 x 20m) ligada à estrutura. Se as telhas não forem suficientemente fortes para suportar o deslocamento de ar no instante do impacto do raio, podem ser colocadas hastes captoras com altura e espaçamento calculados de acordo com o nível de proteção elegido. Para o caso III, não existe captação natural, o que exige a instalação de captores verticais (Eletrogeométrico) ou horizontais (gaiola de Faraday). Descidas Para os casos III, V e VI, as colunas metálicas devem ser utilizadas como descidas naturais, aterradas na base e ligadas, no alto, com a estrutura metálica ou telhas metálicas ou, ainda, com os captores (no caso de teto não metálico). Nos casos I, II e IV, no entanto, é necessária a instalação de descidas convencionais. Há uma preocupação popular infundada contra a utilização de colunas metálicas como descidas, devido ao perigo das tensões de toque. É claro que estas existirão, mas deve-se notar que e o raio descerá pela coluna metálica, querendo-se ou não. O tubo de PVC, geralmente instalado na base de descidas por cabos, NÃO é bom isolante, tendo como funções unicamente a proteção mecânica do cabo e um acabamento estético; Assim, o lógico é utilizar as colunas como descidas, proceder ao aterramento das mesmas, de preferência com um anel de contorno e, se necessário, tomar as providências para prevenir tensões de toque, mantendo as pessoas afastadas através de avisos. Aterramento Nos casos I, II e IV, executar o aterramento conforme já descrito; nos demais, todas as colunas devem ser interligadas ao anel de terra, exceto quando o espaçamento entre elas for bastante pequeno. Convém salientar novamente a conveniência da utilização (criteriosa) das armações das fundações de concreto normalmente utilizadas para colunas metálicas. 64
  66. 66. PROTEÇÃO DE ESTRUTURAS DE CONCRETO Como uma extensão natural do uso da estrutura metálica para captação, condução e dispersão da corrente dos raios no solo, técnica muito utilizada nos Estados Unidos, surgiu a idéia de se utilizar a ferragem do concreto armado com a mesma finalidade. Para o raio, é como se o concreto não fizesse muita diferença, ou seja, o raio "enxerga" toda a ferragem da armadura do concreto de um prédio como se fosse uma estrutura metálica. Concreto Armado Quando cai um raio sobre um prédio, as correntes que vão passar pelo primeiro condutor atingido - captor ou descida (esta no caso de descarga lateral em prédios altos) - serão da ordem de dezenas ou centenas de kA, com duração total da ordem de ms e com freqüências elevadas, com componentes de dezenas de kHz até alguns MHz, podendo-se pensar nos seguintes efeitos: aquecimento das barras arcos elétricos nas junções das barras efeito pelicular Esses efeitos preocupam os engenheiros civis, pois qualquer um deles, mesmo ocorrendo individualmente, poderia prejudicar a resistência do conjunto concreto-aço, que depende da aderência de um elemento ao outro. Aquecimento das Barras No caso das correntes do raio, o aquecimento é muito baixo em relação ao suportável pelo concreto armado. Se a ferragem for utilizada também para escoar correntes de curto circuito poder-se- ia ter, realmente, algum risco, pois o tempo passaria a ser bem maior e, com uma corrente de 10 ou 20 kA passando por 1 a 5 segundos, a elevação da temperatura pode provocar o destacamento da barra em relação ao concreto. Arcos nas Junções Os arcos elétricos nas junções das barras constituem o maior risco quando se utilizam as ferragens para condução da corrente do raio, principalmente nas descidas e, em especial, nos cantos das edificações. De fato, a maior incidência dos raios é mesmo nos cantos dos prédios, e a divisão das correntes é tal que, pela descida correspondente, desce cerca de 50% da corrente, o que corresponde a valores de 50 a 125 kA para os diversos níveis de proteção (usa-se, para efeito de cálculo, 250 kA para o nível I, 150 kA para o nível II e 100 kA para os níveis III e IV, segundo a IEC). Na prática convencional, ao longo das colunas de concreto armado, as barras são amarradas entre si pelos estribos através de arame recozido, sem a preocupação de obtenção de bom contato elétrico e, nas emendas das barras, não há nem necessidade dessa amarração. Para obtenção da resistência mecânica desejada da coluna de concreto é até conveniente que o cimento entre em contato 65
