Instalações Elétricas

Capítulo IV – Sistemas de Proteção contra Descargas

Atmosféricas (SPDA)

Eng.: Jorge Negri2016/1

Descargas Atmosféricas

Um raio nunca cai duas vezes no mesmo lugar... Mito ou Verdade?

Um raio nunca cai duas vezes no mesmo lugar... Mito ou Verdade?Em áreas de grande incidência, podem cair não somente dois, mas diversos raios. Prova disso é o Cristo Redentor, agraciado por seis raios por ano, em média, de acordo com o INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais) e o Empire State Building, em Nova York, que recebe 25 descargas, sendo que já aconteceu de o topo do prédio ser atingido oito vezes em apenas oito minutos...A chance de uma pessoa ser atingida diretamente por um raio é muito baixa, em termos estatísticos: é menor do que um para um milhão. O que não é motivo para baixar a guarda.

Um raio nunca cai duas vezes no mesmo lugar... Mito ou Verdade?A ocorrência de raios no Brasil é de 50 milhões por ano, segundo o INPE, o que faz do país o recordista mundial. A cada 50 mortes por raio no mundo, uma ocorre no Brasil. Ou seja: 130 brasileiros morrem dessa forma a cada ano. No Espírito Santo ocorrem, em média, 150 mil raios por ano.A Amazônia é uma das três regiões com maior incidência de descargas elétricas do país e do mundo. Recebe cerca de 30 milhões de raios por ano, devido à grande quantidade de água doce e calor. As outras regiões chamadas de "chaminés de raios" são a África Central e a Indonésia.

Afinal, o que são Descargas Atmosféricas?

Afinal, o que são Descargas Atmosféricas?

O raio é uma descarga elétrica que ocorre entre a nuvem e o solo, ou entre nuvens. A nuvem carrega-se em duas metades, a inferior com carga negativa e a superior com positiva.

Afinal, o que são Descargas Atmosféricas?

Através da indução, a área projetada pela nuvem sobre o solo (sombra) torna-se positiva.

Afinal, o que são Descargas Atmosféricas?

Isso quer dizer que, embora a Terra seja uma grande “esfera” negativa, por indução a região abaixo da nuvem é positiva.

Afinal, o que são Descargas Atmosféricas?

Como a nuvem é arrastada pelo vento, a região de cargas positivas no solo acompanha a nuvem como se fosse sua sombra. A DDP entre a nuvem e o solo pode variar de 100V a 1.000.000.000V (1.000 Megavolts). Quando a rigidez dielétrica entre a nuvem e a terra é vencida, o ar ioniza-se (baixa a resistência elétrica), criando um túnel ionizado de baixa resistência, que é o caminho da descarga. Um fato curioso sobre o raio é o modo como ele ocorre. Quando a rigidez dielétrica do ar é vencida, forma-se o que chamamos de “raio piloto” que é uma descarga da nuvem para a terra a uma velocidade aproximada de 1500km/s.

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Então, como o ar está ionizado, a nuvem entra em curto-circuito com o solo. Uma vez em curto-circuito, a nuvem assume uma polaridade inversa, visto que a terra tem maior massa.

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Com a polaridade invertida, uma segunda descarga acontece, porém, agora da terra (solo) para a nuvem. Resumindo, o raio ocorre em duas etapas: primeira descarga (nuvem para a terra) e segunda descarga (terra para nuvem). A descarga de retorno é mais rápida que a primeira e propaga-se com uma velocidade aproximada de 30.000km/s, e pode atingir mais de 1.000.000A. O fenômeno é tão rápido que não podemos perceber visualmente quando termina uma descarga e começa a outra, o que nos causa a impressão de existir apenas uma delas.

Afinal, o que são Descargas Atmosféricas?

Vale a pena lembrar que quando falamos no sentido de propagação do raio, analisamos o sentido real da corrente elétrica, que é do polo negativo para o positivo, ou seja, a corrente elétrica vai do polo negativo para o positivo. Quando falamos que, num circuito elétrico, a corrente circula do polo positivo para o negativo, estamos nos referindo ao sentido convencional, que não se aplica aos raios. A figura 5 ilustra a forma de onda de um raio. O intervalo destacado como “frente de onda” é o responsável pela ação fulminante do raio, pois além de ocorrer muito rapidamente, o fenômeno atinge seu valor máximo...

Afinal, o que são Descargas Atmosféricas?

Afinal, o que são Descargas Atmosféricas?

Até a extinção completa do raio (término da cauda) teremos aproximadamente 200 µs, que corresponde à duração do raio.

