Universidade Anhembi Morumbi - UAM

Sistemas de Proteção Contra Descargas Atmosféricas (SPDA)

São Paulo

2013

Bárbara Menon

Carlos E. J. Moriya

Douglas Gomes

Fabiola Furtado

Jessica Bueno

Juliana Carvalho

Marcia Gabriela Assis de Moura

Renan Cortez

Salatiel Ferreira

Sistemas de Proteção Contra Descargas Elétricas (SPDA)

Trabalho entregue à disciplina de

Eletricidade e Mecânica do curso de

Engenharia Mecânica da Universidade

Anhembi Morumbi como constituinte parcial

de nota.

Professor: Marcos Rogério Candido

São Paulo

04/2013

SumárioIntrodução....................................................................................................................4

Objetivos..................................................................................................................5

História.........................................................................................................................6

Descargas Atmosféricas..............................................................................................7

Formação de Descargas Atmosféricas....................................................................7

Efeitos nos Seres Vivos...............................................................................................9

Parada Cardíaca......................................................................................................9

Tensão de Passo...................................................................................................10

Tensão de Toque...................................................................................................10

Descarga Lateral....................................................................................................10

Descarga Direta.....................................................................................................10

SPDA.........................................................................................................................11

Captação................................................................................................................11

Método de Franklin.............................................................................................11

Método da Gaiola de Faraday............................................................................12

Método Eletrogeométrico....................................................................................13

Descida (ao solo)...................................................................................................14

Aterramento...........................................................................................................15

Região Espacial Protegida.....................................................................................15

Hastes de Franklin..............................................................................................15

Gaiola de Faraday..............................................................................................16

Esferas Rolantes................................................................................................17

Conclusão..................................................................................................................18

Referências Bibliográficas.........................................................................................19

Introdução

Uma descarga atmosférica é um fenômeno natural que desde o início da

civilização causa temor e danos. A ação de uma descarga atmosférica é fulminante,

ela em um curto espaço de tempo, injeta correntes de ordem de centenas de kA

numa instalação, que caso não possam ser controladas, provocam uma série de

prejuízos e acidentes.

Raios são fenômenos atmosféricos caracterizados pela formação de correntes

elétricas com milhões de volts de potencial e que atingem a superfície causando

prejuízos materiais e mesmo mortes.

Apesar de serem observadas e estudadas há séculos, a evolução do

conhecimento a respeito das descargas atmosféricas evolui muito lentamente. Ainda

hoje, existem inúmeras dúvidas envolvendo o assunto.

Veremos os métodos de Franklin, Faraday e eletromagnético e seus

componentes, pois são os únicos com base cientifica comprovada, além de ver

detalhes específicos de algumas aplicações comuns em nosso dia a dia.

Objetivos

Esta pesquisa tem como um dos objetivos compreender o fenômeno das

descargas atmosféricas, assim como os métodos e as ferramentas de sistemas de

proteção contra descargas atmosféricas (SPDA).

História

Desde o período Paleolítico, o homem já temia "as forças da natureza" –

principalmente os vulcões e as descargas atmosféricas.

Figura 1, Tempestade com raios. Fonte: Blog spot Luís Campos.

Os primeiros estudos sobre a eletricidade atmosférica foram realizados no

século XIII por Benjamin Franklin, por meio de um experimento que consistia na

colocação de uma haste metálica abaixo de uma nuvem de tempestade. No

experimento ele faria a aproximação de um corpo aterrado em contato com o solo,

na nuvem, sendo a energia descarregada pela haste.

Em maio de 1752, o cientista francês Thomas-François D'Alibard (1703-1799)

realizou o experimento proposto por Franklin, levantou uma barra de ferro

pontiaguda na direção das nuvens de tempestade, e aproximou desta um fio

aterrado, verificando que faíscas saltavam do mastro para o fio, sendo assim

comprovou a hipótese de Franklin, se estabelecendo o princípio do funcionamento

dos para-raios.