  67. 67. com toda a secção do aço, ou seja, se a amarração for feita ela não precisa ser firme; a finalidade é apenas manter a ferragem no local durante a fundição do concreto. Quando a corrente do raio passar de uma barra a outra com um mal contato entre elas, surgirá um arco elétrico, que provocará a rápida evaporação da água contida no concreto e sua conseqüente explosão, com possíveis riscos para a integridade da coluna. Deve-se providenciar, pois, uma boa amarração através dos estribos, para se ter uma divisão da corrente entre as barras verticais das colunas e, também, uma amarração firme entre as barras verticais ao longo da coluna, com resistência elétrica inferiores a 10 ohms, para que não hajam arcos elétricos. Ao longo da coluna teremos vários percursos em paralelo, pois as barras de cada coluna são interligadas pelos estribos a cada 10 a 15 cm e as exigências de continuidade em geral são satisfeitas. Dadas às dificuldades de um empreiteiro eletricista supervisionar o serviço de funcionários do empreiteiro das obras civis, é preciso treinar o pessoal ou usar barras adicionais dedicadas. De qualquer maneira, será necessário prover pontos de verificação da continuidade para que o pessoal encarregado da fiscalização possa verificá-la ao longo das colunas e entre estas e as lajes. Efeito Pelicular Como as correntes dos raios são de alta freqüência, com tendência, pois, a passar pela periferia do condutor, é de se pensar na possibilidade da barra de aço se soltar do concreto, diminuindo a resistência mecânica deste. Foram realizadas experiências com barras de ferro embutidas em blocos de concreto e submetidas à passagem de correntes de impulso. Os resultados mostraram que esse efeito não é de causar preocupações para a integridade das vigas e colunas de concreto armado. As Recomendações das Normas Com exceção da norma francesa, a grande maioria das normas permite a utilização das ferragens do concreto, exigindo apenas que haja continuidade elétrica, mas sem definir o limite superior da resistência elétrica, considerando que a amarração “normal”, “usual”, “comum”, “habitual” é suficiente. Consideram essas normas que, embora a resistência individual de cada conexão possa ser alta, serão muitas as conexões, e a corrente se dividirá de tal maneira que a possibilidade de dano como aqueles detectados em laboratório é muito pequena. A Execução Segura Dada a dificuldade do empreiteiro da obra civil em garantir a continuidade elétrica das conexões, por não ter pessoal acostumado a se preocupar com isso, e aos possíveis problemas de interferência de um empreiteiro eletricista verificando o serviço que está sob responsabilidade de outro empreiteiro, a melhor solução poderá ser a utilização de uma ferragem especial dedicada para o sistema de proteção. A ferragem dedicada será constituída por barras soldadas, unidas por conectores de aperto ou por buchas especiais, colocadas em todas as colunas e interligadas por outras barras colocadas nas vigas e nas lajes. Teremos assim, em cada piso de um edifício, uma "malha de terra" que uniformizará os potenciais de cada andar e à qual será ligada a barra de equalização principal dos potenciais (ou LEP) do andar. À LEP serão ligados os condutores PE ou PEN previstos pela NBR-5410 e os terminais terra dos protetores ligados aos condutores fase da instalação, quando forem necessários. Se a largura, no caso e edifícios industriais ou comerciais, for grande (> 40m), e se houver possibilidade de instalação de aparelhagem eletrônica sensível - um CPD, por exemplo - é conveniente a colocação de barras horizontais formando malhas de 10x10 a 10x15m. Dessa forma, poderão ser instaladas varias LEPs para um aterramento em malha. Se já se souber a área a ser ocupada pelo CPD, por exemplo, nessa parte a malha deverá ser mais fechada, usando-se telas soldadas tipo TELCON com malha 10x20 cm, por exemplo. 66