Apenas como comparativo, uma piscada do olho humano dura em média 100 ms, portanto, quando damos uma única piscada, há tempo suficiente para a ocorrência de 500 raios: 1 piscada = 100m/s / 200 µs = 500 raios.

Afinal, o que são Descargas Atmosféricas?

Raio: é uma gigantesca faísca elétrica, dissipada rapidamente sobre a terra, causando efeitos danosos.Relâmpago: é a luz gerada pelo arco elétrico do raio.Trovoada: é o ruído produzido pelo deslocamento do ar devido ao súbito aquecimento causado pela descarga.A magnitude de corrente dos raios:•0,1% excede 200.000 Amperes.•0,7% excede 100.000 Amperes.•6% excede 60.000 Amperes.•50% excede 15.000 Amperes.

Principais prejuízos causadosIncêndios em florestas, campos e prédios;

Destruição de estruturas e árvores;

Colapso na rede de energia elétrica;

Interferência na radio transmissão;

Acidentes na aviação e embarcações;

Acidentes nas torres de poços e plataformas marítimas de petróleo;

Mortes em seres humanos e animais.

Efeitos sobre os seres vivosParada Cardíaca

Tensão de Passo

Tensão de Toque

Descarga Lateral

Descarga Direta

Locais a serem evitados durante a ocorrência de tempestades

Picos de colinas.

Topo de construções.

Campos abertos, campos de futebol.

Estacionamentos.

Piscinas, lagos e costa marítimas.

Sob arvores isoladas.

Número de raios por ano por km2

Legislação Vigente

No Brasil os sistemas de para-raios devem atender:NBR-5419 / 2005 estabelece as condições de projeto e instalação de aterramento das estruturas.

NR-10 do Ministério do Trabalho, estabelece medidas de controle para garantir a segurança e a saúde dos trabalhadores em serviços com eletricidade.

DefiniçõesDescarga Atmosférica: Descarga elétrica de origem atmosférica entre uma nuvem e a terra ou entre nuvens,consistindo em um ou mais impulsos de vários KA.Raio: Um dos impulsos elétricos de uma descarga atmosférica para a terra.Ponto de Impacto: Ponto onde uma descarga atmosférica atinge a terra, uma estrutura ou o sistema de proteção contra descargas atmosféricas. NOTA - Uma descarga atmosférica pode ter vários pontos de impacto.Volume a Proteger: Volume de uma estrutura ou de uma região que requer proteção contra os efeitos das descargas atmosféricas conforme esta Norma.

DefiniçõesSistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA): Sistema completo destinado a proteger uma estrutura contra os efeitos das descargas atmosféricas. É composto por um sistema externo e um interno de proteção. Em casos particulares, pode compreender unicamente um sistema externo ou interno.Sistema Externo de Proteção: Sistema que consiste em subsistema de captores, subsistema de condutores de descida e subsistema de aterramento.Sistema Interno de Proteção: Conjunto de dispositivos que reduzem os efeitos elétricos e magnéticos da corrente de descarga atmosférica dentro do volume a proteger.

DefiniçõesLigação Equipotencial: Ligação entre o SPDA e as instalações metálicas, destinada a reduzir as diferenças de potencial causadas pela corrente de descarga atmosférica.Subsistema Captor: Parte do SPDA externo destinada a interceptar as descargas atmosféricas.Subsistema de Descida: Parte do SPDA externo destinada a conduzir a corrente de descarga atmosférica desde o subsistema captor até o subsistema de aterramento. Este elemento pode também estar embutido na estrutura.

DefiniçõesSubsistema de Aterramento: Parte do SPDA externo destinada a conduzir e a dispersar a corrente de descarga atmosférica na terra. Este elemento pode também estar embutido na estrutura.Eletrodo de Aterramento: Elemento ou conjunto de elementos do subsistema de aterramento que assegura o contato elétrico como solo e dispersa a corrente de descarga atmosférica na terra.Eletrodo em Anel: Eletrodo de aterramento formando um anel fechado em volta da estrutura.Armaduras de Aço (interligadas): Quando embutidas numa estrutura de concreto, asseguram continuidade elétrica para as correntes de descarga atmosférica

DefiniçõesProteção Isolada: É aquela em que os componentes do sistema de proteção estão colocados acima e ao lado da estrutura , mantendo uma distancia em relação a esta suficientemente alta para evitar descargas captor-teto ou descidas-faces laterais fachada.Proteção não isolada: É aquela em que captores e descidas são colocados diretamente sobre a estrutura; note-se que as normas editadas ate a década de 60 pediam um afastamento dos condutores de poucos centímetros ( 10 a 20 cm), o que não é mais exigido por nenhuma das normas revisadas a partir das décadas de 70 e 80.

