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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAO, CINCIA E TECNOLOGIA SUDESTE DE MINAS GERAIS CAMPUS MURIA CURSO TCNICO EM ELETROMECNICA

SISTEMA DE PROTEO CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICA RESISTORES DE ATERRAMENTO

Igor Manhanini Paschoal

PROF. Ms. Fausto de Marttins Netto

Muria, MG Novembro, 2011

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INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAO, CINCIA E TECNOLOGIA SUDESTE DE MINAS GERAIS CAMPUS MURIA CURSO TCNICO EM ELETROMECNICA

SISTEMA DE PROTEO CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICA RESISTORES DE ATERRAMENTO

Igor Manhanini Paschoal

Trabalho apresentado ao curso de tcnico em eletromecnica do instituto federal de educao, cincia e tecnologia Sudeste de Minas Gerais Campus Muria, como parte dos requisitos para concluso da matria proteo e comando de baixa tenso.

PROF. Ms. Fausto de Marttins Netto

Muria, MG Novembro, 2011

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SISTEMA DE PROTEO CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICA ....................... 4 1. INTRODUO ...................................................................................................... 4 1.1 O RAIO ........................................................................................................... 4 1.1.1 FORMAO DO RAIO ............................................................................... 4 1.1.2 INCIDNCIA DE TROVOADAS ........................................................................ 6 2. MTODO DE PROTEO CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS .............. 7 2.1 CONSIDERAES INICIAIS. ....................................................................... 8 2.2 TABELA PARA SELEO DO NVEL DE PROTEO ................................. 9 2.3 ELEMENTOS QUE COMPEM UM SISTEMA DE PROTEO.................. 10 2.4 TRATAMENTO QUMICO DO SOLO ........................................................... 11 2.5 MTODOS EXISTENTES ............................................................................ 12 2.5.1 MTODO DE FRANKLIN.......................................................................... 13 2.5.2 MTODO DA GAIOLA DE FARADAY ...................................................... 15 2.5.3 MTODO DA ESFERA ROLANTE ........................................................... 18 3. RESISTOR DE ATERRAMENTO ....................................................................... 21 3.1 3.2 3.3 3.4 3.5 3.6 3.7 VALOR DA RESISTNCIA ........................................................................... 22 CURTO-CIRCUITO FASE E TERRA ............................................................ 22 TENSO NOMINAL: .................................................................................... 23 TEMPO DE OPERAO:............................................................................. 23 TEMPERATURAS LIMITES: ........................................................................ 23 ELEMENTOS RESISTIVOS: ....................................................................... 24 CARACTERSTICAS CONSTRUTIVAS ....................................................... 24

4. CONCLUSO........................................................................................................ 27 5. BIBLIOGRAFIA ................................................................................................... 28

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SISTEMA DE PROTEO CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICA

1. INTRODUO1.1 O RAIO

O raio um fenmeno da natureza que desde os primrdios vem intrigando o homem, tanto pelo medo provocado pelo barulho, quanto pelos danos causados. Para algumas civilizaes primitivas o raio era uma ddiva dos deuses, pois com ele quase sempre vm as chuvas e a abundncia na lavoura. Para outras civilizaes era considerado como um castigo e a pessoa que morria num acidente de raio, provavelmente havia irritado os Deuses sendo o castigo merecido. Havia tambm civilizaes que glorificavam o defunto atingido por um raio, pois ele havia sido escolhido entre tantos seres humanos, com direito a funeral com honras especiais. Aps tantas civilizaes o homem acabou descobrindo que o raio um fenmeno de natureza eltrica e por isso deve ser conduzido o mais rapidamente possvel para o solo, a fim de minimizar seus efeitos destrutivos.

1.1.1 FORMAO DO RAIO

Raio um impulso eltrico originado por uma descarga atmosfrica que se inicia na nuvem e pode ir para a terra ou para outra nuvem. O raio um fenmeno ainda imprevisvel e pe em risco a vida de pessoas e animais que estejam em locais expostos, alm de provocar danos e perturbaes no s no sistema de distribuio de energia como em construes. Devido s interaes que ocorrem no interior das nuvens, as gotas de nuvem e de chuva se chocam com as pedras de gelo e transferem cargas entre si, o que estabelece centros de cargas de sinais opostos. Logo, a nuvem se torna eletricamente carregada (300 kV/m) e esta apta a estabelecer o caminho condutor

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(canal ionizado) que possui ramificaes irregulares e visveis a olho nu, entre a nuvem e a terra. Esse caminho condutor o que chamamos de raio. Os raios podem ocorrer nas seguintes direes: no interior de uma nuvem, entre duas nuvens, entre a nuvem e o ar, entre a nuvem e a terra e raramente entre a terra e a nuvem. No momento da descarga atmosfrica so provocados raios luminosos (relmpago) e, em seguida o estrondo sonoro (trovo) causado pelo deslocamento do ar dentro do canal ionizado pelo raio. Um raio pode cair duas vezes no mesmo lugar, e tem grandes chances de cair vrias vezes em um mesmo objeto com fortes caractersticas de concentrador de cargas.

