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APOSTILA ORIENTATIVAPARA PROJETISTAS

SPDA

(SISTEMAS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGASELÉTRICAS ATMOSFÉRICAS)

Edição 4 Dezembro / 2003Fonte: NBR-5419 / 2001 da ABNT

TERMOTÉCNICA IND. COM. LTDA Data: 20/12/03 Página: 1 / 9Rua Zito Soares, 46 - Jardinópolis - Anel Rodoviário - CEP: 30532_260 - Belo Horizonte - MG



INTRODUÇÃO

Este trabalho tem como objetivo levar ao conhecimento de projetistas, engenheiros e outrosinteressados no assunto, algumas orientações técnicas e práticas sobre a implantação de Sistemas deProteção Contra Descargas Atmosféricas, baseado em nossa larga experiência de instalação, fabricação ,projeto e consultoria técnica. Foi usada uma linguagem acessível para facilitar o entendimento de leigos epessoas com poucos conhecimentos na área elétrica.

As orientações aqui contidas foram embasadas nas Normas Técnicas NBR5419 / 2001 .Recomendamos que a norma seja lida, antes de se iniciar qualquer projeto.

CONSIDERAÇÕES INICIAIS

A fim de se evitar falsas expectativas sobre o sistema de proteção, gostaríamos de fazer osseguintes esclarecimentos:

1 - A descarga elétrica atmosférica (raio) é um fenômeno da natureza absolutamente imprevisível ealeatório, tanto em relação às suas características elétricas (intensidade de corrente, tempo de duração,etc ), como em relação aos efeitos destruidores decorrentes de sua incidência sobre as edificações.

2 - Nada em termos práticos pode ser feito para se impedir a "queda" de uma descarga em determinadaregião. Não existe "atração" a longas distâncias, sendo os sistemas prioritariamente receptores. Assimsendo, as soluções internacionalmente aplicadas buscam tão somente minimizar os efeitos destruidores apartir da colocação de pontos preferenciais de captação e condução segura da descarga para a terra.

3 - A implantação e manutenção de sistemas de proteção (pára-raios) é normalizada internacionalmentepela IEC (International Eletrotecnical Comission) e em cada país por entidades próprias como a ABNT(Brasil), NFPA (Estados Unidos) e BSI (Inglaterra).

4 - Somente os projetos elaborados com base em disposições destas normas podem assegurar umainstalação dita eficiente e confiável. Entretanto, esta eficiência nunca atingirá os 100 % estando, mesmoestas instalações, sujeitas a falhas de proteção. As mais comuns são a destruição de pequenos trechos dorevestimento das fachadas de edifícios ou de quinas da edificação ou ainda de trechos de telhados.

5 - Não é função do sistema de pára-raios proteger equipamentos eletro-eletrônicos (comando deelevadores, interfones, portões eletrônicos, centrais telefônicas, subestações, etc ), pois mesmo umadescarga captada e conduzida a terra com segurança, produz forte interferência eletromagnética, capaz dedanificar estes equipamentos. Para sua proteção, deverá ser contratado um projeto adicional, específicopara instalação de supressores de surto individuais (protetores de linha).

6 - Os sistemas implantados de acordo com a Norma , visam a proteção da estrutura das edificaçõescontra as descargas que a atinjam de forma direta, tendo a NBR-5419 da ABNT como norma básica.

7 - É de fundamental importância que após a instalação haja uma manutenção periódica anual a fim de segarantir a confiabilidade do sistema. São também recomendadas vistorias preventivas após reformas quepossam alterar o sistema e toda vez que a edificação for atingida por descarga direta.

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HISTÓRICO

O raio é um fenômeno da natureza que desde os primórdios vem intrigando o homem, tanto pelomedo provocado pelo barulho, quanto pelos danos causados.

Para algumas civilizações primitivas o raio era uma dádiva dos deuses, pois com ele quase semprevêm as chuvas e a abundância na lavoura. Para outras civilizações era considerado como um castigo e apessoa que morria num acidente de raio , provavelmente havia irritado os Deuses sendo o castigomerecido. Havia também civilizações que glorificavam o defunto atingido por um raio, pois ele havia sidoescolhido entre tantos seres humanos , com direito a funeral com honras especiais.

