Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas

• ELETROTÉCNICA COMCOMITANTE IV• PROFESSOR:• Plínio• ALUNOS:• Luan de Souza Cândido• Lucas Siqueira• Rafael Araújo• Adriano

Formação das Descargas Atmosféricas• Os relâmpagos, descargas atmosféricas ou

raios, são formados dentro de uma nuvem denominada cumuloninho, que possui característica diferenciada em relação às outras, por ser verticalmente mais extensa. Essas nuvens se formam a uma altura de 2 km do solo e se estendem até 18 km acima.

O ar quente e úmido próximo do solo se eleva na atmosfera (ele sobe porque é mais leve que o ar acima dele).O deslocamento para cima faz com que se esfrie até chegar ao topo da nuvem onde a temperatura é de 30°C negativos. A partir desse momento o vapor de água que estava misturado com o ar quente transforma-se em granizo, que em função do seu peso começa a precipitar-se para a base da nuvem. Nesse deslocamento para baixo ocorre o choque com outras partículas menores, principalmente com cristais de gelo. A colisão entre essas partículas (granizo e cristais de gelo) faz com que fiquem carregadas eletricamente.O granizo como é mais pesado, fica com carga negativa e se desloca para a base da nuvem, enquanto os cristais de gelo ficam com carga positiva, e por serem mais leves, deslocam-se para a parte superior (topo) da nuvem. As cargas da nuvem, dentro da nuvem, se separam: positivas na parte superior e negativas na parte inferior. Quando as cargas atingem valores extremamente elevados, ocorre a descarga atmosférica.

A maioria dos raios ou relâmpagos começa e termina dentro das nuvens. São poucos os que vêm para o chão.

No momento inicial do relâmpago, alguns milésimos de segundo antes da descarga, a nuvem e o solo ficam com uma diferença de potencial que pode variar de 10 kV a 100 kV, formando assim, um gigantesco capacitor.Cerca de oitenta por cento dos atingidos por raios são do sexo masculino. Em média, somente vinte por cento dos atingidos por um raio morrem imediatamente por causa de paradas cardíacas e cardiorrespiratórias. Dos que sobrevivem, setenta por cento ficam com sequelas, que podem se desenvolver vagarosamente, ficando evidentes somente algum tempo depois do acidente. As principais consequências enfrentadas pelos sobreviventes são arritmia e disfunção cardíaca, perda de consciência, amnésia, ansiedade, confusão mental, paralisia temporária, danos na medula espinhal, queimaduras profundas nos pontos de entrada e saída das cargas elétricas, rompimento dos tímpanos, anormalidades na retina e na córnea, entre muitas outras. Mas o raio tem uma fundamental importância para o nosso planeta, é o raio que faz a manutenção da camada de ozônio. A descarga elétrica numa região onde tem oxigênio produz o gás ozônio (O3). Graças aos raios, a nossa camada de ozônio não acaba. Se dependesse do homem ela não existia mais.

Proteção contra descargas AtmosféricasA proteção contra as descargas atmosféricas, apesar de toda tecnologia existente hoje em dia, continua sendo o primitivo para-raios, uma invenção do século XVIII.No entanto, para que o para-raios fosse inventado, foi necessário, primeiramente, descobrir que os raios são um fenômeno elétrico. O estudo experimental foi uma façanha realizada em 1752, pelo cientista Benjamim Franklin (1706 – 1790).Antes de uma tempestade, ele empinou uma pipa em direção às nuvens, já desconfiado de que elas estivessem carregadas de cargas elétricas. Com muita habilidade e, principalmente interesse e curiosidade pela ciência, verificou que uma parte dessas descargas descia pelo fio de seda. Benjamim Franklin amarrou um fio bem fino de metal na pipa e uma chave na ponta. A partir da chave, um fio de seda que ele segurava um outro fio de metal que fazia contato com o solo. Ao aproximá-lo da chave, ele soltava faíscas. Através da atitude de Franklin surgiram os para-raios muito conhecidos hoje em dia.