  68. 68. Os captores para esses casos poderão ser tanto de hastes (modelo de Franklin ou Eletrogeométrico) como cabos em malha (Faraday), e deverão ser ligados aos componentes do sistema adicional de modo a não causarem dano futuro ao concreto pela entrada de umidade ou corrosão. PROTEÇÃO DE ÁREAS CLASSIFICADAS As áreas classificadas são aquelas em que há vapores, gases, pós ou fibras em concentrações, temperaturas e, às vezes, umidade tais que uma faísca com uma energia superior a um dado valor pode causar incêndios ou explosões. Para que haja inflamação de uma mistura gás/ar ou vapor/ar é preciso que ocorram, simultaneamente, as seguintes condições: a concentração da mistura esteja na proporção correta para haver inflamação. Se a concentração for maior ou menor não haverá, pois, risco de incêndio ou explosão. Assim é que em postos de gasolina, que são sempre construídos em esquinas, embora haja vapor de combustível constantemente, há também uma ventilação permanente, que reduz a concentração a valores abaixo do mínimo para haver inflamação. É por esse motivo que raramente se houve falar em incêndio ou explosão em um posto de gasolina. Por outro lado, em um reservatório em que um gás é mantido sob pressão elevada não há risco de explosão, mesmo que haja faiscamentos dentro do reservatório ou elevação de temperatura em um ponto da parede. haja faíscas com energia suficiente para iniciar a inflamação da mistura ou elevação da temperatura acima de um dado valor. No caso dos raios, o canal do raio apresenta, no seu núcleo, temperaturas da ordem de milhares de graus Celsius, de modo que, se o canal atravessar uma área em que a concentração está na faixa de inflamação, haverá incêndio ou explosão. O raio, no ponto de impacto sobre uma chapa metálica, causará elevação da temperatura que se propagará ao longo da espessura da chapa, podendo chegar, no outro lado a valores suficientemente altos para causar a inflamação de uma mistura que tenha a concentração adequada e que esteja em contato com a chapa. Essa é a razão das Normas exigirem uma espessura mínima para a chapa com a qual são fabricados os tanques de combustível, por exemplo. No caso dos pós e fibras isolantes, é também importante a umidade relativa do ar: em uma atmosfera seca, facilmente as fibras de algodão, por exemplo, se inflamam, havendo vários exemplos de incêndios em armazéns ou fábricas que usam algodão em fibra. As áreas de risco de explosão ou de inflamação são denominadas pelas normas internacionais e brasileiras de áreas classificadas. A classificação das áreas em zonas é feita de acordo com a probabilidade de existência das condições favoráveis para inflamação ou explosão. A norma brasileira define as seguintes zonas: 67
  69. 69. • Zona 0 - gases e vapores continuamente em condições de inflamação • Zona I - gases e vapores periodicamente em condições de inflamação • Zona II - gases e vapores esporadicamente (em casos de acidentes ou falhas de manutenção) em condições de inflamação. • Zona 10 - pós e fibras continuamente em condições de inflamação. • Zona 11 - pós e fibras em condições de inflamação por períodos curtos. Na Zona 0, não podem ser usados equipamentos elétricos, salvo circuitos de sinalização ou controle com sensores especiais com “proteção intrínseca”, a qual garante que, em caso de defeito, os possíveis faiscamentos terão energia insuficiente para causar inflamação da mistura que pode estar em contato com o sensor. Nas outra zonas, os equipamentos elétricos deverão ter proteção adequada confirmada por ensaio de certificação. Cuidados Fundamentais Quando há uma descarga atmosférica, são gerados campos eletromagnéticos intensos, que podem gerar faiscamentos entre peças metálicas a potenciais diferentes. Além disso, como vimos, em tomo dos condutores de descida aparece o efeito corona, com faiscamentos que podem gerar explosões ou incêndios. Para reduzir as possibilidades de incêndios e explosões, indicamos, a seguir, as prescrições básicas a serem seguidas (Zonas I e II): evitar que o canal do raio atravesse uma zona em que haja gases ou vapores em condições de inflamação. o condutor de descida não deve atravessar uma área classificada em condições de inflamação. evitar a presença de peças metálicas a potenciais flutuantes nas proximidades de outras peças aterradas que possam produzir falseamentos dentro de áreas classificadas. evitar laços abertos formados por peças metálicas ou por condutores de circuitos que possam produzir falseamentos na distância livre que esteja em área classificada. considerar que alguns componentes de circuitos, como varistores, podem