FIGURA 1: Cargas opostas formadas nas nuvens

FIGURA 2: Figura ilustrativa do relmpago seguido pelo trovo

Alm dos possveis danos fsicos nas prprias linhas de distribuio que as descargas atmosfricas podem causar, estas podem danificar componentes como isoladores, chaves fusveis e transformadores. A corrente eltrica de um raio tem enormes propores (10-30 kA) e devido a relao direta entre a corrente e a tenso, os raios podem provocar sobre tenso na rede eltrica. Portanto, como as descargas atmosfricas podem atingir diretamente edifcios, estruturas altas ou rvores por sua altura, e tambm diretamente a rede

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eltrica, o raio de ao da sobre tenso caso no haja um sistema de aterramento adequado poder tambm incluir objetos e at mesmo pessoas.

1.1.2

INCIDNCIA DE TROVOADAS

A trovoada pode ser definida como o conjunto dos fenmenos eletromagnticos, acsticos e luminosos que ocorrem numa descarga atmosfrica. O nmero de trovoada que ocorrem por ano em uma dada localidade o seu ndice cerunico. Esse parmetro vem sendo usado h muitos anos pelos metereologistas para caracterizar a atividade relativa s descargas atmosfricas em uma localidade; unindo-se em um mapa as localidades de mesmo ndice cerunico, tem-se o mapa isocerunico.

Nmero mdio de dias de trovoada por ano.

FIGURA 3: Mapa isocerunico Brasileiro.

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FIGURA 4:Mapa de curvas isocerunicas - Regio sudeste

2. MTODO DE PROTEO CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS

Toda a instalao eltrica de alta e baixa tenso para funcionar com desempenho satisfatrio e suficientemente segura contra riscos de acidentes vitais, deve possuir um sistema de aterramento dimensionado adequadamente para as condies particulares de cada projeto. Um sistema de aterramento visa: - Segurana de atuao da proteo. - Proteo das instalaes contra descargas atmosfricas. - Proteo do indivduo contra contatos em partes metlicas a instalao energizadas acidentalmente.

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2.1

CONSIDERAES INICIAIS.

A fim de se evitar falsas expectativas sobre o sistema de proteo, desejava-se fazer os seguintes esclarecimentos:

1 - A descarga eltrica atmosfrica (raio) e um fenmeno da natureza absolutamente imprevisvel e aleatrio, tanto em relao as suas caractersticas eltricas (intensidade de corrente, tempo de durao, etc.), como em relao aos efeitos destruidores decorrentes de sua incidncia sobre as edificaes.

2 - Nada em termos prticos pode ser feito para se impedir a "queda" de uma descarga em determinada regio. No existe "atrao" a longas distancias, sendo os sistemas prioritariamente receptores. Assim sendo, as solues internacionalmente aplicadas buscam to somente minimizar os efeitos destruidores a partir da colocao de pontos preferenciais de captao e conduo segura da descarga para a terra.

3 - A implantao e manuteno de sistemas de proteo (pra-raios) e normalizada internacionalmente pela IEC (International Eletrotecnical Comission) e em cada pais por entidades prprias como a ABNT (Brasil), NFPA (Estados Unidos) e BSI (Inglaterra).

4 - Somente os projetos elaborados com base em disposies destas normas podem assegurar uma instalao dita eficiente e confivel. Entretanto, esta eficincia nunca atingira os 100 % estando, mesmo estas instalaes, sujeitas a falhas de proteo. As mais comuns so a destruio de pequenos trechos do revestimento das fachadas de edifcios ou de quinas da edificao ou ainda de trechos de telhados. 5 - No e funo do sistema de pra-raios proteger equipamentos eletro-eletrnicos (comando de elevadores, interfones, portes eletrnicos, centrais telefnicas, subestaes, etc.), pois mesmo uma descarga captada e conduzida a terra com segurana, produz forte interferncia eletromagntica, capaz de danificar estes

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equipamentos. Para sua proteo, devera ser contratado um projeto adicional, especifico para instalao de supressores de surto individuais (protetores de linha).

6 - Os sistemas implantados de acordo com a Norma, visam proteo da estrutura das edificaes contra as descargas que a atinjam de forma direta, tendo a NBR5419 da ABNT como norma bsica.

7 - E de fundamental importncia que apos a instalao haja uma manuteno peridica anual a fim de se garantir a confiabilidade do sistema. So tambm recomendadas vistorias preventivas apos reformas que possam alterar o sistema e toda vez que a edificao for atingida por descarga direta.