Características GeraisUm SPDA não impede a ocorrência das descargas atmosféricas.Um SPDA projetado e instalado conforme Norma não assegura a proteção absoluta de estruturas, pessoas ou bens, entretanto, sua aplicação reduz de forma significativa os riscos de danos devidos às descargas atmosféricas.Seu tipo e o posicionamento devem ser estudados no estágio de projeto da edificação, para se tirar o máximo proveito dos elementos condutores da própria estrutura. Isto facilita o projeto e a construção de uma instalação integrada, permite melhorar o aspecto estético, aumentar a eficiência do SPDA e minimizar custos.

Pára-Raios• PONTO DE IMPACTO - Ponto onde uma descarga atmosférica atinge a terra,

uma estrutura ou o sistema de proteção.

• VOLUME A PROTEGER - Volume de uma estrutura ou de uma região que requer proteção contra os efeitos das descargas atmosféricas.

• SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS (SPDA) - Sistema completo destinado a proteger uma estrutura contra efeitos das descargas atmosféricas. É composto de um sistema externo e de um sistema interno de proteção.

Pára-Raios

Captor

Condutor de descida

Eletrodo de terra

Materiais mais utilizados nos pára-raios: cobre, ferro galvanizado e aço inoxidável.

• Captor;Captor;• Condutor de Descida,Condutor de Descida,• Eletrodo de terra.Eletrodo de terra.

Subsistemas CaptoresTem a função de receber os raios, reduzindo ao máximo a probabilidade da estrutura ser atingida diretamente por eles e deve ter a capacidade térmica e mecânica suficiente para suportar o calor gerado no ponto de impacto, bem como os esforços eletromecânicos resultantes.A corrosão pelos agentes atmosféricos também deve ser levada em conta no seu dimensionamento, de acordo com o nível de poluição e o tipo de poluente da região.

Subsistemas de DescidaTem a função de conduzir a corrente do raio recebida pelos captores ate o aterramento, reduzindo ao mínimo a probabilidade de descargas laterais e de campos eletromagnéticos perigosos no interior da estrutura. Deve ter ainda capacidade térmica suficiente para suportar o aquecimento produzido pela passagem da corrente, resistência mecânica para suportar os esforços eletromecânicos e suportar bem à corrosão.

Subsistemas de AterramentoTem a função de dispersar no solo a corrente recebida dos condutores de descida, reduzindo ao mínimo a probabilidade de tensões de toque e de passo perigosas.Deve ter capacidade térmica suficiente para suportar o aquecimento produzido pela passagem da corrente e, principalmente, devem resistir a corrosão pelos agentes agressivos encontrados nos diversos tipos de solos.

Métodos de ProteçãoModelo Eletrogeométrico: É baseado em estudos feitos a partir de registros fotográficos, da medição dos parâmetros dos raios, dos ensaios em laboratórios de alta tensão, do emprego das técnicas de simulação e modelagem matemática.Método de Franklyn: Uma haste de ponta, ioniza o ar, diminuindo a altura da nuvem carregada, propiciando o raio através do rompimento da rigidez dielétrica do ar.Método da Gaiola de Faraday: Uma rede de condutores que envolve todos os lados da edificação. Quanto menor forem as distancias dos condutores das malhas, maior será o nível de proteção.

Captores ArtificiaisPára-Raios tipo Franklin:

Subsistemas CaptoresParte do Pára-Raios que se destina a interceptar as descargas atmosféricas incidentes.

O captor pode ser artificial ou natural.

Os captores podem ser constituídos por uma combinação qualquer dos seguintes elementos:a) hastes;b) cabos esticados;c) condutores em malha;d) elementos naturais.

Captores ArtificiaisHastes verticais (tipo Franklin): Consiste em uma haste em forma de ponta que é fixada em mastros elevados, à qual é ligado um ou mais cabos de descida que se interligam ao eletrodo de aterramento.

Captores ArtificiaisCondutor de descida (ou simplesmente descida): Parte do Pára-Raios destinada a conduzir a corrente de descarga desde os captores até aos eletrodos de terra.A descida pode ser artificial ou natural.