se aquecer tanto que a resina se inflama, ou mesmo explodem. Medidas a serem Adotadas na Proteção Externa Para proteção externa de edifícios ou estruturas com área classificada, a melhor solução é a proteção separada ou isolada, em que os captores e as descidas ficam cerca de 3m afastados do teto e das laterais da edificação. Assim mesmo, deve ser feita a equalização dos potenciais dentro das estruturas, e devem ser interligados os terras da estrutura e do sistema de proteção externa. Se não for possível fazer a proteção externa separada ou isolada, o edifício deve ser protegido pelo método da gaiola de Faraday, inclusive nas fachadas (malhas de 5x5 m), e devem ser tomados cuidados especiais como: As descidas não devem atravessar áreas classificadas como zonas I, II, 10 ou 11. Evitar que tubulações formem laços abertos em zonas I, II , 10 ou 11. Eliminar potenciais flutuantes e equalizar todos os potenciais. 68
  70. 70. Colocar componentes que possam se inflamar em envoltórios especiais para áreas classificadas. Instalar condutores em paralelo com todas as juntas de estruturas metálicas ("jampear") que possam conduzir a corrente do raio, se não houver continuidade elétrica. Medidas a serem Tomadas na Proteção Interna Confinação de todos os componentes que possam se inflamar ou explodir, por excesso de energia dissipada; Os protetores devem ser colocados em caixa à prova de explosão ou em outra proteção prevista nas normas de áreas classificadas; Verificação das proximidades das tubulações metálicas em relação às estruturas metálicas. Se houver risco de faiscamentos, providenciar o aumento da distância ou a sua eliminação, curto- circuitando. Observações: 1. As recomendações acima partem do princípio de que o encarregado do projeto de proteção contra descargas atmosféricas recebe uma planta da instalação já com a classificação das áreas feita por especialista. 2. Antes de se fazer a proteção de um estrutura com área classificada é necessário verificar se ela não é autoprotegida, para não colocar uma proteção desnecessária. Chamamos de autoprotegida uma estrutura que é capaz de suportar o impacto de um raio, conduzir as correntes resultantes e dissipá-las no solo pelo sistema natural de aterramento ou por aterramento especial. PROTEÇÃO DE PROPRIEDADES RURAIS À medida que as propriedades rurais vão se modernizando, tomam-se mais sensíveis às descargas atmosféricas e, em muitas delas, as conseqüências podem ser até mais danosas do que em prédios industriais. De fato, até a poucos anos atrás, só se pensava na possibilidade de uma estrutura rural, toda de madeira, ser destruída por incêndio provocado por um raio direto. Hoje, devemos pensar nos microcomputadores, microprocessadores, nos comandos automatizados de alimentação que estão sujeitos a riscos de danos maiores devido à maior exposição dos edifícios e das linhas de distribuição aos efeitos diretos e indiretos das descargas atmosféricas. Se a morte de algumas cabeças de gado quando há queda de raio no pasto já preocupava os fazendeiros, é fácil de imaginar os riscos a que estão expostas as cabeças de gado confinado quando a densidade passa de uma cabeça por hectare a 2000 cabeças por hectare. 69
  71. 71. Os criadores de frangos para corte, por exemplo, também podem sofrer prejuízos enormes com a parada da alimentação automática ou do sistema de ventilação. Um acidente na Áustria causou a morte de 14.000 frangos em crescimento, asfixiados pela parada dos ventiladores em decorrência de sobretensão devida a uma queda de raio nas proximidades. O Gado Solto A tensão de passo para o gado solto dificilmente pode ser reduzida a ponto de salvar o gado. Como o gado costuma se agrupar em torno das árvores deixadas no pasto para sombreamento, podemos proteger essas árvores com captores e descidas para reduzir o risco de descargas laterais e fazer um aterramento com potenciais distribuídos. Além dessa alternativa, a mais segura é recolher o gado para locais abrigados e, neles, reduzir a tensão de passo pela colocação de uma tela tipo Telcon (de malhas soldadas) no piso, a uma profundidade de 60cm ou mais. O Gado Confinado Neste caso, o risco é bem maior pela quantidade de cabeças de gado em uma área pequena e a solução a ser adotada é, novamente, a uniformização