Após tantas civilizações o homem acabou descobrindo que o raio é um fenômeno de naturezaelétrica e por isso deve ser conduzido o mais rapidamente possível para o solo, a fim de minimizar seusefeitos destrutivos.

O primeiro cientista a perceber que se tratava de um fenômeno elétrico foi Benjamin Franklin( 1752 ), que na época afirmou que após a colocação de uma ponta metálica em cima de uma casa, estaatrairia os raios para si e a edificação estaria protegida contra raios, caindo estes na ponta metálica.

Após alguns anos, tomou conhecimento de edificações que tinham sido atingidas e o raio não haviacaído na ponta metálica. Assim sendo, reformulou sou teoria e afirmou que a ponta metálica seria ocaminho mais seguro para levar o raio até o solo com segurança caso a ponta seja atingida por um raio. Apartir daí começou-se a definir a região até onde esta ponta teria influência ( séc. XVlll - Gay Lussac ) ecomeçou-se as esboçar os primeiros cones de proteção , cuja geratriz era função de um ângulo prédefinido, resultando num cone com um raio de proteção.

Este ângulo foi reduzido com o passar dos anos e hoje é função do grau de exposição da edificação,bem como dos riscos materiais e humanos envolvidos. Para edificações residênciais até 20 m de altura oângulo é de 45 graus, veja como definir o ângulo de proteção, na figura abaixo:




A FENOMENOLOGIA DO RAIO

Os raios são produzidos por nuvens do tipo “cumulu-nimbus” e se formam por um complexoprocesso interno de atrito entre partículas carregadas. Á medida que o mecanismo de auto produção decargas elétricas vai aumentando, dá-se origem a uma onda elétrica que parte da base da nuvem emdireção ao solo buscando locais de menor potencial , ficando sujeita a variáveis atmosféricas, tais comopressão, temperatura, etc, definindo assim uma trajetória ramificada e aleatória.

Essa primeira onda caracteriza o choque líder (chamado de condutor por passos) que define suaposição de queda entre 20 a 100 metros do solo. A partir deste primeiro estágio o primeiro choque do raiodeixa um canal ionizado entre a nuvem e o solo que dessa forma permitirá a passagem de uma avalanchede cargas com corrente de pico em torno de 20 KA.

Após esse segundo choque violento de cargas passando pelo ar, provoca-se o aquecimento destemeio até 30.000 ºC, provocando a expansão do ar (trovão).

Neste processo os elétrons retirados das moléculas de ar, retornam, fazendo com que a energiaabsorvida pelos mesmos na emissão, seja devolvida sob a forma de luz(relâmpago). Na maioria dos casoseste mecanismo se repete diversas vezes no mesmo raio.

ATUALIDADE

Com a nova edição da norma de pára-raios, NBR5419, datada de 2001 a eficiência dos Sistemas deProteção foi substancialmente aumentada, não deixando nada a desejar em relação a normas de outrospaíses, inclusive pelo fato desta ter tido a norma IEC como referência.

Atualmente existem três métodos de dimensionamento:

1) Método Franklin, porém com limitações em função da altura e do Nível de proteção (ver tabela);

2) Método Gaiola de Faraday;

3) Método da Esfera Rolante, Eletrogeométrico ou Esfera Fictícia.

O método Franklin, devido às suas limitações impostas pela Norma passa a ser cada vez menosusado em edifícios sendo ideal para edificações de pequeno porte.

O método da esfera Rolante é o mais recente dos três acima mencionados e consiste em fazer rolaruma esfera , por toda a edificação. Esta esfera terá um raio definido em função do Nível de Proteção,

Os locais onde a esfera tocar a edificação são os locais mais expostos a descargas. Resumindopoderemos dizer que os locais onde a esfera toca, o raio também pode tocar , devendo estes seremprotegidos por elementos metálicos (captores Franklin ou condutores metálicos).

CAPTORES MILAGROSOS

Com o intuito de ganhar dinheiro às custas de pessoas leigas ou desatualizadas, alguns fabricantesdivulgam captores com ângulos majorados ( tipo 80º ou mais), dispositivos artificiais e até filosofiaspatéticas para tentar ganhar o espaço deixado pelos captores radioativos, que estão com sua fabricaçãoproibida pela CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear).

Nenhum outro método de proteção que não seja normalizado deverá ser levado a sério. As normasda ABNT são documentos exigidos também pelo código de defesa do consumidor.




