Sistemas de Proteção Contra Descargas Atmosféricas (SPDA) · 4 Descargas atmosféricas1 Descarga...

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Sistemas de Proteção Contra Descargas Atmosféricas (SPDA) Projeto Elétrico Industrial 1
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  • Sistemas de Proteo Contra Descargas

    Atmosfricas (SPDA)

    Projeto Eltrico Industrial

    1

  • 2

    Tpicos Abordados

    9.1- Descargas Atmosfricas

    9.2- Formao das Descargas Atmosfricas

    9.3- Necessidade de Proteo

    9.4- Mtodos de Proteo

    9.4.1- Franklin

    9.4.2- Gaiola de Faraday

    9.4.3- Eletrogeomtrico

    9.5- Dispositivos de Proteo Contra Surtos (DPS)

  • 3

    9.1- Descargas atmosfricas

    O que so descargas atmosfricas?

    So descargas eltricas que ocorrem entre a nuvem (-) e a terra

    (+), com uma corrente de elevada intensidade, podendo chegar

    at a 200 kA.

    Quando ocorre, causa um fenmeno de rara beleza e perigo.

  • 4

    Descargas atmosfricas1

    Descarga Atmosfrica 2 Descarga Atmosfrica 3 Descarga Atmosfrica 4

    Solues Totais - Uma viso geral

    A Soluo Total da ABB Furse para proteo de

    aterramento, iluminao e sistemas eletrnicos proteo

    duradoura e confivel de uma estrutura, seus sistemas

    eletrnicos e pessoal dentro dela.

    Nesta curta animao, demonstramos nossa abordagem da

    Soluo Total, mostrando por que ela essencial no controle de

    perigos, potencialmente perigos que ameaam a vida Os raios e

    as sobretenses transitrias surgem em toda a instalao.

    https://new.abb.com/low-voltage/news/news-archive/total-solution-an-overviewhttps://www.youtube.com/embed/fSfs5dO1wUA?html5=1&rel=0&wmode=transparent&autoplay=1https://www.youtube.com/embed/NMqjRURBsxA?html5=1&rel=0&wmode=transparent&autoplay=1https://www.youtube.com/embed/2pFsiA4p4SA?html5=1&rel=0&wmode=transparent&autoplay=1
  • 5

    Descargas Atmosfricas

    As descargas atmosfricas so perigosas ?

    As descargas atmosfricas causam:

    Srias perturbaes nas redes areas de transmisso e distribuio de energia eltrica;

    Surtos de tenso (sobretenso).

    Queima de equipamentos eletroeletrnicos.

    Causam grandes danos materiais quando atingem residncias, prdios, instalaes comerciais e industriais;

    Impem srio risco de vida as pessoas e animais.

    Como podemos proteger as edificaes das descargas atmosfricas ?

    Por meio de um Sistema de Proteo Contra Descargas atmosfricas (SPDA).

    Uso de Dispositivos de Proteo contra Surtos de Tenso (DPS).

  • 6

    Descargas atmosfricas

    Perguntas sobre raios:

    Pode-se operar aparelhos eltricos e telefnicos durante as

    tempestades?

    possvel proteger equipamentos eltricos e telefnicos contra

    raios?

    Quais so as recomendaes para se proteger dos raios?

    Evitar locais descampados e descobertos;

    Dentro de uma edificao, afastar-se de janelas metlicas,

    paredes, aparelhos eltricos e telefnicos;

    No entrar dentro de rios, lagos e mar;

    Evitar ficar perto de cercas e estruturas elevadas ( torres, caixa

    dgua, rvore, etc.

  • 7

    Descargas Atmosfricas

    Descarga lateral numa

    fachada em Belo

    Horizonte-MG

    rvore atingida por raio

    Descarga lateral numa

    pequena casa

    Descarga direta destruiu 30

    metros de um telhado e lanou

    telhas a 80 metros

  • 8

    Descargas Atmosfricas

    Cristo Redentor, castigado por

    raios, passa por ampla reforma

    Galpo pega fogo aps

    chuva com raios em SC

    Fonte: Notcias sobre raios

    http://raiosnews.blogspot.com/

    http://raiosnews.blogspot.com/
  • 9

    Descargas Atmosfricas

  • 10

    9.2- Formao das Descargas Atmosfricas

    Como so formadas as descargas atmosfricas?

