SISTEMAS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ELÉTRICAS ATMOSFÉRICAS

Para-raios APOSTILA ORIENTATIVA SOBRE SPDA SISTEMAS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ELÉTRICAS ATMOSFÉRICAS Edição 4 2015 Fonte : NBR-5419 / 2015 da ABNT TERMOTÉCNICA INDÚSTRIA E COMÉRCIO LTDA Rua Zito Soares, 46 - Camargos - Belo Horizonte - MG - 30532-260 Telefone: (31) 3308-7000 www.tel.com.br

INTRODUÇÃO - Este trabalho tem como objetivo levar ao conhecimento de projetistas, engenheiros e outros interessados no assunto, algumas orientações técnicas e práticas sobre a implantação de Sistemas de Proteção 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 e pessoas com poucos conhecimentos na área elétrica. - As orientações aqui contidas foram embasadas nas Normas Técnicas NBR5419/2015. 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 os seguintes esclarecimentos: 1 - A descarga elétrica atmosférica (raio) é um fenômeno da natureza absolutamente imprevisível e aleatório, 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 determinada região. Não existe "atração" a longas distâncias, sendo os sistemas prioritariamente receptores. Assim sendo, as soluções internacionalmente aplicadas buscam tão somente minimizar os efeitos destruidores a partir 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 internacionalmente pela 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 uma instalação dita eficiente e confiável. Entretanto, esta eficiência nunca atingirá os 100 % estando, mesmo estas instalações, sujeitas a falhas de proteção. As mais comuns são a destruição de pequenos trechos do revestimento 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 de elevadores, interfones, portões eletrônicos, centrais telefônicas, subestações, etc ), pois mesmo uma descarga captada e conduzida a terra com segurança, produz forte interferência eletromagnética, capaz de danificar estes equipamentos. Para sua proteção, deverá ser contratado um projeto adicional, específico para instalação de supressores de surto individuais (protetores de linha). 6 - Os sistemas implantados de acordo com a Norma, visam a proteção da estrutura das edificações contra 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 se garantir a confiabilidade do sistema. São também recomendadas vistorias preventivas após reformas que possam alterar o sistema e toda vez que a edificação for atingida por descarga direta.

HISTÓRICO - O raio é um fenômeno da natureza que desde os primórdios vem intrigando o homem, tanto pelo medo provocado pelo barulho, quanto pelos danos causados. - Para algumas civilizações primitivas o raio era uma dádiva dos deuses, pois com ele quase sempre vêm as chuvas e a abundância na lavoura. Para outras civilizações era considerado como um castigo e a pessoa que morria num acidente de raio, provavelmente havia irritado os Deuses sendo o castigo merecido. Havia também civilizações que glorificavam o defunto atingido por um raio, pois ele havia sido escolhido 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 natureza elétrica e por isso deve ser conduzido o mais rápidamente possível para o solo, a fim de minimizar seus efeitos 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, esta atrairia 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 havia caído na ponta metálica. Assim sendo, reformulou sou teoria e afirmou que a ponta metálica seria o caminho mais seguro para levar o raio até o solo com segurança caso a ponta seja atingida por um raio. A partir daí começou-se a definir a região até onde esta ponta teria influência (séc. XVlll - Gay Lussac) e começou-se as esboçar os primeiros cones de proteção, cuja geratriz era função de um ângulo pré definido, resultando num cone com um raio de proteção. Ângulo de proteção correspondente à classe de SPDA (Método Franklin) α 80 70 60 50 40 Classe do SPDA 30 20 I (*) II (*) III (*) IV (*) 10 0 0 2 10 20 30 40 50 60 H m IEC 2095/05 NOTA 1 NOTA 2 Não aplicável além dos valores marcados com *. Somente os métodos da esfera rolante e das malhas são aplicáveis nestes casos. H é a altura do captor acima do plano de referência da área a ser protegida. NOTA 3 O ângulo não será alterado para valores de H abaixo de 2 m. - 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. A figura acima determina o ângulo de proteção em função da altura (plano de referência).