dos potenciais no solo. Isto pode ser conseguido pela colocação, a uma profundidade de 60cm ou mais, de uma tela de malhas soldadas e resistente à corrosão (pode ser de aço galvanizado, ou de cobre). A profundidade será escolhida por razões mecânicas: deve suportar, sem se romper, o peso das máquinas agrícolas que passarão pelo terreno, para remoção do estrume. A essa malha deverão ser ligadas todas as peças metálicas existentes no local, como os alimentadores de ração ou de água, além das cercas metálicas. Se o custo dessa malha em toda a área for considerado elevado, pelo menos os alimentadores e todas as peças metálicas deveriam ser aterradas e em suas proximidades (a 2m ou 2,5m) ser colocada a tela indicada acima. Com isto estaríamos equalizando os potenciais entre a cabeça e as patas (eliminando a tensão de toque na cabeça) e a tensão de passo (entre as patas dianteiras e traseiras). Se também isso ainda for considerado muito caro só restará ao criador fazer um seguro e/ou rezar... Já para as áreas externas, usadas para regime de semiconfinamento, pode-se instalar postes metálicos aterrados (ou captores nas árvores), espaçados de modo a proteger um plano de uns 2m acima do solo. Esta proteção evitará que o gado seja atingido diretamente pelos raios; para completá- la, os aterramentos dos postes deverão ser como os indicados anteriormente para as árvores. Caso contrário, estaremos evitando que o gado morra carbonizado mas não evitaremos uma morte por fibrilação. É verdade que, neste ultimo caso, teremos carne para churrasco por uni bom período de tempo... Aterramento das Cercas O arame das cercas fica carregado de eletricidade estática quando, sobre a área, paira uma nuvem tempestuosa; para descarregá-la, é suficiente aterrá-la de trechos em trechos (a cada 50m). Este aterramento não precisa ser muito "caprichado": não se trata de escoar a corrente do raio, mas de descarregar a eletricidade estática e, para isto, basta interligar os arames da cerca e ligar o arame de interligação a uma haste (cano de água galvanizado, cantoneira também de aço galvanizado, etc.) de comprimento 0,5m a 1m. A cada dois ou três aterramentos, é conveniente seccionar a cerca (para reduzir a eletricidade acumulada), seja por isoladores especiais encontrados na praça, seja por um pedaço de madeira de 30 a 50 cm, nas extremidades dos quais serão fixados os arames de interligação e aterramento de cada trecho. A outra alternativa é seccionar a cerca, interrompendo-a por dois mourões afastados de 30 a 50cm e aterrando cada trecho no mourão correspondente. Deve-se verificar periodicamente (2 a 3 anos) o estado das hastes, pois pode haver corrosão e o arame de aterramento ficar solto. 70
  72. 72. Galpões e Prédios As construções parcialmente metálicas e de concreto armado, destinadas a armazenamento de produtos não inflamáveis, poderão ser protegidas de acordo com o nível de proteção IV, o que equivale a usar o modelo eletrogeométrico com raio de atração de 60m. As construções de madeira deverão ser protegidas com o nível III - raio de atração de 45 m. Neste último caso, relembramos que deve ser mantida uma distância de, aproximadamente, 10cm entre os condutores de descida e as peças de madeira e que os captores devem ter mais de 2m de altura. A separação descidas/madeira pode ser feita com peças metálicas, que suportarão os condutores. Se não houver acesso constante de pessoas no interior das construções, o aterramento pode ser feito em cada descida - se a resistividade do solo for baixa (até 500 ohm.m) e em anel - se for alta. Se houver acesso constante de pessoas, ou se for uma construção que sirva de abrigo durante chuvas, deverá ser usado, necessariamente, o aterramento em anel. Se a largura for maior que 10 m, deve ser instalada uma malha interna de 10x10 m, ligada ao anel externo a cada 10m; se a largura for menor que 10m, basta instalar condutores transversais a cada 10m do anel. Nos estábulos, cocheiras, etc., deverá ser instalada uma tela Telcon de malha 10x20cm no piso, a 60cm de profundidade ou embutida no piso de cimento, pois os quadrúpedes estão muito mais sujeitos a acidentes pela tensão de passo, como visto anteriormente. Todas as peças metálicas internas deverão ser ligadas à malha de terra no ponto mais próximo, para