PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICASVolume 1 – Edificações, Baixa Tensão e Linhas de DadosDuílio Moreira Leite & Carlos Moreira Leitemm editora ltda - 1993

Cap. 2: Necessidade de proteçãoIntrodução:A decisão de proteger uma estrutura contra os raios pode ser uma exigência legal (no Brasil, são os códigos de obras municipais), uma precaução do proprietário para evitar prejuízos ou ainda uma exigência das companhias de seguro, já que os raios são causas de danos físicos e incêndios. As normas devem fornecer subsídios para os legisladores, proprietários e agentes de seguros decidirem quando há necessidade de proteção. Seo o código de obras de uma dada localidade não especificar quais estruturas devem obrigaoriamente ser protegidas, deverá ser empregado o método a seguir exposto.Área de atração:[...]Necessidade e níveis de proteção:A probabilidade de uma estrutura ser atingida por um raio, ou seja, de quantos em quantos anos é provável que, em média, caia um raio sobre ela é, pois, facilmente calculável pela expressão acima. A partir desse número é possível, levando em conta o material de que é construída, a finalidade ou a ocupação, os conteúdos, a existência de estruturas nas vizinhanças e o tipo do terreno, determinar o risco de haver algum dano a essa estrutura por ocasião da queda de um raio na sua área de atração. Este é o método usado tanto pela BS 6651 como pela NFPA 78; a norma alemã VDE O185 recomenda, como vimos, a utilização do método da norma inglesa, o mesmo o fazendo o projeto aprovado pelo COBEI para revisão da NB-165.A vantagem do método inglês é que ele fornece um número a partir do qual a proteção é obrigatória, enquanto que o americano fornece níveis de risco, deixando a avaliação da necessidade por conta do projetista ou do construtor/proprietário da estrutura. O projeto inglês leva em conta as várias situações relativas às estruturas e suas vizinhanças e estabelece para elas fatores de ponderação que multiplicados pela probabilidade de queda de raio na sua área de captação dará risco de dano pessoal.Para estabelecer o limite (ou número mágico) a partir do qual a proteção se torna obrigatória foram analisadas as várias causas de morte na Inglaterra, desde o hábito de fumar (a maior, com uma morte para cada 400 por ano), passando pelos acidentes naturais até chegar a probabilidade de morte por raio (uma morte para cada 2.000.000 por ano), tendo chegado ao valor 10-5 como valor de referência.Foram introduzidos 5 fatores de ponderação A, B, C, D e E (correspondentes a cada situação que pode influir no risco) que são traduzidos em números através de tabelas. O produto desses fatores pela probabilidade P dará o valor de P0 que deverá ser confrontado com o valor de referência adotado e tomada a decisão de se fazer ou não a proteção. A formação das tabelas da BS 6651 e adotadas pelo COBEI e que permitem adotar os fatores de ponderação A...E são as seguintes:[...]

Uma vez tomada a decisão de instalar um sistema de proteção, certamente não será possível dizer que a proteção é completa ou 100% segura. A partir desse ponto as normas dos diferentes países distanciam-se mais umas das outras: algumas (como a BS 6651 e a NFPA 78) consideram dois tipos de proteção correspondentes a estruturas comuns e estruturas perigosas, outras (como o VDE O185) consideram três tipos: comuns, perigosas e muito perigosas enquanto que a IEC considera quatro tipos: baixo risco, risco normal, risco elevado e risco muito elevado. É de se notar que, com a unificação da Europa, as normas também serão unificadas e, para os europeus, as normas da IEC passarão a ser normas européias (EN).Aos diferentes níveis de risco citados acima, a IEC 1024-I faz corresponder 4 níveis de proteção (também adotados pelo COBEI) que poderiam ser resumidamente relacionados com as estruturas, como descriminado a seguir:

Nível I – destinado à estruturas nas quais uma falha do sistema de proteção pode causar danos às estruturas vizinhas ou ao meio ambiente. Ex.: depósitos de explosivos, fábricas ou depósitos de produtos tóxicos ou radioativos, indústrias com áreas classificadas e outros.

Nível II – destinados às estruturas cujos danos em caso de falha serão elevados ou haverá destruição de bens insubstituíveis e/ou de valor histórico mas, em qualquer caso, se restringirão à própria estrutura e seu conteúdo. Ex.: museus, sítios arqueológicos, locais de acesso ao grande público (com risco de pânico).

Nível III – destinado às estruturas de uso comum como residências, escritórios, fábricas (excluídas aquelas com áreas classificadas) e outras.

Nível IV – destinado às estruturas construídas de material não inflamável, com pouco acesso de pessoas, e com conteúdo não inflamável. Ex.: depósitos em concreto armado, alvenaria ou estrutura metálica de produtos agrícolas não inflamáveis.