A FENOMENOLOGIA DO RAIO Os raios são produzidos por nuvens do tipo cumulu-nimbus e se formam por um complexo processo interno de atrito entre partículas carregadas. Á medida que o mecanismo de auto produção de cargas elétricas vai aumentando, dá-se origem a uma onda elétrica que parte da base da nuvem em direção ao solo buscando locais de menor potencial, ficando sujeita a variáveis atmosféricas, tais como pressão, temperatura, etc, definindo assim uma trajetória ramificada e aleatória. Essa primeira onda caracteriza o choque líder (chamado de condutor por passos) que define sua posição de queda entre 20 a 100 metros do solo. A partir deste primeiro estágio o primeiro choque do raio deixa um canal ionizado entre a nuvem e o solo que dessa forma permitirá a passagem de uma avalanche de cargas com corrente de pico em torno de 20 KA. Após esse segundo choque violento de cargas passando pelo ar, provoca-se o aquecimento deste meio até 30.000 ºC, provocando a expansão do ar (trovão). Neste processo os elétrons retirados das moléculas de ar, retornam, fazendo com que a energia absorvida pelos mesmos na emissão, seja devolvida sob a forma de luz (relâmpago). Na maioria dos casos este mecanismo se repete diversas vezes no mesmo raio. ATUALIDADE - Com a nova edição da norma de pára-raios, NBR5419, datada de 2015 a eficiência dos Sistemas de Proteção foi substancialmente aumentada, não deixando nada a desejar em relação a normas de outros países, inclusive pelo fato desta ter tido a norma IEC 62305 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 ou Malha. 3)Método da Esfera Rolante, Eletrogeométrico ou Esfera Fictícia. - O método Franklin, devido ás suas limitações impostas pela Norma passa a ser cada vez menos usado 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 rolar uma 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. Resumindo poderemos dizer que os locais onde a esfera toca, o raio também pode tocar, devendo estes serem protegidos por elementos metálicos (captores Franklin ou condutores metálicos). Captores Milagrosos - Com o intuito de ganhar dinheiro às custas de pessoas leigas ou desatualizadas, alguns fabricantes divulgam captores com ângulos majorados (tipo 80º ou mais), dispositivos artificiais e até filosofias patéticas para tentar ganhar o espaço deixado pelos captores radioativos, que estão com sua fabricação proibida pela CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear). - Nenhum outro método de proteção que não seja normalizado deverá ser levado a sério. As normas da ABNT são documentos exigidos também pelo código de defesa do consumidor.

EXEMPLO DA PROTEÇÃO DA ESFERA ROLANTE EM EDIFÍCIOS ALTOS MÉTODO DA ESFERA ROLANTE ZOOM DA CAPTAÇÃO EXEMPLO DA PROTEÇÃO EM EDIFICAÇÕES BAIXAS MÉTODO 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 pelas descidas. - É composta por elementos metálicos, normalmente mastros ou condutores metálicos devidamente dimensionados.