Descargas Atmosféricas

As descargas atmosféricas são fenômenos da natureza imprevisíveis e

aleatórios que ocorrem quando a energia acumulada em uma nuvem atinge um valor

suficiente para romper a rigidez dielétrica do ar. Essas descargas podem ocorrer da

nuvem para o solo, do solo para a nuvem ou ocorrer na própria atmosfera sem haver

contato com o solo.

Quando uma descarga atmosférica envolve o solo, chama-se raio, o qual pode

ser definido simplesmente como um curto-circuito entre a nuvem e a terra. Como

consequência dessa descarga pode-se citar o estrondo causado pela violenta

expansão do ar, que é o trovão.

A corrente de uma descarga atmosférica é da ordem de 15.000A, podendo

chegar a 200.000A. O tempo de duração total de um raio é de aproximadamente 200

microssegundos, porém a frente de onda ocorre em apenas 1,2 microssegundos.

Formação de Descargas Atmosféricas

As descargas nuvem-solo, também denominados raios, são as mais

estudadas devido ao seu caráter destrutivo. Elas podem ser divididas em dois tipos

ou polaridades, definidas em função do sinal da carga efetiva transferida da nuvem

ao solo: negativas e positivas.

Os raios negativos, globalmente cerca de 90% dos raios, transferem cargas

negativas (elétrons) de uma região carregada negativamente dentro da nuvem para

o solo. Os raios positivos, cerca de 10%, transferem cargas positivas de uma região

carregada positivamente dentro da nuvem para o solo (na realidade, elétrons são

transportados do solo para a nuvem).

Os raios duram em média em torno de um quarto de segundo, embora valores

variando desde um décimo de segundo a dois segundos têm sido registrados.

Durante este período, percorrem na atmosfera trajetórias com comprimentos desde

alguns quilômetros até algumas dezenas de quilômetros.

A nuvem típica que se forma durante uma tempestade, a qual é responsável

pelas descargas atmosféricas, trovões e raios, é uma nuvem composta por cristais

de gelo, gotas d’água, flocos de neve, gotas de água bastante resfriadas e granizo.

Essas nuvens são conhecidas por cúmulo-nimbo.

Existem algumas teorias para se explicar o fenômeno das descargas

atmosféricas, entre essas, as mais aceitas pelos especialistas afirmam que, durante

uma tempestade, correntes ascendentes de ar úmido formam gotas, as quais irão

aumentar de tamanho, ao passo que uma gota se choque com a outra, até que a

ação da gravidade faça-as precipitarem. As gotas grandes encontram-se, em sua

queda, com as gotas pequenas em ascensão, fornecendo lhes cargas positivas e

recebendo negativa; assim, a parte superior da nuvem torna-se positiva e a inferior

negativa.

Este acúmulo de cargas negativas na parte inferior da nuvem gera um

acúmulo de cargas positivas no solo, logo se origina uma diferença de potencial

entre a nuvem e o solo que pode chegar até 100 MV durante uma tempestade. À

medida que esta diferença de potencial aumenta o campo elétrico também aumenta,

até que a rigidez dielétrica do ar seja rompida e a descarga alcance o solo.

Figura 2, Descarga de partículas. Fonte: Blog spot Luís Campos.

A descarga inicia quando o campo elétrico produzido por estas cargas excede

a capacidade isolante, também conhecida como rigidez dielétrica, do ar em um dado

local na atmosfera, que pode ser dentro da nuvem ou próximo ao solo. Quebrada a

rigidez, tem início um rápido movimento de elétrons de uma região de cargas

negativas para uma região de cargas positivas.

A corrente elétrica, por sua vez, sofre grandes variações desde algumas

centenas de ampères até centenas de quilo ampères. A corrente flui em um canal

com um diâmetro de uns poucos centímetros, denominado canal do relâmpago,

onde a temperatura atinge valores máximos tão elevados quanto algumas dezenas

de milhares de graus e a pressão valores de dezenas de atmosferas.

