spda cefetes apostila

7/23/2019 SPDA CEFETES APOSTILA

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CEFETES PROJETOS ELTRICOS INDUSTRIAIS

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UNIDADE 02

SISTEMA DE PROTEO CONTRA DESCARGAS ATMOSFRICAS - SPDA

2.1- Introduo

Em todas civilizaes e pocas os homens procuravam se defender dos e-feitos dos raios de diversas maneiras, criando assim uma srie de atitudes que te-mos conhecimento; algumas corretas e muitas completamente baseadas em mitose superties. Uma curiosidade a respeito deste assunto o costume de algumaspessoas normalmente no interior guardarem, para se proteger dos raios, a "pedrado raio" ou "cunha", que um material fundido no solo no lugar atingido por um rai-o.

Um raio, normalmente produto do encontro de uma centelha (lder ascen-dente) saindo dum solo carregado com outra centelha que desce duma nuvem tam-bm carregada (lder descendente), dando origem a uma descarga eltrica de gran-de intensidade (ordem de 100kA).

Nas descargas negativas nvem terra, que so as mais frequentes, o raio precedido por um canal ionizado descendente (lder), que se desloca no espao emsaltos sucessivos de algumas dezenas de metros. medida que avana o lder in-duz na superfcie da terra uma carga eltrica crescente de sinal contrrio. Com a-proximao do lder, o campo eltrico na terra torna-se suficientemente intenso paradar origem a um lder ascendente (receptor) , que parte em direo ao primeiro. Oencontro de ambos estabelece o caminho da corrente do raio (corrente de retorno),que ento se descarrega atravs do canal ionizado. O raio atinge o solo ou uma es-trutura no local onde partiu o lder ascendente, e , como esta se origina no ponto


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onde o campo eltrico mais intenso, o trajeto do raio no necessariamente verti-cal. Isto fica evidente quando as estruturas altas so atingidas lateralmente pelosraios, no obstante estarem protegidas por captores no topo.

Associado as descargas atmosfricas esto os seguintes efeitos:

a)Grande elevao de temperatura no centro do canal do raio e uma violenta ex-panso do ar, produzindo o rudo chamado trovo;b)Fortes campos eletromagnticos, em torno do canal do raio que se propaga acentenas de metros;c)No ponto de impacto no solo, convergem linhas radiais de correntes que se deslo-cam no interior do solo em forma de "razes".d) ao longo das linhas de correntes existem quedas de tenses e, ao tomarmospontos de mesmo potencial entre as linhas podemos imaginar, no caso de resistivi-dade constante do solo, linhas concntricas de mesmo potencial chamadas linhasequipotenciais;e) no caso do raio cair numa rvore temos as situaes: incndio da rvore quandoa intensidade da corrente pequena e sua durao grande; ou a quebra da rvo-

re, sem queima, quando a intensidade for muito alta e de pequena durao.

Sobre os seres moventes vivos, podemos destacar os efeitos:

a) Parada Cardaca: causada devido ao efeito dos campos magnticos no ciclo car-daco, atravs da fibrilao ventricular. Existe a probabilidade de 4 em 5 de umapessoa escapar desses efeitos.b)Tenso de passo: na rea prxima ao local no solo atingido pelo raio existem aslinhas de correntes que produzem diferenas de potenciais, podendo provocar a cir-culao de correntes nos pontos de apoio dos seres (ps e patas). Nos bpedescomo a distancia menor que nos quadrpedes, estas correntes so de menor ins-tensidade tornando-os menos sensveis tenso de passo;c)Tenso de Toque: quando o condutor ou superfcie onde passa o raio tem umaresistividade elevada surgir valores altos de quedas de tenses que podero pro-vocar a morte de pessoas que as tocam.d)Descarga Lateral: pode ocorrer tambm uma descarga entre a superfcie referidaanteriormente e uma pessoa, mesmo sem haver o toque. causa de muitas mortesdevido ao fato das pessoas procurarem proteger-se sob as rvores;e)Descarga Direta: ocorre quando a descarga incide diretamente sobre uma pesso-a, normalmente num campo aberto, raramente sobrevivem devido aos efeitos dasqueimaduras sobre o crebro e corao.

A seguir algumas regras de proteo pessoal para os seres bpedes:

a)Evitar ficar em campos abertos durante uma tempestade;b)Quando no existir casas para se proteger, a pessoa deve abaixar-se com mos,cabea e joelhos juntos; quando ser uma boa oportunidade para voc refletir setem sido bom aluno;c)Estando dentro da gua tambm deve sair, pois a gua poder ficar condutora;d)No ficar nas janelas, nem prximo a grandes corpos metlicos como grades,tanques e escadas.