    Distribuio das cargas eltricas das nuvens e no solo.

    A nuvem tem caracterstica bipolar.

  • 11

    Formao das Descargas Atmosfricas

    Relmpago: o claro muito intenso e rpido proveniente de uma

    descarga atmosfrica.

    Trovo: o rudo resultante da onda de choque provocada pelo

    aquecimento instantneo do ar ao ser atravessado por um raio

  • 12

    Descargas Atmosfricas

    Qual a amplitude de um raio ou descarga atmosfrica?

    da ordem de 15 kA, podendo chegar a 200 kA.

    Como a forma tpica de onda de uma descarga atmosfrica?

    Onda tpica de tenso: 1,5 s x 50 s

    Onda tpica de corrente: 8 s x 20 s

    1 a 10s 20 a 50s 100 a 200s

  • 13

    9.3- Necessidade de Proteo

    Como proteger as edificaes?

    O projeto de um SPDA leva em considerao os seguintes

    pontos:

    Tipo de estrutura;

    rea construda;

    Material usado na estrutura;

    Geografia do local e ndice cerunico;

    Tipo de ocupao e seu contedo;

    A partir destas informaes, determina-se o tipo de sistema

    que fornecer a proteo adequada para o local.

  • 14

    Necessidade de Proteo

    Qual tipo de edificao ou estrutura precisa de um sistema de

    proteo contra descargas atmosfrica?

    Em uma torre de estdio necessrio?

    Uma ponte de concreto de grandes dimenses?

    Uma caixa de gua com 10 m de altura?

    Uma indstria petroqumica?

    Em um prdio pblico, com grande afluncia de pessoas ao

    longo do dia?

    Todas as respostas a estas perguntas podem ser encontradas na

    NBR 5419/2005.

  • 15

    Necessidade de Proteo

    O que diz a NBR 5419/2005 sobre a necessidade de proteo?

    Estruturas especiais com riscos inerentes de exploso, tais como

    aquelas contendo gases inflamveis, requerem o mais alto nvel

    de proteo.

    Para os demais tipos de estruturas, deve ser inicialmente

    determinado se um SPDA , ou no, exigido.

    Em muitos casos a necessidade obvia:

    Locais de grande afluncia de pblico;

    Locais que prestam servios pblicos essenciais;

    reas com alta densidade de descargas atmosfricas;

    Estruturas isoladas ou com altura superior a 25 m;

    Estruturas de valor histrico ou cultural.

  • 16

    Necessidade de Proteo

    A NBR 5419/2005 apresenta um mtodo para determinar se um

    SPDA , ou no necessrio numa estrutura.

    a) Definir a densidade de descargas atmosfricas que atingem a

    terra, ou seja, o nmero de raios por Km2 por ano.

    Calculado pela expresso:

    Onde:

    Ng = 0,04 Td 1,25

    (por Km2/ano)

    Ng- Densidade de descargas atmosfricas para a terra por quilmetro

    quadrado por ano.

    Td: o nmero de dias de trovoadas por ano, obtido por mapas

    isocerunicos.

    A seguir so exibidos os mapas isocerunicos do Brasil, obtidos

    por estaes meteorolgicas.

  • 17

    Mapa de curvas isocerunicas (Brasil)

    Fonte: NBR 5419/2005

  • 18

    Mapa de curvas isocerunicas

    Regio Sudeste

    Fonte: NBR

    5419/2005

  • 19

    Necessidade de Proteo

    b) rea de exposio equivalente da estrutura (Ae)

    a rea em torno da estrutura onde os raios que caem so atrados.

    calculada como sendo a rea da edificao aumentada de sua

    altura em todas as suas dimenses.