EXEMPLO DA PROTEÇÃO DA ESFERA ROLANTE EM EDIFÍCIOS ALTOS

EXEMPLO DA PROTEÇÃO EM EDIFICAÇÕES BAIXASMétodo da esfera Rolante

ELEMENTOS QUE COMPÕEM UM SISTEMA DE PROTEÇÃO

CAPTAÇÃO

Tem como função receber as descargas que incidam sobre o topo da edificação e distribuí-las pelasdescidas.

É composta por elementos metálicos, normalmente mastros ou condutores metálicos devidamentedimensionados.

DESCIDAS

Recebem as correntes distribuídas pela captação encaminhando-as o 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 corretamentedimensionados para tal.

No nível do solo as descidas deverão ser interligadas com cabo de cobre nu 50mm2. TERMOTÉCNICA IND. COM. LTDA Data: 20/12/03 Página: 5 / 9

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ANÉIS DE CINTAMENTO

Os anéis de cintamento assumem duas importantes funções.

A primeira é equalizar os potenciais das descidas minimizando assim o campo elétrico dentro daedificação.

A segunda é receber descargas laterais e distribuí-las pelas descidas. Neste caso também deverãoser dimensionadas como captação.

Sua instalação deverá ser executada a cada 20 metros de altura interligando todas as descidas.

ATERRAMENTO

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

Tem também a função de equalizar os potenciais das descidas e os potenciais no solo , devendohaver preocupação com locais de freqüência de pessoas , minimizando as tensões de passo nestes locais.

Para um bom dimensionamento da malha de aterramento é imprescindível a execução prévia deuma prospecção da resistividade de solo.

EQUALIZAÇÃO DE POTENCIAIS INTERNOS

Nas descidas, anéis de cintamento e aterramento foram já mencionadas as equalizações depotenciais externos. Vamos agora abordar as equalizações de potenciais internos, ou seja a equalizaçãodos potenciais de todas as estruturas e massas metálicas que poderão provocar acidentes pessoais,faíscamentos ou explosões.

No nível do solo e dos anéis de cintamento (a cada 20 metros de altura), deverão ser equalizadosos aterramentos do neutro da concessionária elétrica ,do terra da concessionária de telefonia, outrosterras de eletrônicos e de elevadores (inclusive trilhos metálicos), tubulações metálicas de incêndio e gás( inclusive o piso da casa de gás quando houver ), tubulações metálicas de água, recalque, etc.

Para tal deverá ser definido uma posição estratégica para instalação de uma caixa de equalizaçãode potenciais principal ( LEP / TAP ) que deverá ser interligada à malha de aterramento. A cada 20 metrosde altura deverão ser instaladas outras caixas de equalização secundárias, conectadas às ferragensestruturais, e interligadas através de um condutor vertical conectado à caixa de aterramento principal.

A ligação da caixa de equalização bem como as tubulações metálicas poderão ser executadas comcabo de cobre 16mm2 antes da execução do contra-piso dos apartamentos localizados nos níveis dosanéis de cintamento. A amarração das diferentes tubulações metálicas poderá ser executada por fitaperfurada niquelada (bimetálica) que possibilita a conexão com diferentes tipos de metais e diâmetrosvariados , diminuindo também a indutância do condutor devido à sua superfície chata.




COMO ELABORAR UM PROJETO

Tentaremos resumir os passos e cuidados a serem tomados na elaboração de projetos. Daremosinicialmente mais ênfase a prédios pois são as edificações mais complexas de dimensionamento e tambémas que em geral sofrem maiores danos principalmente no tocante a descargas laterais.

Ao projetar a captação o primeiro passo consiste em distribuir condutores metálicos pela periferiada edificação, com fechamentos de acordo com a tabela anexa distribuindo as descidas também de acordocom a tabela anexa. Deverá ser dada preferência para as quinas da edificação.

O uso de mastros com captores Franklin em prédios altos, visam a proteção localizada de antenas eoutras estruturas existentes no topo da edificação, devendo o restante do prédio ser protegido peloscabos que compõem a malha da Gaiola de Faraday.