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2.2- A Necessidade de Proteo

A primeira pergunta que pode surgir de um candidato a projetista sobre umSPDA : Qual o tipo de edificao ou estrutura que precisa de um sistema de pro-teo? Numa torre de iluminao de um estdio necessrio? Numa ponte de con-creto de grandes dimenses? Numa caixa de gua com 10 m de altura? A respos-

tas a esta perguntas fornecida por normas tais como a inglesa BS 6651, a ameri-cana NFPA 78 e a nossa norma brasileira que a NBR 5419-93.

Estruturas especiais com riscos inerentes de exploso, tais como aquelascontendo gases lquidos inflamveis, requerem geralmente o mais alto nvel de pro-teo.

Para os demais tipos de estruturas, deve ser inicialmente determinado se umSPDA , ou no, exigido. Em muitos casos, a necessidade de proteo evidente,por exemplo:a)em locais de grande afluncia de pplico;b)em locais que prestam servios pblicos essenciais;c)em reas com alta densidade de descargas atmosfricas;d)em estruturas isoladas, ou com altura superior a 25,00 m;e)em estruturas de valor histrico ou cultural.

A seguir apresentado um mtodo para determinar se um SPDA , ou no,exigido e qual o nvel de proteo aplicvel.

Frequncia mdia anual previsvel de descargas atmosfricas sobre uma estrutura(N)

N=AexNgx10-6[raios/ano]

Ae uma rea chamada rea de atrao em m2em torno da estrutura onde

os raios que caem so atrados.

Ae calculada como sendo a rea em planta da estrutura aumentada de h(sua altura) em toda suas dimenses, por exemplo: Dado um prdio de base a x be altura h vemos na vista lateral e na vista em planta respectivamente;

A rea de atrao desta estrutura : Ae= a . b + 2.h. (a + b) + . h2

Densidade de descargas atmosfricas para a terra (Ng)

Ng=0,04xI1,25

[raios/Km2/ano]


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ndice Isoceranico (I)

Nmero de dias de tempestade por ano que ocorre numa regio chamada dendice isoceranico, e obtido a partir de mapas metereolgicos denominadosma-pas isocerunico (Vitria; I=30 - Sta Tereza;I=60).

Frequncia mdia anual admissvel de danos (Nc)

Nc=NxAxBxCxDxE

Se Nc

10-5

, riscos maiores ou iguais a 10-5

(isto , 1 em 100.000) por ano so con-siderados inaceitveis, o que indica que a estrutura requer um SPDA.

Nc 10-5

SPDA OBRIGATRIO

Se Nc < 10-5, riscos menores a 10-5(isto , 1 em 100.000) por ano , em geral, soconsiderados aceitveis, dispensando o uso de SPDA.

Nc < 10-5 SPDA DESNECESSRIO

O risco de vida geralmente muito baixo, mas as desgargas atmosfricaspodem causar pnico e incndios. Portanto, devem ser tomadas todas as medidaspara minimizar esses efeitos, em especial entre crianas e pessoas idosas ou en-fermas.

Os fatores A, B, C, D, E so obtidos de tabelas da norma conforme indicadoa seguir:

Tipo de

Ocupao

Fator

A

Material de

Construo

Fator

B

Contedo da

Edificao

Fator

CLocalizao

Fator

DTopografia

Fator

E

casas 0,3

Metal

revestido,

cobertura no

metlica

0,2comun,

sem valor0,3

rodeado porrvores ou

estruturas

0,4 plancie 0,3

casas com an-

tena externa0,7

concreto

cobertura

no metlica

0,4sensvel a

danos0,8 semi-isolada 1 colina 1

fbricas, labo-

ratrios1

metal ou

concreto

cobertura

metlica

0,8

subestaes,

gs, rdio/TV/

telefonia

1 isolada 2montanha,

300 a 900m1,3

escritrios, ho-

tis,

apartamentos

1,2 alvenaria 1

museus, mo-

numentos valo-

res especiais

1,3montanha,

acima de 900m1,7

museus,

exposies,shopping

center,

estdios

1,3 madeira 1,4 escolas,hospitais

1,7

escolas, hospi-

tais1,7

alvenaria ou

madeira com

cobertura

metlica

1,7

cobertura de

palha2


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Aps calcular o valor de Nc, pode-se tomar a deciso quanto a instalao doSPDA, porm e necessrio ainda dar a esta proteo um grau de segurana con-forme a utilizao do ambiente, e de acordo com a NBR5419-93 adota-se um dosnveis a seguir:

Tabela para Seleo do Nvel de Proteo

Tipo de Edificao Nvel deProteoEdificaes de explosivos , Inflamveis, Indstrias Qumicas , Nucleares ,Laboratrios bioqumicos , Fbricas de munio e fogos de artifcio , Es-taes de telecomunicaes usinas Eltricas ,Indstrias com risco de incndio,Refinarias, etc.