Embora o raio possa parecer para o olho humano uma descarga contínua, na

verdade em geral ele é formado de múltiplas descargas, denominadas descargas de

retorno, que se sucede em intervalos de tempo muito curtos. Ao número destas

descargas, dá-se o nome de multiplicidade do raio. Durante o intervalo entre as

descargas, variações lentas e rápidas de corrente podem ocorrer.

Como as descargas atmosféricas não podem ser evitadas, apenas

minimizados os seus efeitos, os sistemas de detecção e de proteção contra

descargas atmosféricas são de fundamental importância para a proteção de diversos

tipos de estruturas, construções ou instalações. Os sistemas de proteção são mais

utilizados do que os sistemas de detecção por serem economicamente mais viáveis

e por haver uma maior exploração de sua tecnologia há alguns anos, por outro lado,

os sistemas de detecção de descargas atmosféricas são tecnologias mais recentes

e apresentam um custo de implantação mais elevado.

Efeitos nos Seres Vivos

São os efeitos que o raio provoca sobre os seres vivos, quando atinge direta

ou indiretamente um ser vivo, podem ocorrer pela exposição ao campo

eletromagnético e suas correntes de circulação no corpo dos seres vivos.

Parada Cardíaca Provocada pela passagem de corrente no ser vivo, que causa fibrilação

ventricular com parada cardíaca.

Tensão de Passo É a tensão entre os pés do ser vivo, ou seja, um passo do mesmo (com os

pés separados), com isto ele ficara com os pés em linhas equipotenciais diferentes

provocando passagem de corrente pelo seu corpo, num ser vivo bípede isto

raramente provoca a morte, pois a parcela de corrente é pequena (linhas

equipotenciais próximas), já nos quadrúpedes geralmente é fatal (linhas

equipotenciais distantes) maior diferença de potencial, logo maior corrente passando

pelo tronco do ser vivo.

Tensão de Toque É a tensão provocada pelo toque do ser vivo no condutor durante uma

descarga eletromagnética e geralmente é provocada pela alta impedância(a

oposição que um circuito elétrico faz a passagem de corrente quando é submetido a

uma voltagem) do condutor, provocando passagem de corrente pelo ser vivo que

possui uma impedância menor que o condutor.

Descarga Lateral É provocado pela descarga do condutor ao ser vivo próximo pelo rompimento

da resistência do ar provocada pela alta tensão na hora da descarga atmosférica,

geralmente quando as pessoas estão em baixo do ponto de descarga (Arvores ou

sofrem efeitos dos campos magnéticos no laço entre eles e a árvore).

Descarga Direta É o caso onde uma pessoa andando em campo aberto recebe diretamente o

raio, neste caso ocorre queimaduras e passagem de corrente pelo coração e

cérebro geralmente levando o ser vivo a morte. Os sobreviventes geralmente são

seres que receberam a descarga de um braço menor do raio ou ramo do mesmo,

com baixa intensidade.

SPDA

O Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas é um sistema

completo destinado a proteger uma estrutura contra os efeitos das descargas

atmosféricas. Sua função é direcionar e dissipar a terra as descargas atmosféricas

(raios) causadas pelas nuvens eletrificadas pelo atrito e pela movimentação,

evitando danos ao edifício e às pessoas, valendo ressaltar que esses sistemas não

atraem, somente dissipam as descargas.

Os sistemas de proteção têm maneiras diferentes de se captar as descargas

atmosféricas, visto que, os subsistemas de descida e aterramento são os mesmos.

A NBR-5419/2005 reconhece três métodos de captação das descargas

atmosféricas: Método de Franklin, Método da Gaiola de Faraday e o Método

Eletrogeométrico.

Captação

Tem como função receber as descargas que incidam sobre o topo da

edificação e distribuí-las pelas descidas. É composta por elementos metálicos,

normalmente mastros ou condutores metálicos devidamente dimensionados.