Uma edificação é considerada segura contra descargas atmosféricas a partir do momento em que todo o procedimento de instalação de proteção for projetado e construído de tal maneira que os componentes da estrutura, as pessoas, os equipamentos e instalações, eu estejam permanentemente ou temporariamente em seu interior, fiquem efetivamente protegidos contra os raios e seus efeitos pelo maior espaço de tempo possível.É praticamente impossível conseguir proporcionar uma eficiência de 100% na proteção contra descargas atmosféricas, tendo em vista que é um fenômeno não conhecido perfeitamente e que continua sendo uma fonte riquíssima de constantes pesquisas no Brasil e no mundo.

NBR 5419: 2005Esta Norma fixa as condições de projeto, instalação e manutenção de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA), para proteger as edificações e estruturas definidas em 1.2 contra a incidência direta dos raios. A proteção se aplica também contra a incidência direta dos raios sobre os equipamentos e pessoas que se encontrem no interior destas edificações e estruturas ou no interior da proteção imposta pelo SPDA instalado.

• 1.2 Esta Norma é aplicável às estruturas comuns, utilizadas para fins comerciais, industriais, agrícolas, administrativos ou residenciais, e às estruturas especiais previstas no anexo A.

1.3 As prescrições desta Norma não garantem a proteção de pessoas e equipamentos elétricos ou eletrônicos situados no interior das zonas protegidas contra os efeitos indiretos causados pelos raios, tais como: parada cardíaca, centelhamento, interferências em equipamentos ou queima de seus componentes causados por transferências de potencial devidas à indução eletromagnética.

1.4 Esta Norma não se aplica a:a) sistemas ferroviários;b) sistemas de geração, transmissão e distribuição de energia elétrica externos às estruturas;c) sistemas de telecomunicação externos às estruturas;d) veículos, aeronaves, navios e plataformas marítimas.

1.5 Esta Norma não contempla a proteção de equipamentos elétricos e eletrônicos contra interferências eletromagnéticas causadas pelas descargas atmosféricas.

1.6 A aplicação desta Norma não dispensa a observância dos regulamentos de órgãos públicos aos quais a instalação deva satisfazer.

Constituição de um SPDA

•Captores (para - raios, terminais, etc.);•Condutores de interligação ou descida;•Sistema de aterramento(hastes, cabos, etc.).

Tipos de captores:•Hastes ou Pontas Franklin (para - raios do tipo Franklin)•Hastes ionizantes (para - raios radioativos)•Gaiola de Faraday

Condutores de interligação ou descida:•Cabos;•Fitas;•Estruturas prediais (metálicas ou ferragens).

Sistemas de aterramento mais comuns:Eletrodo vertical (haste);Múltiplos eletrodos verticais;Eletrodos horizontais (cabos);Múltiplos eletrodos horizontais (sistema radial ou em anel);Sistemas combinados de eletrodos verticais e horizontais (sistema em malha).

O SPDA apresenta-se sempre numa configuração série, como na figura.

Gaiola de Faraday

Michael Faraday conduziu um experimento para demonstrar que uma superfície condutora eletrizada possui campo elétrico nulo em seu interior dado que as cargas se distribuem de forma homogênea na parte mais externa da superfície condutora devido à repulsão eletrostática entre cargas de mesmo sinal. Isto ocorre devido à tendência natural de cargas elétricas de mesmo sinal é de ocuparem regiões de maior distância possível umas das outras, de modo a minimizar a diferença de potencial eletrostático, causando um efeito chamado de blindagem eletrostática. Este experimento foi chamado Gaiola de Faraday.

Baseado neste princípio é possível, hoje, utilizar o método Gaiola de Faraday na construção de Sistemas de Proteção contra Descargas Atmosféricas

O método Faraday é também conhecido como método da utilização dos condutores em malha ou gaiola.Captores em malha consistem em uma rede de condutores dispostos no plano horizontal ou inclinado sobre o volume a proteger. As gaiolas de Faraday são formadas por uma rede de condutores envolvendo todos os lados do volume a proteger.Quanto menor forem as distancias dos condutores das malhas, maior será o nível de proteção.