NVEL I (98%)

Edifcios Comerciais, Bancos , Teatros , Museus , Locais arqueolgicos ,Hospitais , Prises , Casas de repouso , Escolas , Igrejas, reas esporti-vas

NVEL II (95%)

Edifcios Residenciais,Indstrias,Casas residenciais ,Estabelecimentos agropecurios e Fazendas com estrutura em madeira.

NVEL III (90%)

Galpes com sucata ou de contedo desprezvel , Fazendas e Es-tab.Agrop. com estrut. em madeira

NVEL IV (80%)

Nota: os valores entre parnteses representa a eficincia terica de cada nvel.

2.3 - Os Mtodos de Proteo

2.3.1- Mtodo de Franklim (ngulo de Proteo)

Consiste de uma haste metlica (captor) a uma determinada altura do solo eligada terra por condutores eltricos. Forma um cone que delimita um volume deproteo de acordo com o ngulo conforme figura abaixo.


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O valor do ngulo definido em funo do NVEL DE PROTEO de a-cordo com a tabela a seguir

h

NVEL

menorque 20 m

menorque 30 m

menorque 45 m

menorque 60 m

I 25 * * *II 35 25 * *III 45 35 25 *IV 55 45 35 25

Notas:1-Os ngulos esto em graus e onde assinalado com * no dever ser utilizado omtodo Franklim.2-Quando h mais de um captor na rea entre eles, o ngulo ser acrescido de+10 graus.

2.3.2 - Mtodo de Faraday (Gaiola de Faraday ou Condutores em Malha)

baseado na teoria de que o campo magntico no interior de uma gaiolacondutora nulo, mesmo passando pelos condutores elevadas correntes. O mto-do consiste instalar um sistema de captores formado por condutores horizontais in-terligados em forma de malha. A distncia entre os condutores ou abertura das ma-lhas depende do NVEL DE PROTEO conforme tabela e exemplo a seguir. A fimde diminuir a possibilidade dos condutores da malha serem rompidos pela correntedo raio na hora do impacto do mesmo, a norma recomenda instalar captores verti-cais ou terminais areos de 30 a 50 cm de altura, separados de 5 a 8m ao longodos condutores da malha. Recomenda-se no instalar condutores de alimentaoeltrica , no interior do prdio, prximo e paralelo aos condutores da gaiola, a fim

de evitar induo de sobretenses durante as descargas pelo SPDA.

NVEL malhaI 5 x 10 mII 10 x 15 mIII 10 x 15 mIV 20 x 20 m

2.3.3 - Mtodo Eletrogeomtrico (Esfera Rolante ou Fictcia)

o mtodo mais moderno e consiste em imaginarmos um esfera de raio R,onde este raio definido em funo do NVEL DE PROTEO, e, existindo umahaste captora aterrada a esfera delimitar uma regio protegida que ficar entre ahaste e a superfcie externa esfrica conforme indicado na figura a seguir:


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NVEL DEPROTEO

RAIO DAESFERA(m)

I 20

II 30

III 45

IV 60

Volume de proteo de umcaptor vertical com h < R

Com a distncia R, traa-se uma horizontal paralela ao plano do solo e umsegmento de crculo com centro no topo do captor. em seguida, com centro no pon-to de interseo P e raio R, traa-se um segmento de crculo que tangencia o topodo captor e o plano do solo. O volume de proteo delimitado pela rotao sim-trica da rea A em torno do captor.

Volume de proteo de um captor vertical com h > R

Mediante procedimento anlogo ao descrito anteriormente, pode-se determi-nar o volume de proteo para estruturas de grande altura, neste caso, como o ilus-trado na figura, verifica-se que a altura eficaz do captor e h > R , pois sobre a estru-tura excedente podem ocorrer descargas laterais.

EXEMPLO DA PROTEO EM EDIFICAES BAIXAS

EXEMPLO DA PROTEO DA ESFERA ROLANTE EM EDIFCIOS ALTOS

R

h

R

R R

R

h

R

R

P

P

rea A rea Ah R> h R>


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2.4 -Instalao de um Sistema de Proteo contra Descargas Atmosfricas -SPDA

2.4.1-Captores

Funo: Receber a descarga atmosfrica, reduzindo ao mnimo a probabilidade daestrutura ser atingida por a um raio e deve suportar os efeitos trmicos e eletrodi-

nmicos da corrente de descarga.Tipos de captores: haste, cabo esticado, condutores em malha;Recomendaes:

Instalar os captores de forma que todo o teto da estrutura esteja sob ovolume de proteo;

Instalar condutores em anel nas periferias de todas as salincias das es-truturas (casa de mquinas), caixa dgua, etc...)

Todas as partes metlicas do teto como escadas, beirais, mastros, ante-nas, faro parte do sistema captor e devero ser interligados aos condutoresmais prximos;

No topo de estruturas com altura maior que 20 m recomenda-se instalarum captor em forma de anel ao longo de todo o permetro.