    Ae = LW + 2HL + 2WH + H 2

  • 20

    Necessidade de Proteo

    c) A frequncia mdia anual de descargas atmosfricas sobre

    uma estrutura (SEM SPDA) dada por:

    Onde:

    Nd = Ae Ng 106

    ( por ano)

    Nd- Nmero provvel de raios que podem atingir a

    edificao por ano;

    Ae- rea de exposio equivalente da estrutura (m2);

    Ng- Densidade de descargas atmosfricas para a terra por

    quilmetro quadrado por ano.

  • 21

    Necessidade de Proteo

    A frequncia mdia anual admissvel de danos Nc

    Possui os seguintes limites reconhecidos pela comunidade

    tcnica internacional:

    Riscos maiores que 10-3 (isto , 1 dano ocorrido na estrutura

    para 1.000 descargas atmosfricas por ano): Valor

    INACEITVEL

    Riscos menor que 10-5 (isto , 1 dano ocorrido na estrutura

    para 100.000 descargas atmosfricas por ano): Valor

    ACEITVEL

  • 22

    Necessidade de Proteo

    d) Definido o valor Nd, aplicam-se cinco fatores de risco,

    relacionados com a edificao em anlise.

    Ndc = A B C D E Nd

    Fatores de ponderao

  • 23

    Fatores de ponderao

  • 24

    Fatores de ponderao

  • 25

    Necessidade de Proteo

    Compara-se o valor calculado de Ndc, com os limites

    estabelecidos:

    Se Ndc 10-3, a estrutura requer um SPDA.

    Se 10-3 > Ndc > 10-5, a convenincia de um SPDA deve ser

    decidida por acordo entre projetista e usurio.

    Se Ndc 10-5, a estrutura dispensa um SPDA.

  • 26

    Nvel de Proteo e Eficincia

    e) Havendo a necessidade de um SPDA, a estrutura a ser

    protegida deve ser classificada segundo o nvel de proteo.

    O nvel de proteo no esta relacionado com a probabilidade

    de queda do raio.

    Tal eficincia esta ligada com a capacidade que o sistema tem

    de captar e conduzir o raio terra.

  • 27

    Classificao quanto ao Nvel de Proteo

  • 28

    Classificao quanto ao Nvel de Proteo

  • 29

    Eficincia Mnima do SPDA

    f) Clculo da eficincia mnima do SPDA

    E = 1

    Nc

    Ndc

    100%

    Nc : frequncia mdia anual admissvel de danos. Valor tpico

    de 10-3.

    Ndc:frequncia mdia anual de descargas atmosfricas sobre

    uma estrutura (SEM SPDA) corrigida.

    Checar se o nvel de proteo atende a eficincia mnima do

    SPDA.

  • 30

    Exemplo 1

    Um edifcio Stephani est sendo construdo em Braslia-DF e

    possui as seguintes dimenses ilustradas na figura abaixo.

    O edifcio ser residencial e possui estrutura de concreto armado,

    com cobertura no metlica (com antena). Esta localizado em um

    local com elevaes moderadas e com poucas estruturas ou

    rvores de altura similar. Verifique a necessidade de um SPDA

    na construo.

  • 31

    9.4- Mtodos de Proteo

    Um sistema de proteo contra descargas atmosfricas (SPDA) formado pelos seguintes elementos:

    Captores (pra-raios, terminais e cabos);

    Condutores de descida;

    Sistema de aterramento

    O SPDA deve possuir a configurao srie.

    Tipos de captores:

    Pra-raios tipo Franklin;

    Gaiola de Faraday.

    Eletrogeomtrico

    Condutores de descida:

    Cabos;

    Fitas;

    Estruturas prediais ( metlica e ferragens).

    Aterramento:

    Eletrodos verticais, horizontais;

    Mltiplos eletrodos horizontais ( radial ou em anel);

    Combinao de eletrodos verticais e horizontais ( malha).