Pela simples leitura da classificação acima se verifica que haverá casos em que será desnecessário fazer qualquer cálculo, pois o risco é tão grande que haverá obrigatoriedade de fazer-se a proteção e no nível mais elevado que os conhecimentos atuais possibilitam. Uma análise dos possíveis danos a uma estrutura, por outro lado, pode levar à conclusão de que a proteção é desnecessária; neste caso é claro, não se pode contrariar a lei se esta obrigar a instalação da proteção (nestas circunstâncias se aplicaria o nível IV).Note-se que, no Brasil, quase sempre se chega à conclusão que há necessidade de proteção, pois as densidades aqui são elevadas e costumamos fazer prédios elevados.A avaliação dos riscos:Para imaginar os acidentes que podem ocorrer em uma estrutura podemos considerar o caso mostrados na fig. 2.7 (o sistema de proteção é formado por: captores, descidas e terras).Este é um exemplo de estrutura com área classificada (zona I junto ao telhado tanto interna como externamente) e protegida por cabos suspensos (captores) afastados da estrutura, com descidas também afastadas das faces laterais, unm tipo de proteção denominado isolada. O afastamento é para evitar que hajam descargas para o teto ou para as paredes laterais e fachadas.São os seguintes os tipos de acidentes que podem ocorrer:

1. Falha na blindagem direta: uma descarga consegue passar entre os cabos captores ou ao lado deles e chegar à área classificada causando um incêndio ou explosão. Para que isto não ocorresse o número de cabos deveria ser aumentado.

2. Falha da auto proteção: uma descarga passa pelos cabos captores e ainge o teto fora da área classificada, provoca fusão da telha metálica e isto inflama a mistura da zona I logo abaixo do teto. Isto seria evitado se a espessura da telha fosse tal que não houvesse perfuração nem aquecimento da face em contato com a mistura.

3. Falha do dimensionamento: o raio atinge o cabo captor que se funde, caindo material aquecido sobre a zona I e causando incêndio ou explosão. Isto ocorres quando o cabo não suporta o aquecimento no ponto de impacto do raio e sua secção deve ser aumentada.

4. Falha na proximidade: o raio atinge o cabo captor e se dirige à terra pelas descidas, mas as tensões (L . di/dt) geradas ao longo do percurso são suficientes para produzir descargas ao teto ou às paredes, podendo causar incêndios e explosões. Soluções: afastar mais os captores cruzados (formando uma malha) ou ainda aumentar o número de captores e descidas de modo a reduzir a indutância do caminho da corrente.

5. Falha da blindagem indireta: a corrente resultante da queda do raio ao passar pelos condutores de descida dá origem a campos eletromagnéticos que podem causar sobretensões induzidas na fiação das instalações elétricas ou danos diretos a equipamentos eletrônicos com componentes muito sensíveis (que também poderão ser danificados pelas referidas tensões induzidas). Soluções: aumentar o número de descidas, promover equalização dos potenciais, blindar os equipamentos mais sensíveis e os condutores, melhorar a topologia das instalações elétricas e proteger os equipamentos com redutores de sobre tensão.

6. Geração de descargas laterais: as correntes nos condutores de descida causam quedas de tensão ao longo desses componentes e podem dar origem a descargas laterais às pessoas que estejam em suas proximidades; estas tensões são a soma da queda de tensão indutiva (L . di/dt) ao longo dos condutores de descida com as quedas de tensão no sistema de terra (R . i). Solução: aumentar o número de condutores de descida (o que diminuirá L e di/dt) e, ao mesmo tempo, melhorar o sistema de terra (diminuindo R ou equalisando os potenciais).

7. Geração de tensões de passo: as correntes, ao se dispersarem no solo, produzirão tensões de passo perigosas às pessoas que estiverem nas vizinhanças do sistema de proteção. Soluções: melhorar o sistema de aterramento, diminuindo as tensões geradas no solo ou cobrir o terreno com uma camada de concreto, asfalto ou pedra britada.

8. Geração de tensões de torque: uma pessoa pode tocar inadvertidamente um condutor de descida no qual está naquele momento sendo gerada uma tensão (L . di/dt + R . i). Solução: análoga aos casos 6 e 7 ou providenciar meios que afastem as pessoas dos condutores de descida (colocação de avisos ou cercas, por ex.).

Por aí vemos que há uma dificuldade muito grande de avaliar os riscos pois, embora a probabilidade de ocorrer um raio sobre uma estrutura seja baixa (1 descarga a cada 2, 5, 10 ou 20 anos), as consequências poderão ser de vulto elevado, tanto do ponto de vista material como pessoal. Considerando as vidas humanas fica ainda mais difícil de avaliar o risco aceitável, tomando-se em geral como base o risco natural de estar vivo: acidentes, doenças, etc; no caso de animais costuma-se considerar o custo da reposição, salvo os de estimação cujo custo de reposição é muito difícil de avaliar.

Basicamente podemos definir: Eficiência da interceptação: é a relação entre o número de descargas recebidas pelo

sistema de captores e o número médio esperado de descargas sobre a área de atração da estrutura.