Método de Franklin

O método Franklin é composto por um captor com quatro pontas montado

sobre um mastro, cuja altura deve ser calculada conforme as dimensões da

edificação, podendo ser colocado um ou mais captores para uma proteção mais

abrangente. O método de Franklin é recomendado para aplicação em estruturas

muito elevadas e de pouca área horizontal, onde se pode utilizar uma pequena

quantidade de captores, o que torna o projeto economicamente interessante.

Figura 3, Captor de quatro pontas. Fonte: Blog spot Luís Campos.

Consiste na colocação de hastes verticais sobre a edificação ou próximos

desta, de modo que a proteção baseia-se na rotação da tangente de um triângulo

em torno de um eixo (geratriz), cujo ângulo de abertura é pré-determinado, variando

em função do nível de proteção e altura da edificação.

Método da Gaiola de Faraday

O método Gaiola de Faraday ou malha, consiste no lançamento de cabos

sobre a cobertura da edificação, modulados com fechamentos de acordo com o nível

de proteção exigido para edificação. Esse método funciona como blindagem

eletrostática, uma tentativa de reduzir os campos elétricos dentro da edificação. As

suas vantagens são:

- Melhor eficiência e proteção

- Menor impacto estético

- Minimiza o campo elétrico dentro da edificação

- Sistema consagrado internacionalmente

- Menor manutenção preventiva

Figura 4, Projeto da gaiola de Faraday. Fonte: Blog spot Luís Campos.

As Gaiolas de Faraday são constituídas de isoladores simples, isoladores de

reforço, isoladores de quina, prensa-cabos, e principalmente dos isoladores tipo

captor aéreo, para que possam receber e dissipar as ondas eletromagnéticas de

uma descarga atmosférica.

Método Eletrogeométrico

O método da esfera rolante ou eletrogeométrico é datado da década de 80 e

constituiu-se de uma evolução do método Franklin. Muito usado para proteção de

linhas de transmissão e distribuição de energia elétrica, o método foi simplificado

para ser aplicado em edificações, servindo tanto para dimensionar o SPDA quanto

para checar a proteção com relação às edificações vizinhas, desníveis e estruturas

específicas, tais como antenas, placas e painéis, normalmente colocados nos topos

das edificações.

Figura 6, Gráficos de captores, Repositório Digital da UFRGS.

A esfera fictícia, pela qual também é conhecido o modelo Eletrogeométrico,

representa uma esfera de centro na extremidade do líder descendente e raio igual

ao comprimento de todos os saltos antes do ultimo, onde sua superfície representa o

lugar geométrico dos pontos a serem atingidos pela descarga atmosférica. A

distância R pode ser definida como o comprimento do último trecho a ser vencido

pelo líder descendente, sendo que esse comprimento será igual ao raio da

semiesfera fictícia que simulam os pontos a serem atingidos pela descarga.

Descida (ao solo)

Depois de a descarga atmosférica ser interceptada pelos captores tem-se a

necessidade deum caminho para a corrente até o subsistema de aterramento que

apresente baixa resistência, alta capacidade térmico para suportar o calor gerado

pela passagem da corrente, resistência mecânica para suportar os esforços

eletromecânicos e suportabilidade a corrosão.

Este caminho é denominado de subsistema de descida. Um subsistema de

descida eficiente deve reduzir ao mínimo a ocorrência de campos eletromagnéticos

perigosos no interior do volume a ser protegido, assim como a probabilidade de

descargas laterais.

Aterramento

O subsistema de aterramento é o coração do SPDA, ele tem a função de

dissipar no solo as correntes das descargas atmosféricas recebidas através do

subsistema de descida sem causar tensões de passo perigosas, mantendo baixa a

queda de tensão na resistência de terra. Se o aterramento for mal dimensionado

todo o trabalho do subsistema captor e do subsistema de descida será em vão, pois

a corrente não fluirá para ao solo através dos eletrodos de aterramento e buscará

caminhos mais fáceis para chegar até o solo, o que poderá causar danos às

instalações a serem protegidas, além de riscos de vida aos ocupantes das

instalações.