  • 32

    HP

    RP

    HP

    RP

    9.4.1- Mtodo de Franklin

    Formado por uma haste metlica (captor) a uma determinada

    altura do solo.

    Forma um cone que delimita o volume de proteo.

    Sua maior eficincia ocorre em edificaes pequenas e baixas,

    no muita alta.

    RP=HP x tag

    HP

    RP

  • 33

    Mtodo de Franklin

    Como definido o ngulo de proteo?

    A tabela a seguir fornece o ngulo de proteo, por meio da:

    Altura aonde ser instalado o captor, em relao ao solo (h);

    Nvel de proteo.

  • 34

    Mtodo de Franklin

  • 35

    Captor

    Para-raios Tipo Franklin

    o principal elemento do pra-raios.

    Formado por trs ou mais pontas de ao inoxidvel

    ou cobre.

    Mastro ou haste

    o suporte do captor, formado por um tubo de cobre

    de comprimento entre 3 a 5m

    Base de ferro fundido para o mastro

    Condutor de descida

    Isolador

    Tem como funo a fixao da haste e isolao dos

    condutores de descida.

    Em geral de porcelana vitrificada (tenso de

    isolamento 10 kV).

  • 36

    Para-raios Tipo Franklin

  • 37

    Para-Raios Radioativo

    semelhante ao para-raios de Franklin, onde no

    seu captor so colocados os elementos

    radioativos (Rdio-266, Radnio-266).

    Sua ao produzida pelos elementos

    radioativos que bombardeiam o ar, ionizando-o.

    Esse tipo de para-raios radioativo proibido no

    Brasil, pelos seguintes motivos:

    A zona de proteo no maior que a do para-

    raios tipo Franklin;

    Risco de armazenagem e manuteno;

    Vida til superior a 450 anos, maior que a vida

    til da edificao;

    Quando o para-raios ficar velho e fora de uso,

    onde guardar a carcaa radioativa?

  • 38

    Mtodo de Franklin

    Passos para o desenvolvimento de um projeto SPDA utilizando o

    Mtodo de Franklin.

    a) Definio da zona de proteo

    Definido o nvel de proteo, escolher o ngulo geratriz do cone de

    proteo.

    RP=Hc x tag

    Rp raio da base do cone de proteo (m);

    Hc altura da extremidade do captor (m);

    ngulo de proteo com a vertical.

    O cone envolve toda a edificao ?

    Sim! Passar para a prxima etapa.

    No, adotar mais de um captor e verificar a regio de proteo.

  • 39

    Mtodo de Franklin

    Captor nico sobre a estrutura

    Dois Captores sobre a estrutura

    NBR 5419/2005:

  • 40

    Mtodo de Franklin

    b) Condutores de descida

    Estabelece o caminho entre o captor e a terra, por meio de um condutor.

    O nmero de condutores dado por :

    N = Pco

    cd

    cd

    Ncd nmero de condutores de descida;

    Pco permetro da construo (m);

    Dcd Distncia entre os condutores de descida,

    fornecido pela tabela ao lado.

    Devem ser instalados a 50cm de portas, janelas

    e outras aberturas.

    Obs: O nmero de condutores de descida (Ncd ) no pode ser inferior a 2!

    D

  • 41

    Mtodo de Franklin

    c) Seo do condutor

    Em zonas industriais de elevada poluio ou prximo a orlas

    martimas, deve ser usado condutor de cobre.

    d) Aterramento

    No deve ser superior a 10 , em qualquer poca do ano.

    Quando a construo contiver materiais explosivos, a resistncia

    da malha de terra deve ser menor a 1 .

    Deve ser realizada a equipotencializao!

    Obs: O mastro de uma antena deve ser ligado ao SPDA

  • 42

    Descidas

  • 43

    Aterramento Eltrico

    O aterramento eltrico mais comum o arranjo B (

    NBR5419/2005)

    Consiste num anel de aterramento de 50 mm2 a 50 cm de

    profundidade no solo.