2.2

TABELA PARA SELEO DO NVEL DE PROTEO

TIPO DE EDIFICAO

NVEL DE PROTEO

Edificaes com explosivos, inflamveis, industriais Qumicos, Nucleares, Laboratrios bioqumicos, Fbricas de munio e fogos de artifcio, Estaes de telecomunicaes, Usinas Eltricas, Indstrias com risco de incndio, Refinarias, etc. Edifcios Comerciais, Bancos, Teatros, Museus, Locais arqueolgicos, Hospitais, Prises, Casas de Repouso, Escolas, Igrejas, reas Esportivas. Edifcios Residenciais, Industrias, Casas, Estabelecimentos Agropecurios e Fazendas com estruturas em madeira. NVEL III Galpes com sucata ou de contedo desprezvel, fazendas e/ou estabelecimentos agropecurios com estrutura em madeira.Tabela 1: Nvel de proteo

NVEL I

NVEL II

NVEL IV

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2.3

ELEMENTOS QUE COMPEM UM SISTEMA DE

PROTEO

CAPTAO

Tem como funo receber as descargas que incidam sobre o topo da edificao e distribu-las pelas descidas. So compostas por elementos metlicos, normalmente mastros ou condutores metlicos devidamente dimensionados.

DESCIDAS

Recebem as correntes distribudas pela captao encaminhando-as o rapidamente para o solo. Para edificaes com altura superior a 20 metros tem tambm a funo de receber descargas laterais, assumindo neste caso tambm a funo de captao devendo os condutores ser corretamente dimensionados para tal.

ANIS DE CINTAMENTO

Os anis de cintamento assumem duas importantes funes. A primeira e equalizar os potenciais das descidas minimizando assim o campo eltrico dentro da edificao. A segunda e receber descargas laterais e distribu-las pelas descidas. Neste caso tambm devero ser dimensionadas como captao. Sua instalao devera ser executada a cada 20 metros de altura interligando todas as descidas.

ATERRAMENTO

Recebe as correntes eltricas das descidas e as dissipam no solo.

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Tem tambm a funo de equalizar os potenciais das descidas e os potenciais no solo, devendo haver preocupao com locais de frequncia de pessoas, minimizando as tenses de passo nestes locais. Para um bom dimensionamento da malha de aterramento e imprescindvel a execuo previa de uma prospeco da resistividade de solo.

2.4

TRATAMENTO QUMICO DO SOLO

A resistncia de terra dependendo muito da constituio qumica do solo. Muitas vezes, o aumento do nmero de barras de aterramento no consegue diminuir a resistncia do terra significativamente. Somente nessa situao devemos pensar em tratar quimicamente. Somente nessa situao devemos pensar em tratar quimicamente o solo. O tratamento qumico tem uma grande desvantagem em ralao ao aumento do nmero de hastes, pois a terra, aos poucos, absorve os elementos adicionados. Com o passar do tempo, sua resistncia volta aumentar, portanto, essa alternativa deve ser o ltimo recurso. Temos vrios produtos que podem ser colocados no solo antes ou depois da instalao da haste para diminuirmos a resistividade do solo. A Bentonita e o Gel so os mais utilizados. De qualquer forma, o produto a ser utilizado para essa finalidade deve ter as seguintes caractersticas: No ser txico. Deve reter umidade. Bom condutor de eletricidade. Ter pH alcalino (no corrosivo). No deve ser solvel em gua.

Uma observao importante no que se refere a instalao em baixa tenso a proibio ( por norma ) de aterramento qumica do solo para equipamentos a serem instalados em locais de acesso pblico (colunas de semforos, caixas telefnicas, controladores de trfego, etc.). Essa medida visa a segurana das pessoas nesses locais.

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2.5

MTODOS EXISTENTES.

Atualmente existem trs mtodos de dimensionamento: 1-Mtodo Franklin, porem com limitaes em funo da altura e do Nvel de proteo (ver tabela); 2- Mtodo Gaiola de Faraday; 3- Mtodo da Esfera Rolante, Eletrogeometrico ou Esfera Fictcia.

O mtodo Franklin, devido as suas limitaes impostas pela Norma passa a ser cada vez menos usado em edifcios sendo ideal para edificaes de pequeno porte O mtodo da esfera Rolante e o mais recente dos trs acima mencionados e consiste em fazer rolar uma esfera, por toda a edificao. Esta esfera ter um raio definido em funo do Nvel de Proteo. Os locais onde a esfera tocar a edificao so os locais mais expostos a descargas. Resumindo poderemos dizer que os locais onde a esfera toca, o raio tambm pode tocar, devendo estes serem protegidos por elementos metlicos (captores Franklin ou condutores metlicos).

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2.5.1 MTODO DE FRANKLIN.