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. - No nível do solo as descidas deverão ser interligadas com cabo de cobre nu #50 mm2. 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 da edificação. - A segunda é receber descargas laterais e distribuí-las pelas descidas. - Sua instalação deverá ser executada com espaçamento idêntico ao das descidas interligando todas as descidas horizontalmente. 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, devendo haver 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 de uma prospecção da resistividade de solo, exceto no caso do sistema estrutural. EQUALIZAÇÃO DE POTENCIAIS INTERNOS - Nas descidas, anéis de cintamento e aterramento foram já mencionadas as equalizações de potenciais externos. Vamos agora abordar as equalizações de potenciais internos, ou seja a equalização dos 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, deverão ser equalizados os aterramentos do neutro da concessionária elétrica,do terra da concessionária de telefonia, outros terras 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 equalização de potenciais principal (TAP) que deverá ser interligada à malha de aterramento. No nível dos anéis deverão ser instaladas outras caixas de equalização secundárias, conectadas às ferragens estruturais, 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 antes da execução do contra-piso dos apartamentos localizados nos níveis dos anéis de cintamento. A amarração das diferentes tubulações metálicas poderá ser executada por fita perfurada niquelada (bimetálica) que possibilita a conexão com diferentes tipos de metais e diâmetros variados, 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. Daremos inicialmente mais ênfase a prédios pois são as edificações mais complexas de dimensionamento e também as que em geral sofrem maiores danos principalmente no tocante a descargas laterais. - O primeiro passo consiste em fazer os cálculos da parte 2 da NBR5419/2015 para determinar a classe de proteção e a proteção interna. - Ao projetar a captação o primeiro passo consiste em distribuir condutores metálicos pela periferia da edificação, com fechamentos de acordo com a tabela anexa distribuindo as descidas também de acordo com 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 e outras estruturas existentes no topo da edificação, devendo o restante do prédio ser protegido pelos cabos que compõem a malha da Gaiola de Faraday. - As descidas deverão ser distribuídas ao longo do perímetro do prédio, de acordo com o nível de proteção com preferência para os cantos. Este espaçamento deverá ser médio e sempre arredondado para cima. Um cuidado deverá ser tomado ao especificar os condutores de descida, pois edificações com altura superior a 20 metros, estão expostas a descargas laterais, assumindo assim também a função de captor. Caso o prédio esteja com a estrutura de concreto executada e o reboco não tenha ainda sido iniciado, os condutores (de cobre) poderão ser fixados por baixo do reboco, eliminando assim os efeitos estéticos indesejáveis. - Para edificações com a fachada já pronta, os cabos (descidas e anéis de cintamento) poderão ser fixados diretamente sobre o acabamento. Neste caso, poderá ser usada a barra chata de alumínio minimizando substancialmente os efeitos estéticos. - Os anéis de cintamento deverão ser executados até a captação, podendo também serem fixados por baixo do reboco (cobre) ou por cima do acabamento da fachada com cabo de Alumínio ou barra chata de alumínio. - Quanto a malha de aterramento consiste em circundar a edificação com cabo de cobre nu # 50mm2 a 50 cm de profundidade, formando um anel fechado, e colocar uma haste de aterramento tipo Copperweld de alta camada (250 µ) em cada descida, conectada ao anel através de soldas exotérmicas. - A equalização de potenciais, como já foi mencionado, deverá ser executada no nível do solo, e no nível dos anéis de cintamento horizontal.