Para assegurar a dispersão da corrente de descarga atmosférica na terra sem

causar tensões perigosas, o arranjo e as dimensões do subsistema de aterramento

são mais importantes que o próprio valor da resistência de aterramento. Entretanto,

recomenda-se, para ocaso de eletrodos não naturais, uma resistência de

aproximadamente 10 ohms, como forma de reduzir os gradientes de potencial no

solo e a probabilidade de centelhamento perigoso.

Região Espacial Protegida

O volume protegido pelo para-raios é considerado a zona de proteção e

deve abranger toda a estrutura. O raio que cair em qualquer ponto deste volume, o

para-raios será o caminho preferido por ele.

Hastes de Franklin A zona de proteção do para-raios tipo Franklin é um cone. O vértice do cone

é a ponta do captor e o ângulo de inclinação é o ângulo de proteção definido em

função da altura do captor ao solo e do grau de proteção da estrutura.

Figura 7, Ilustração das Hastes de Franklin, Repositório Digital da UFRGS.

Recentemente se constatou que o ângulo que deve variar em função do nível

de proteção requerido e da altura da haste.

Figura 8, Tabela dos ângulos de proteção, Repositório Digital da UFRGS.

Gaiola de Faraday

É uma proteção muito eficiente e largamente utilizada. Consiste em cobrir a

edificação com uma grade metálica que está devidamente aterrada.

O raio bate na grade, escoa para a periferia da grade e desce pelos cabos de

descida.

Figura 9, Tabela dos dados da malha, Repositório Digital da UFRGS.

Esferas Rolantes

A esfera rolante deverá ser rolada sobre o solo e os elementos de proteção.

Neste caso a zona protegida é toda a região que não é tocada pela esfera. A esfera

rolante não poderá tocar na edificação.

Figura 10, Gráficos das esferas, Repositório Digital da UFRGS.

Figura 11, Dados das esferas, Repositório Digital da UFRGS.

Conclusão

Ao entender o funcionamento do SPDA, percebemos que tal sistema é

fundamental em qualquer tipo de estrutura, pois é através desse sistema que

podemos proteger o edifício da ação dos raios. Vale lembrar que a proteção não é

total, mas pode ser bastante satisfatória.

Hoje em dia é praticamente impossível que os prédios e torres não tenham

algum sistema de SPDA, pois é um dos pontos existentes dentro da NR 10 (norma

regulamentadora para Instalações elétricas e SPDA).

Também é fundamental que seja escolhida a melhor opção que atenda e

proteja da melhor forma as vidas presentes no local exposto ao risco, e hoje

conforme leitura do trabalho pode-se ter noção de que sempre terá uma opção

cabível à realidade de qualquer estrutura, área e/ou patrimônio.

Referências Bibliográficas

BRASIL. Usina Hidrelétrica de Furnas, Manual de Orientação, Alpinópolis – Minas

Gerais, 2000. Disponível em:<http://www.furnas.gov.br/rindat/descargas.htm>,

Ultimo acesso em: 10 de Abril de 2013.

BRASIL. Aneel, Agência Nacional de Energia Elétrica, Brasília – Distrito Federal,

2002. Disponível em: <http://www.aneel.gov.br/>, Ultimo acesso em: 9 de Abril de

2013.

BRASIL. Grupo Manhattan, Guia de Instalação de Para-raios, São Paulo – São

Paulo, 2007. Disponível em: <http://www.provedores.com.br/>, Ultimo acesso em: 10

de Abril de 2013.

Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas - NBR 5419-2005

KINDERMANN, Geraldo. Descargas atmosféricas. Sagra - DC Luzzatto Editores.

1992.

KNEBEL, A. J. SPDA. PDF. Junho de 2007.

ALVES PAZZINI, Luiz Henrique. Instalações elétricas