    Para cada descida deve ser conectado um haste tipo Copperweld

    ( L 2,5m para nvel de proteo II a IV e para nvel I deve ser

    avaliado a resistividade do solo).

    As hastes devem ser ligadas por soldas exotrmicas ao anel ou

    por conexo mecnica por meio de caixa de inspeo.

  • 44

    Exemplo 2

    Projetar um SDPA do edifcio Stephani ilustrado abaixo,

    utilizando o Mtodo de Franklin.

    1m

    2,5m

  • Exemplo 2

  • 46 UFES - Instalaes Eltricas I

    9.4.2-Mtodo da Gaiola de Faraday

    baseado na teoria de que o campo magntico no interior de

    uma gaiola condutora nulo.

    O sistema de captores formado por condutores horizontais

    interligados em forma de malha.

    indicado para edificaes extensas como galpes e grandes

    edificaes com elevada altura (prdios).

  • 47 UFES - Instalaes Eltricas I

    Mtodo da Gaiola de Faraday

    Condutores horizontais devem cobrir todo o permetro da estrutura, formando uma malha.

    Largura do mdulo da malha:

    O mdulo da malha dever constituir um anel fechado, com o comprimento no superior ao dobro da largura.

  • 48 UFES - Instalaes Eltricas I

    Mtodo da Gaiola de Faraday

    Exemplo

    Seo dos condutores da malha

  • 49 UFES - Instalaes Eltricas I

    Mtodo da Gaiola de Faraday

    Captores verticais ou terminais areos

    A NBR 5419/2005 recomenda instalar captores verticais ou

    terminais areos de 30 a 50 cm de altura, separados de 5 a 8m ao

    longo dos condutores da malha.

  • 50 UFES - Instalaes Eltricas I

    Mtodo da Gaiola de Faraday

    Descidas

    Podem ser utilizadas descidas naturais ou no-naturais.

    Naturais fazem parte da estrutura da edificao:

    Cantoneiras;

    Tubulaes metlicas;

    Barras metlicas;

    No-naturais

    Condutores e/ou barramentos instalados para tal finalidade

  • 51 UFES - Instalaes Eltricas I

    Mtodo da Gaiola de Faraday

    Condutores de descida

    Estabelece o caminho entre o captor e a terra, por meio de um

    condutor.

    O nmero de condutores dado por :

    N = Pco

    cd

    cd

    Ncd nmero de condutores de descida;

    Pco permetro da construo (m);

    Dcd Distncia entre os condutores de descida,

    fornecido pela tabela ao lado.

    Devem ser instalados a 50cm de portas, janelas

    e outras aberturas.

    D

  • 52 UFES - Instalaes Eltricas I

    Mtodo da Gaiola de Faraday

    Descidas naturais (NBR 5419/2005):

  • 53 UFES - Instalaes Eltricas I

    Mtodo da Gaiola de Faraday

    Descidas, notas importantes:

  • 54 UFES - Instalaes Eltricas I

    Mtodo da Gaiola de Faraday

    Aterramento Eltrico:

    No mnimo uma haste para cada descida;

    Todas as hastes devem estar interligadas formando um anel (

    Arranjo B);

    O aterramento deve ser nico em toda a instalao, deve ser feito

    a equipotencializao;

    A resistncia de aterramento deve ser menor que 10 ohms.

  • 55 UFES - Instalaes Eltricas I

    Exemplo 3

    Projetar um SDPA do edifcio Stephani ilustrado abaixo,

    utilizando o Mtodo da Gaiola de Faraday.

    1m

    2,5m

  • Exemplo 3

  • 57 PROJETO ELTRICO INDUSTRIAL

    9.4.3- Mtodo Eletrogeomtrico

    Tambm designado como mtodo da esfera rolante ou fctcia.

    Tal mtodo delimita o volume a ser protegido, podendo ser

    constitudo de:

    Hastes;

    Cabos;

    Uma combinao de ambos.