Consiste em se determinar o volume de proteo propiciado por um cone, cujo ngulo da geratriz com vertical varia segundo o nvel de proteo desejado e para uma determinada altura da construo. A tabela 02 fornece o ngulo mximo de proteo para uma altura da construo no superior a 20m.

Nvel de Proteo 0-20 21-30

Altura do captor (m) 31-45 46-60 >60

ngulo de proteo (em graus) I II III IV 25 35 45 55 (A) 25 35 45 (A) (A) 25 35 (A) (A) (A) 25 (B) (B) (B) (B)

(A) Aplicam-se somente os mtodos eletrogeomtricos, malha ou gaiola de Faraday. (B) Aplicam-se somente o mtodo gaiola de Faraday.

Tabela 2: ngulo de proteo e altura da construo.

Utilizando a propriedade das pontas metlicas de propiciar o escoamento das cargas eltricas para a atmosfera, chamado poder das pontas. Franklin concebeu e instalou um dispositivo que desempenha esta funo, denominada pra-raios. Fica claro que as descargas eltricas dentro de uma determinada zona so mais facilmente escoadas pelo pra-raios do que por uma estrutura de concreto, por exemplo. A figura 5 mostra o principio fundamental da atuao de um para-raios. As cargas eltricas, em vez de irromperem de um ponto qualquer do solo, so conduzidas at as pontas do pra-raios (captor) atravs de um cabo de excelente condutividade eltrica (cabo de cobre), permitindo, desta forma, que as descargas sejam efetuadas atravs deste, propiciando a proteo da construo dentro de um determinado raio de atuao.

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Figura 5: Ilustrao da concentrao de cargas eltricas no captor.

J a Tabela 2 fornece o ngulo de proteo contar descargas atmosfricas tornando como base diferentes alturas de construo. Por exemplo, num projeto de uma construo predial comercial de 10 andares, ou seja, 30m de altura aproximadamente, o ngulo de proteo deve ser 25, j que se trata de prdio classificado no nvel de proteo II, conforme classificao vista na Tabela 2.

Figura 6 : ngulo de proteo do para raio.

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2.5.2 MTODO DA GAIOLA DE FARADAY O mtodo de Faraday, ao contrrio do mtodo de Franklin, indicado, na prtica, para edificaes com altura relativamente baixa, porm com uma grande rea horizontal, nas quais seria necessria uma grande quantidade de captores do tipo Franklin , tornando o projeto muito oneroso.No entanto, para edificaes com altura superior a 60 m obrigatrio o emprego do mtodo de Faraday, de acordo com a NBR 5416/01. O mtodo de Faraday fundamentado na teoria pela qual o campo eletromagntico nulo no interior de uma estrutura metlica ou envolvida por uma superfcie metlica ou por uma malha metlica, quando so percorridas por uma corrente eltrica de qualquer intensidade.

Figura 6: Gaiola de Faraday.

A Gaiola de Faraday formada por vrias quadrculas de condutores, ou seja, anis, que evitaro a penetrao do raio no interior do prdio. Em sua experincia, Faraday demonstrou que quando as correntes uniformemente distribudas passam pela Gaiola, o campo magntico no interior da mesma nulo. Quando as correntes no so uniformes o campo no seu interior no nulo, mas muito pequeno. O raio ao cair na estrutura, no produz uma dissipao uniforme. Por este motivo ocorrem indues internas devido variao do campo magntico existente no interior da gaiola. Assim sendo, as correntes induzidas nas quadrculas criam campos magnticos de oposio, levando o raio para as bordas da malha,

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obrigando-o a fluir para o condutor de descida. Este mtodo o mais usado na Europa, baseado na teoria de Faraday, segundo a qual o campo no interior de uma gaiola nulo, mesmo quando passa por seus condutores uma corrente de valor elevado. Para que o campo seja nulo, na verdade, preciso que a corrente se distribua uniformemente por toda a superfcie. O campo ser nulo, na realidade, no centro da gaiola, mas nas proximidades dos condutores haver sempre um campo que poder dar tenses induzidas em condutores das instalaes eltricas que estejam paralelos aos condutores da malha. A proteo mxima no caso do mtodo de Faraday obtida quando a estrutura envolvida por uma caixa metlica de paredes soldadas e de espessura suficiente para suportar o efeito trmico do raio no ponto de impacto. Como esta soluo raramente pode ser adotada, o mtodo de Faraday consiste em instalar um sistema de captores formado por condutores horizontais interligados em forma de malha. A distncia entre os condutores ou a abertura da malha est relacionada com o nvel de proteo desejado. Quanto menor distncia entre os condutores da malha, melhor ser a proteo obtida. A referncia fixa as dimenses bsicas da malha para cada nvel de segurana, mostrado na tabela 2. NIVEL DE PROTEO I II II IV LARGURA MAXIMA DA MALHA (M) 5 10 10 20 COMPRIMENTO DA MALHA (M) < 10