evitar a passagem de corrente da cabeça para as patas, passando pelo coração. Os Aterramentos Uma prática usual nas fazendas é usar como eletrodo de terra um radiador velho de caminhão ou trator, enterrado a 2 ou 3m de profundidade. Encarrega-se alguém de despejar um balde de água por uma manilha, periodicamente. A água, saindo pelos furos (que o radiador velho certamente possui) manterá o terreno úmido e com baixa resistência. Este tipo de aterramento é usado quando se tem um ou dois pontos de terra (uma casa, um paiol). Fora disso, o aterramento deverá ser o normal: hastes ou condutores horizontais. Proteção Interna Como as linhas de baixa tensão são, em geral, longas e em campo aberto, as tensões induzidas são maiores que nas linhas urbanas. Para redução das sobretensões induzidas, devem ser colocados pára-raios de linha nas entradas das construções e a cada 150m ao longo da linha. Se houver comandos eletrônicos (microprocessadores, computadores), deverão ser usados protetores de segunda linha (varistores) próximos aos equipamentos. Os varistores deverão ser de 10 kA ou mais nas entradas, se não forem usados pára-raios, e de 5 kA ou mais se forem instalados pára- raios nas entradas. Dada a importância de ventiladores e motores para a continuidade de operação, estes também deverão ser protegidos com varistores de 5 kA ou mais. 71
  73. 73. PROTEÇÃO DE ÁREAS EXTERNAS Áreas Abertas As áreas abertas, em muitos casos, podem ser facilmente protegidas enquanto que, em outros, haverá um custo muito elevado. Quando o custo é grande, ou há limitações arquitetônicas ou ambientais, as normas de alguns países recomendam a colocação de cartazes com as instruções sobre os procedimentos a serem adotados em caso de trovoadas. Pátios de Estacionamento Estes locais devem ser protegidos porque as pessoas vão para os veículos (ou saem) mesmo quando está chovendo. Isto ocorre principalmente nos shopping centers, nos supermercados e lojas de departamentos. Como estes locais têm, normalmente, um sistema de iluminação com postes metálicos altos, bastará aterrá-los e verificar com a esfera fictícia de 30m de raio (Nível II) se as pessoas estarão protegidas. É importante ressaltar que a verificação é feita nas maiores distâncias entre os postes: se eles formam retângulos, a verificação deve ser feita na diagonal; se a distribuição for irregular a verificação deve ser feita a cada dois ou três postes. Para maior segurança, consideram-se as pessoas com 2m de altura e deixamos ainda uma "folga" de 2m, o que corresponde a adotar uma distância entre os postes tal que a esfera fictícia fique a 4m do solo. Outras alternativas, mudando a altura dos postes (ou colocando captores sobre eles), podem ser encontradas por cálculo manual ou computadorizado; a mudança da distância entre os postes só pode ser feita após verificação dos cálculos de iluminação. Se os postes forem metálicos, bastará aterrar a sua base, não sendo necessária a colocação de uma descida; se forem de concreto, o mais econômico será utilizar a sua ferragem, especificando uma continuidade elétrica das ferragens ao fabricante. Se os postes já estiverem comprados ou instalados, será conveniente a colocação de descidas externas, para evitar danos por descargas laterais ou por arcos nas conexões sem continuidade elétrica. Se houver necessidade de uma descida interna, deve-se fazer ligação entre ela e a ferragem no topo e no pé do poste, para evitar descargas entre elas. O condutor de descida é imprescindível em postes de madeira; neste caso ele pode ser fixado diretamente ao poste ou a uma pequena distância para evitar a queima da madeira pelo condutor aquecido ou pelo corona (normalmente a madeira não se inflama, ficando somente um pouco chamuscada). Parques Públicos Nestes parques, temos acesso de centenas e mesmo milhares de pessoas nos fins de semana e, principalmente no verão, podemos ter a ocorrência de tempestades de curta duração, mas que acontecem repentinamente. Assim, podemos ter duas possibilidades de proteção: 72 construir alguns abrigos protegidos, colocar avisos orientando as pessoas sobre as atitudes a serem adotadas no caso das tempestades e instalar um sistema de alarme (sirenes e ou alto- falantes).

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