Captores naturais: Coberturas metlicas no revestida de materiais isolantes com espessuramaior que 0,5mm. Esta espessura no previne contra perfuraes, para ga-rantir este fator as espessuras de 4,5 e 7 mm para ao, cobre e alumnio res-pectivamente;

Parte metlicas , calhas, parapeitos, beirais, mastros, tanques, interliga-das aos condutores do sistema de proteo;

Elementos metlicos da construo do teto ( trelias, armaes e outros),desde que a estrutura possa ser excluda do volume a proteger.

2.4.2-Condutores de descida

Funo: Conduzir a corrente do raio at a terra, reduzindo ao mnimo a possibilida-de de haver descargas laterais e de campos eletromagnticos intensos no interiorda edificao e a ainda suportar os efeitos trmicos da corrente de descarga.Condies mnimas: Deve ser instalado no mnimo um condutor de descida por has-te, e no caso do gaiola de Faraday no mnimo dois condutores de descida;

Sees mnimas dos condutores

NVEL DE PRO-TEO

MATERIAL CAPTOR CONDUTOR DEDESCIDA

ELETRODO DEATERRAMENTO

COBRE 35 16* 50ALUMNIO 70 25* -I - IVAO 50 50* 80

*Estes valores so para estrutura at 20m de altura. Para estruturas mais altas assees so respectivamente:35mm2, 70mm2 e 50mm2.


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Nmeros de Descidas e Espaamento

As descidas devem estar distribudas ao longo do permetro do prdio, comum espaamento mximo definido pela tabela:

NVEL ESPAAMENTO

MXIMOI 10II 15III 20IV 25

Recomendaes:

Devem ser espaados regularmente, de preferncia utilizando-se um emcada canto;

Para estruturas com altura maior que 20 m, as descidas devem ser interli-gadas a condutores horizontais, formando anis;

Devem ser distanciados no mnimo 0,5 m de portas e janelas;

Pode ser instalado na superfcie, por suportes apropriados, embutidos ouespaados dependendo da constituio dos materiais da parede;

Devem ser retilneos, evitando-se curvas e laos;

As emendas somente podero ser realizadas por solda exotrmica;

conectores de medio prximos aos eletrodos de aterramento;

Devem ser protegidas com eletrodutos at a altura de 2,5 m acima do so-lo.

Descidas naturais:

Instalaes metlicas com continuidade garantida;

Pilares metlicos das estruturas;

Armaes de ao das estruturas de concreto armado, desde que pelo me-nos 50% dos cruzamento das barras verticais e horizontais sejam firmementeamarradas, e as barras verticais sejam soldadas ou sobrepostas no mnimo20 vezes seu dimetro firmemente amarradas, ou sejam embutidos conduto-res especficos com continuidade assegurada.

2.4.3-Sistema de aterramento

Funo: Dispersar a corrente de descarga pelo solo, oriundas dos condutores dedescida. Sua baixa impedncia destina-se a reduzir as tenses de passo e de to-que. Deve suportar os efeitos trmicos e resistir ao processo de corroso impostopelos diferentes tipos de solo.Recomendaes: As resistncias de aterramento devem ser menores que 10

prefervel utilizar sistemas de aterramento nico e interligado a estrutura. Aterra-mentos distintos devem ser interligados.Eletrodos de aterramento: Hastes verticais, condutores em anel, armaes de aodas fundaes. Cada descida deve ter no mnimo um eletrodo, os eletrodos devemser distanciados a um mero da fundao. No caso de mais de uma haste, estas de-vem ser distanciadas no mnimo entre elas da profundidade de cravao.


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Exemplo do clculo da necessidade de instalao de um SPDA:

rea de atrao:

Ae= ab + 2h (a+b) +h2Ae= 1245 + 210 (12+45) + 102

Ae= 1994 m2

Densidade de descargas atmosfricas para a terra (Ng)

Ng = 0,04 I1,25Ng = 0,04601,25Ng = 6,68 raios/km2/ano

Frequncia mdia anual previsvel de descargas atmosfricas sobre uma estrutura (N)

N = AaNg10-6N= 19946.6810-6

N= 13,310-3

raios/ano

Frequncia mdia anual admissvel de danos (Nc)

Nc = PABCDENc= 13,310-31,70,41,72,01,3Nc= 4010-3

A proteo ser: desnecessria se Nc < 10-5e obrigatria se Nc > 10-3. Logo a Es-cola Centelha deve ser protegida.

45m

12m

Escola Centelha

Altitude: 800m

Edificao bem distante de outras estruturas

com rvores prximas com altura de 4m

,

10m

Estrutura de concreta com cobertura de cimento

amianto -localizada em Lombardia Sta TerezaE


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