Captores ArtificiaisDescidas Artificiais: O número mínimo de descidas artificiais é dois, mas, para um prédio residencial / comercial (nível de proteção lll) o numero de descidas é a divisão do perímetro por 20 (espaçamento máximo para o nível de proteção lll). Assim, para um prédio de 15 x 25 m (P = 80m) deveremos ter 4 descidas.As descidas devem ser, em regra, instaladas à vista, fixadas à superfície exterior da estrutura a protegida por meio de elementos de suporte apropriados, estabelecidos à razão de dois por metro, no mínimo.Cada descida artificial deve ser dotada de um ligador destinado a efetuar as verificações e medições necessárias.

Captores ArtificiaisDescidas Naturais: Podem ser utilizadas como descidas naturais os elementos metálicos existentes na estrutura a proteger que dêem garantias de continuidade elétrica, apresentem baixa impedância e possuam a robustez mecânica necessária.

Como exemplos de descidas naturais existem as guias de elevadores, as escadas metálicas exteriores, etc.

Nas estruturas de concreto armado, permite-se o aproveitamento da armadura metálica do concreto para a função de descida natural, condicionado à garantia de continuidade elétrica da mesma.

Captores ArtificiaisEletrodo de aterramento: É o conjunto de elementos do sistema de aterramento que assegura o contato elétrico com o solo e dispersa a corrente para a terra.Deve possuir baixa resistência de aterramento ( deve ser menor que 10 ohms), alta capacidade de condução de corrente, pouca variação com as estações do ano e proporcionar segurança às pessoas.Pode ser:•Aterramento natural das fundações.•Condutores em anel.•Hastes verticais ou inclinados.•Condutores horizontais radiais.

Captores ArtificiaisEletrodo de terra: Dispositivo constituído por um corpo condutor ou por um conjunto de corpos condutores em contato íntimo com o solo assegurando uma ligação elétrica com a terra.

A ligação à terra tem como finalidade a dispersão, na massa condutora da terra, da corrente proveniente de qualquer descarga atmosférica que incida no pára-raios.

Todos os pontos de ligação enterrados devem ser preservados dos efeitos da humidade, por envolvimento em meio não higroscópico (massa ou fita betuminosa, por exemplo).

Captores ArtificiaisEletrodo de terra:

Captores ArtificiaisMalha de aterramento em anel: A malha de terra que deve ser utilizada num pára-raios é o eletrodo em anel, constituído por um condutor instalado na base das fundações do edifício ou inserido no maciço de concreto das fundações. O eletrodo em anel deve, preferencialmente, ser constituído por ferro galvanizado. Alternativamente pode ser utilizado um condutor em anel, enterrado a uma profundidade aproximada de 0,80m, envolvendo a estrutura a ser protegida.

Estrutura Eletrodo em anel

Captores ArtificiaisEletrodo do tipo radial: Para estruturas de dimensões tais que o raio do eletrodo em anel resulte inferior a 8 m, podem utilizar-se eletrodos do tipo radial (em forma de “pata de ave”), constituídos por três condutores (no mínimo de 6 a 8 m cada) derivados de um ponto comum e enterrados horizontalmente no solo a uma profundidade mínima de 0,8 m.

Captores ArtificiaisGaiola de Faraday:Por definição, uma gaiola de Faraday funciona como uma blindagem elétrica e protege instrumentos e/ou aparelhos muitos sensíveis colocados em seu interior.

Nas edificações, utiliza como captores, condutores instalados em malha de formato quadricular, convenientemente fixados de forma a envolver toda a estrutura a ser protegida, proporcionando um campo magnético nulo em seu interior.Oferece uma proteção total, porém devido ao seu alto custo, tem maior utilização em instalações de grande responsabilidade e elevado grau de risco.

Captores ArtificiaisGaiola de Faraday:

MaterialCaptor e anéis intermediários

mm2

Descida (para estruturas de

altura até 20m)mm2

Descida (para estruturas de altura

superior a 20m)mm2

Eletrodo de aterramento

mm2

Cobre 35 16 35 50

Aluminio 70 25 70 -

Aço Galvanizado a quente ou embutido em concreto

50 50 50 80

Captores ArtificiaisSeções mínimas dos materiais do SPDA:

NÍVEL DE PROTEÇÃO

EFICIÊNCIA DA PROTEÇÃO TIPO DE EDIFICAÇÃO

 NÍVEL I  98%

Edificações com explosivos, inflamáveis, industriais Químicos, Nucleares, Laboratórios bioquímicos, Fábricas de munição e fogos de artifício, Estações de telecomunicações, Usinas Elétricas, Indústrias com risco de incêndio, Refinarias, etc.