    Este mtodo baseado no conceito de distncia de atrao, que

    definido como a maior distncia em que o raio ser atrado

    pelo captor.

    Tal distncia define o raio da esfera rolante e depende da

    corrente do raio.

  • 58 PROJETO ELTRICO INDUSTRIAL

    Mtodo Eletrogeomtrico

    Distncia R em funo da corrente Imax

  • Mtodo Eletrogeomtrico

  • 60 PROJETO ELTRICO INDUSTRIAL

    Mtodo Eletrogeomtrico

    Volume protegido para h R

  • 61 PROJETO ELTRICO INDUSTRIAL

    Mtodo Eletrogeomtrico

    Volume protegido para h R

  • 62 PROJETO ELTRICO INDUSTRIAL

    9.5- Dispositivos de Proteo Contra Surtos (DPS)

    A NBR 5410/2004 divide a proteo contra sobretenses em

    duas categorias:

    Sobretenses temporrias: Perda do condutor neutro em

    esquemas TN e TT, em sistemas trifsicos, bifsicos e

    monofsicos a trs condutores;

    Sobretenses transitrias :

    Chaveamento de cargas eltricas:

    Centenas de sobretenses dirias (Baixa amplitude), causadas por

    lmpadas fluorescentes, motores, mquinas de soldas e etc;

    Descargas atmosfricas (2 a 200 kA , t=200 s). Mais comuns

  • 63 PROJETO ELTRICO INDUSTRIAL

    Dispositivos de Proteo Contra Surtos (DPS)

  • 64 PROJETO ELTRICO INDUSTRIAL

    Instalao do DPS

    A NBR 5410/2004 determina que o DPS deve ser usado

    obrigatoriamente quando :

    A alimentao da instalao eltrica for feita por linhas areas

    (total ou parcial) e se situar em regies AQ2 (>25 dias de

    trovoadas por ano) Descargas Indiretas;

    A instalao se situar numa regio AQ3 (riscos provenientes da

    exposio de componentes da instalao) Descargas Diretas.

    O DPS deve ser instalado:

    Junto com o ponto de entrada da linha eltrica na edificao ou

    no quadro de distribuio principal, o mais prximo possvel do

    ponto de entrada.

    O modo como cada DPS ser ligado (Fase-PE, Neutro-PE)

    depende do esquema de aterramento, como ilustrado na figura

    a seguir:

  • 65 PROJETO ELTRICO INDUSTRIAL

    Instalao do DPS

  • Instalao do DPS

  • 67 PROJETO ELTRICO INDUSTRIAL

    Instalao do DPS

    DPS no Quadro de Distribuio de Circuitos

  • 68 PROJETO ELTRICO INDUSTRIAL

    Instalao do DPS

    Quando o DPS for instalado a jusante do DDR no QDC, o DDR deve ter imunidade a surto de no mnimo 3 kA ( 8/20 A).

  • 69 PROJETO ELTRICO INDUSTRIAL

    Instalao do DPS

  • Especificao da Proteo Contra Surtos (DPS)

    O DPS dever ser especificado com as seguintes caractersticas:

    Nvel de proteo (Up):

    Tenso de operao contnua (Uc) :

  • Especificao da Proteo Contra Surtos (DPS)

    Corrente nominal de descarga (In) e corrente de impulso (Iimp): Quando o DPS for usado para proteo contra sobretenses de

    origem atmosfricas pela linha externa e contra sobretenses temporrias:

    a corrente nominal no deve ser inferior a 5 kA (8/20s);

    Todavia In no deve ser inferior a 20 kA (8/20s) em redes trifsicas, ou a 10 kA em redes monofsicas quando o DPS for usado entre neutro e PE.

    Quando o DPS for destinado para a proteo contra sobretenses provocadas por descargas diretas sobre a edificao:

    Iimp no deve ser inferior a 12,5 kA;

    No caso de DPS usado entre fase e neutro, Iimp no deve ser inferior a 50 kA para rede trifsica ou 25 kA para rede monofsica.