Eficiência do dimensionamento: é a relação entre o número de descargas captadas e que não produzem danos à estrutura e o número de descargas captadas pelo sistema de proteção.

Eficiência global de um sistema de proteção: é a relação entre o número de descargas que caem sobre o sistema de proteção ou sobre a estrutura e não produzem danos a ela e o número médio esperado de descargas sobre a área de atração da estrutura.

Obs: considera-se que uma descarga não produz dano a uma estrutura quando não há perdas de vidas nem danos físicos à estrutura e ao seu conteúdo.Uma vez seguidos os critérios da norma IEC-1024-I para cada um dos níveis de proteção, e obedecidos os dimensionamentos recomendados para as distâncias e para os materiais, são as seguintes as eficiências globais esperadas para cada nível de proteção:

Nível de Proteção EficiênciaI 98%II 95%III 90%IV 80%

Tabela – eficiências globais dos diversos níveis de proteção

Cap. 5: AterramentosO aterramento, em uma instalação de proteção contra descargas atmosféricas tem a finalidade de dissipar no solo as correntes dos raios sem provocar tensões de passo perigosas e mantendo baixa a queda de tensão na resistência de terra. Os condutores de um sistema de terra são denominados eletrodos e podem ser introduzidos no solo nas posições vertical, horizontal ou inclinada. Em frequência industrial a resistência de terra de um eletrodo é a relação entre a tensão aplicada entre ele e um eletrodo auxiliar e a corrente que passa através do solo entre os eletrodos. Quando submetido a um impulso de corrente, o eletrodo apresenta curvas tensão-tempo e corrente-tempo com valores de crista que não ocorrem simultaneamente.Podemos calcular a impedância transiente pela relação entre a tensão e a corrente em cada instante: Zi = V(t) / I(t) e a impedância de surto pela relação entre os valores de crista da tensão e da corrente: ZS = V/I.Como ambas impedâncias são diferentes da resistência de terra em baixa frequência pode-se também definir fator de impulso como a relação entre a impedância de impulso e a resistência em baixa frequência.As tensões de passo e sua redução:[...] A melhor maneira de evitar descargas ou sobretensões perigosas dentro de uma instalação é colocar todos os terras ao mesmo potencial e referir todos os condutores energizados também ao mesmo potencial. Dessa maneira, o valor da resistência de terra deixa de ser muito importante pois não surgirão dentro dos equipamentos tensões perigosas para as isolações e entre as carcaças e os operadores, tensões perigosas para estes últimos. Quando existirem

dentro da estrutura tubulações metálicas enterredas, de água, gás, ar comprimido, etc., elas devem fazer parte do sistema de aterramento; com isto teremos em terra de baixa resistência (20-25 Ω) e será reduzida em muito a probabilidade de ocorrerem tensões de passo elevadas, pois as tubulações formam um plano de terra.Em todas as edificações deverão ser instaladas barras de equalização do potencial isoladas da parede e ligadas ao sistema de aterramento externo pelo percurso mais curto possível. As dimensões dessas barras (eletricamente são pontos) dependem do número de ligações que serão feitas a elas, mas basicamente a sua secção deve ser, nas instalações industriais, de 50x3 a 6mm (2” x 1/8” a 1/4") e o comprimento da ordem de 1m a 1,5m ou mesmo mais. A essa barra serão ligadas as carcaças das máquinas, as tubulações metálicas, os terras dos dispositivos de proteção (para-raios, varistores, etc) e as esquadrias dos quadros de distribuição de força, e dela sairá a ligação para o anel externo no ponto mais próximo. Se a área da estrutura for muito grande deverão ser instaladas várias dessas barras e cada uma deve ser ligada ao anel externo no ponto mais próximo. A situação ideal será a construção de um anel interno ao qual são referidos todos os potenciais internos, interligando em vários pontos ao anel externo, pelos caminhos mais curtos possíveis. Uma situação intermediária será a interligação de várias barras internas por um condutor (por exemplo: de 16mm²). De acordo com a NB-3 (NBR-5410), a barra de equalização deve ficar próxima à entrada de força e é denominada Ligação Equipotencial Principal (LEP).Nas residências a barra de equalização é colocada na entrada da instalação e deve ser aí ligada a um sistema de aterramento e deve receber o neutro e os condutores de proteção. A ela deverão ser ligadas as carcaças dos aparelhos como ferro de passar, chuveiros, máquinas diversas e aparelhos de comunicação (telefone, televisão, rádios) e os “terras” dos pára-raios, varistores e filtros de linha colocados para proteção dos equipamentos.Para os prédios altos (mais de 20m) as barras deverão ser ligadas aos anéis que interligam as descidas do sistema de proteção externo, pelo menos, a cada 20 metros ao longo da altura, a partir do primeiro anel instalado a 20m do solo.