Este método é o mais utilizado em varias partes do mundo.• Ele foi especificado em norma a partir de1993.• É o mais recomendado para edifícios com grades áreas especialmente em grandes alturas, sendo o mesmo obrigatório para prédios com mais de 60 metros de altura.• Para um prédio residencial ou comercial comum (nível de proteção tipo lll) o mesh ou modulo da malha devera ser de 10 x 20 m.

Para a realização de um bom projeto de SPDA é importante seguiralgumas dicas:

O copperweld é um material típico em sistemas de aterramento, consistindo em uma alma de aço revestida por uma camada de cobre.

Empregando o SPDA Método Gaiola de Faraday

1. Devemos selecionar o nível de proteção exigido para a edificação que queremos proteger.

Níveis de ProteçãoMesmo com a instalação de um SPDA, há sempre a possibilidade de falha desse sistema. A partir desse enunciado, a IE 1024-1 determina quatro diferentes níveis de proteção com base nos quais devem ser tomadas decisões de projeto mais ou menos severas.

Nível I – é o mais severo quanto à perda de patrimônio. Refere-se às construções protegidas, cuja falha no SPDA pode provocar danos às estruturas adjacentes, tais como: indústrias petroquímicas, de materiais explosivos, etc.

Nível II – refere-se às construções protegidas, cuja falha no SPDA pode ocasionar a perda dos bens de estimável valor ou provocar pânico aos presentes, porém sem nenhuma consequência para as construções adjacentes. Enquadram-se neste nível os museus, teatros, estádios, etc.

Nível III – refere-se às construções de uso comum, tais como os prédios residenciais, comerciais e industriais de manufaturados simples.

Nível IV – são as construções em que não é rotineira a presença de pessoas. São feitas de material não inflamável, e o produto armazenado nelas é de material não combustível, tais como armazéns de concreto para produtos de construção.

Definido o nível de proteção define-se o espaçamento entre os condutores de descida

Nível deproteção

RaioAté

20 mh 21 ma 29 m

h 30 ma 44 m

h>60 mMalha da

GaiolaEspaçamento das

descidasEficiência do SPDA

I 20 25 A A B 5 x 10 10 95 a 98%

II 30 35 25 A B 10 x 20 15 90 a 95%

III 45 45 35 25 B 10 x 20 20 80 a 90%

IV 60 55 45 35 B 20 x 40 25 Até 80%

unidades metros graus graus graus metros metros porcentagem

A = Aplicar somente Gaiola de Faraday ou Esfera RolanteB = Aplicar somente Gaiola de FaradayH = Altura do captor em relação ao solo

Definimos agora o tipo de condutor e a seção (bitola) deste condutor

Nível de proteção

MaterialCaptor e anéis intermediários

Descidas de até 20m

Descidas acima de 20m

Aterramento

Equalizações de potenciais mm²

Alta corrente

Baixa corrente

I a IV

Cobre 35 16 35 50 16 6

Alumínio 70 25 70 - 25 10

Aço galvanizado a fogo

50 50 50 80 50 16

mm² mm² mm² mm²

Obs: as bitolas se referem à seção transversal dos condutores em mm²

SPDA pelo método Gaiola de Faraday em

Prédios

Quando as normas se referem a equalização dos potenciais estão querendodizer que estamos executando uma interligação para reduzir substancialmente a diferençade potencial entre dois pontos de uma instalação ou entre duas referencias de potencial de circuitos diferentes, ou ainda entre dois prédios.O raio tem uma fundamental importância para o nosso planeta, é o raio que faz a manutenção da camada de ozônio. A descarga elétrica numa região onde tem oxigênio produz o gás ozônio(O3). Graças aos raios a nossa camada de ozônio não acaba. Se dependesse do homem ela não existia mais.