As descidas deverão ser distribuídas ao longo do perímetro do prédio, de acordo com o nível deproteção (tab. anexa) com preferência para os cantos. Este espaçamento deverá ser médio e semprearredondado para cima. Um cuidado deverá ser tomado ao especificar os condutores de descida , poisedificações com altura superior a 20 metros, estão expostas a descargas laterais, assumindo assimtambém a função de captor (cobre 35mm2 ou alumínio 70mm2 ) . Caso o prédio esteja com a estruturade concreto executada e o reboco não tenha ainda sido iniciado, os cabos ( de cobre) poderão ser fixadospor baixo do reboco, eliminando assim os efeitos estéticos indesejáveis.

Para edificações com a fachada já pronta , os cabos ( descidas e anéis de cintamento ) poderão serfixados diretamente sobre o acabamento. Neste caso , poderá ser usada a barra chata de alumíniominimizando substancialmente os efeitos estéticos.

Os anéis de cintamento deverão ser executados a cada 20 metros de altura , contados a partir dosolo , até á captação , podendo também serem fixados por baixo do reboco (cobre) ou por cima doacabamento da fachada com cabo de alumínio ou barra chata de alumínio.

Quanto á malha de aterramento, o modo mais prático e seguro, consiste em circundar a edificaçãocom cabo de cobre nu 50mm2 a 50 cm de profundidade, formando um anel fechado, e colocar uma hastede aterramento tipo “Copperweld” de alta camada ( 250µm ) em cada descida, conectada ao anel atravésde soldas exotérmicas .

A equalização de potenciais, como já foi mencionado, deverá ser executada no nível do solo, e nonível dos anéis de cintamento horizontal.




INSTALAÇÃO GENÉRICA EM PRÉDIO, CONFORME NBR5419/2001




TABELA DE DIMENSIONAMENTO

Ângulo α do método Franklin em função da altura (H) e do nível de proteção.

Nível de Proteção

Raio daEsfera (m)

Altura (H)até 20m

Altura (H)de 21 a 29m



Altura (H) > 60m

Largura domódulo damalha de

captação daGaiola(nota 1)

EspaçamentoMédio dasDescidas

Eficiênciado 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 %

A = Aplicar somente Gaiola de Faraday ou Esfera Rolante; B = Aplicar somente Gaiola de Faraday; H = Altura do captor.

α = 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 acordocom 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 émedido em relação ao plano horizontal a ser protegido.

TABELA DE BITOLAS DOS CONDUTORES

Nível deProteção Material

Captação(mm2)

Descida< 20 m(mm2)

Descida> 20 m ( mm2 )

Aterramento(mm2)

EqualizaçõesAlta Corrente

( mm2 )

EqualizaçõesBaixa corrente

( mm2)

Espessura de Est. Metálicausada como captação(mm)Não perfura Perfura

I a IVCobre 35 16 35 50 16 6 5 0,5

Alumínio 70 25 70 -- 25 10 7 0,5Aço 50 50 50 80 50 16 4 0,5

TABELA PARA SELEÇÃO DO NÍVEL DE PROTEÇÃO

TIPO DE EDIFICAÇÃO NÍVEL PROTEÇÃOEdificações de explosivos, Inflamáveis, Indústrias Químicas, Nucleares, Laboratóriosbioquímicos, Fábricas de munição e fogos de artifício, Estações de telecomunicações usinasElétricas, Indústrias com risco de incêndio, Refinarias, etc.

I

Edifícios Comerciais, Bancos, Teatros, Museus, Locais arqueológicos, Hospitais, Prisões,Casas de repouso, Escolas, Igrejas, Áreas esportivas. IIEdifícios Residenciais, Indústrias, Casas residenciais, Estabelecimentos agropecuários eFazendas com estrutura em madeira. IIIGalpões de sucata ou conteúdo desprezível, Fazendas e Estab.Agrop. com estrut. em madeira IV

OBS: No caso de edificações muito perigosas (inflamáveis, produtos tóxicos, explosivos, etc.) deverá serconsultado um especialista para análise do grau de periculosidade , perigo para a vizinhança ,área deinalação de gases e até onde a ignição poderá ser iniciada. A classificação da tabela acima para indústriana nível III é genérica e deverá ser cuidadosamente observada tendo em vista existirem dentro degrandes indústrias, edificações com diferentes finalidades. Por exemplo: o escritório deve ser nível II, ogalpão com inflamáveis deve ser ser nível I e o galpão de sucata pode ser nível IV. Uma visita ao local énecessária para se definir o nível de cada edificação.


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