 NÍVEL II 95%Edifícios Comerciais, Bancos, Teatros, Museus, Locais arqueológicos, Hospitais, Prisões, Casas de Repouso, Escolas, Igrejas, Áreas Esportivas.

 NÍVEL III 90% Edifícios Residenciais, Industrias, Casas, Estabelecimentos Agropecuários e Fazendas com estruturas em madeira.

 NÍVEL IV 80% Galpões com sucata ou de conteúdo desprezível, fazendas e/ou estabelecimentos agropecuários com estrutura em madeira.

Captores ArtificiaisClassificação das Estruturas:

Nível de Proteção

Raio da Esfera

(m)

Altura (H) até 20m

Altura (H) de 21 a 29m

Altura (H) de 30 a 44m

Altura (H) de 45 a 59m

Altura (H) > 60m

Largura do módulo da malha de captação da Gaiola (nota 1)

Espaçamento médio das descidas

Eficiência do SPDA

I 20 25º A A A B 5 10 95 a 98 %

II 30 35º 25º A A B 10 15 90 a 95 %

III 45 45º 35º 25º A B 10 20 80 a 90 %

IV 60 55º 45º 35º 25º B 20 25 até 80 %

Ângulo a do método Franklyn em funçãoda altura (H) e do nível de proteção.

A = Aplicar somente Gaiola de Faraday ou Esfera Rolante;B = Aplicar somente Gaiola de Faraday;H = Altura do captor.a = Ângulo de proteção do captor.Nota 1 - O comprimento do módulo da malha de captação da Gaiola deverá ser, no máximo, igual ao dobro de sua largura de acordo com o nível de proteção.Nota 2 - Para a escolha do nível de proteção, h é a altura da edificação em relação ao solo. Para verificação da área protegida, h é medido em relação ao plano vertical a ser protegido.

Captores ArtificiaisClassificação das Estruturas:

Captores ArtificiaisSistemas Captores:

Materiais Utilizados

Captores tipo Franklyn

Mini Captores (terminais aéreos)

Suportes e Elementos de Fixação

Hastes de Terra

Supressores de Surto

Terrômetros

Captores NaturaisOs elementos metálicos existentes na parte superior da estrutura a ser protegido, tais como, coberturas de chaminés, clarabóias, depósitos, tomadas de ar dos sistemas de climatização, etc., podem ser usados como captores naturais, se forem convenientemente dimensionados para suportar o impacto direto de uma descarga.Os captores naturais são integrados nos pára-raios através dos condutores de cobertura.

Captores Naturais

captor artificial(Gaiola de Faraday)

(condutores de cobertura)

condutor de descida

captor artificial(haste vertical tipo Franklin)

Documentação para ConstruçãoProjeto e memorial técnico do SPDA (prédios novos).

Croqui ou “as built “para prédios existentes e que passaram por reforma.

Atestado de medição ôhmica e abrangência do para-raios assinado por Eng. Eletricista.

ART (Responsabilidade Técnica) do Eng. Responsável.

Cópia (Xerox) do documento funcional (CREA) do Eng. Eletricista.

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

Aterramento

ManutençãoUma inspeção visual do SPDA deve ser efetuada anualmente (item 6.3.1 da NBR 5419/01).Recomenda-se, também, uma inspeção completa e medição ôhmica dos aterramentos do sistema.Os componentes metálicos (suportes, conectores, mastros, elementos de contraventagem, etc.) devem estar isentos de oxidação e fuligem. Todos os componentes, em especial, os condutores elétricos devem estar tensionados e firmemente conectados garantindo uma perfeita ligação elétrica e mecânica.

Os valores de resistência ôhmica devem estar abaixo de 10 ohms.

Manutenção

Meça a tensão da rede entre a fase e o neutro. Em seguida, ligue uma lâmpada normal (aproximadamente 60W) com tensão correta entre a fase e o neutro, e meça a tensão sobre a lâmpada. Compare então as duas tensões medidas e calcule a diferença entre elas, que não deve ser inferior a 8%!Exemplo: Numa tomada 127V (FN), ligamos uma lâmpada de 127V / 60W no terra e fase, quando meço entre terra e fase, esta tensão não pode ser menor do que 8% da tensão fase-neutro (em torno de 10V). Caso esteja abaixo, é sinal que o aterramento não está suficientemente bom. Cabe lembrar a você que , essa prática é apenas um artifício (para não dizer macete) com o qual podemos ter uma ideia das condições gerais do aterramento (haste do terra).