INSTALAÇÃO GENÉRICA EM PRÉDIO-NORMA NBR5419/2015

Ângulo de proteção correspondente à classe de SPDA (Método Franklin) α 80 70 60 50 40 30 20 I (*) II (*) III (*) Classe do SPDA NOTA 1 NOTA 2 IV (*) NOTA 3 Não aplicável além dos valores marcados com *. Somente os métodos da esfera rolante e das malhas são aplicáveis nestes casos. H é a altura do captor acima do plano de referência da área a ser protegida. O ângulo não será alterado para valores de H abaixo de 2 m. 10 0 0 2 10 20 30 40 50 60 H m IEC 2095/05 Material, configuração e área de seção mínima dos condutores de captação, hastes captoras e condutores de descidas. Material Configuração Área da seção mínima mm 2 Comentários d Fita maciça 35 Espessura 1,75 mm Arredondado maciço d 35 Diâmetro 6 mm Cobre Encordoado 35 Arredondado maciço b 200 Diâmetro 16 mm Fita maciça 70 Espessura 3 mm Alumínio Arredondado maciço 70 Diâmetro 9,5 mm Encordoado 70 Arredondado maciço b 200 Diâmetro 16 mm Aço cobreado IACS 30 % e Alumínio cobreado IACS 64 % Arredondado maciço 50 Diâmetro 8 mm Encordoado 50 Arredondado maciço 50 Diâmetro 8 mm Encordoado 70 Fita maciça 50 Espessura mínima 2,5 mm Aço galvanizado a quente a Arredondado maciço 50 Diâmetro 8 mm Encordoado 50 Aço inoxidável c Arredondado maciço b 200 Diâmetro 16 mm Fita maciça 50 Espessura 2 mm Arredondado maciço 50 Diâmetro 8 mm Encordoado 70 a b c d e Arredondado maciço b 200 Diâmetro 16 mm O recobrimento a quente (fogo) deve ser conforme ANBT NBR 6323. Aplicável somente a minicaptores. Para aplicações onde esforços mecânicos, por exemplo, força do vento, não forem críticos, é permitida a utilização de elementos com diâmetro mínimo de 10 mm e comprimento máximo de 1 m. Composição mínima AISI 304 ou composto por: cromo 16 %,níquel 8 %, carbono 0,07 %. Espessura, comprimento e diâmetro indicados na tabela referem - se aos valores mínimos, sendo admitida uma A cordoalha cobreada deve ter uma condutividade mínima de 30 % IACS (International Annealed Copper Standard). NOTA 1 Esta tabela não se aplica aos materiais utilizados como elementos naturais de um SPDA.

Material, configuração e dimensões mínimas de eletrodo de aterramento Dimensões mínimas f Material Configuração Eletrodo cravado (diâmetro) Eletrodo não cravado Comentários f Encordoado c 50 mm² Diâmetro de cada fio da cordoalha 3 mm Arredondado maciço c 50 mm² Diâmetro 8 mm Cobre Fita maciça c 50 mm² Espessura 2 mm Arredondado maciço 15 mm Tubo 20 mm Espessura da parede 2 mm Arredondado maciço a, b 16 mm Diâmetro 10 mm Aço galvanizado à quente Tubo a b 25 mm Espessura da parede 2 mm Fita maciça a 90 mm² Espessura 3 mm Aço cobreado Encordoado 70 mm² Arredondado maciço d Encordoado g 12.7 mm 70 mm² Diâmetro de cada fio da cordoalha 3,45 mm Aço inoxidável e Diâmetro Arredondado maciço 15 mm 10mm Fita maciça 100 mm² Espessura mínima 2 mm a b O recobrimento a quente (fogo) deve ser conforme ANBT NBR 6323. Aplicável somente a minicaptores. Para aplicações onde esforços mecânicos, por exemplo, força do vento, não forem críticos, é permitida a utilização de elementos com diâmetro mínimo de 10mm e comprimento máximo de 1m. c Composição mínima AISI 304 ou composto por: cromo 16 %, níquel 8 %, carbono 0,07 %. d Espessura, comprimento e diâmetro indicados na tabela referem se aos valores mínimos, sendo admitida uma tolerância de 5%, exceto para o diâmetro dos fios das cordoalhas cuja tolerância é de 2%. e Sempre que os condutores desta tabela estiverem em contato direto com o solo, devem atender às prescrições desta tabela. f A cordoalha cobreada deve ter uma condutividade mínima de 30 % IACS (International Annealed Copper Standard ). g Esta tabela não se aplica aos materiais utilizados como elementos naturais de um SPDA. OBS: No caso de edificações muito perigosas (inflamáveis, produtos tóxicos, explosivos, etc) deverá ser consultado um especialista para análise do grau de periculosidade, perigo para a vizinhança, área de vaporização de gases e até onde a ignição poderá ser iniciada. INFORMAÇÕES TÉCNICAS ADICIONAIS PODERÃO SER OBTIDAS JUNTO AO NOSSO DEPARTAMENTO TÉCNICO OU EM NOSSO SITE www.tel.com.br Engº Normando Virgílio Borges Alves e-mail : normandoalves@gmail.com