PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS DIRETAS E INDIRETAS EM UNIDADES ARMAZENADORAS DE GRÃOS 1 Marcelo Ribeiro Viola 1 Joaquim Paulo da Silva 2 Robson André Armindo 3 Diogo Tubertini Maciel 4 Tadayuki Yanagi Júnior 5 RESUMO Este trabalho propõe o desenvolvimento de um projeto de proteção contra descargas atmosféricas diretas e indiretas em unidades armazenadoras de grãos. No processo de armazenamento de grãos, nas unidades armazenadoras, grandes quantidades de pó orgânico originado do atrito dos grãos são postos em suspensão. Esse pó em suspensão é um combustível altamente eficaz, que na presença de oxigênio, e de uma fonte de energia pode entrar em combustão. A incidência direta de um raio sobre um silo pode gerar no ponto de impacto, energia suficiente para iniciar a combustão do pó. Existe também, a propagação da corrente de descarga pelas estruturas metálicas, que poderá induzir elevadas tensões nos condutores elétricos responsáveis pelo acionamento e transmissão de dados, podendo promover a queima de equipamentos. O risco de incidência de um raio sobre uma unidade armazenadora é aumentado, em virtude de que, a maioria das unidades encontra-se em campo aberto, sendo o ponto mais alto dos arredores. O método de proteção empregado na proteção contra descargas atmosféricas é o gaiola de faraday conjugado com o sistema de captação tipo Franklin. Na proteção de equipamentos elétricos e eletrônicos contra os efeitos das tensões induzidas na rede são utilizados os dispositivos de proteção contra surtos, tais como varistores e diodos. A implantação do sistema de proteção representa um baixo custo em comparação aos prejuízos que uma descarga atmosférica pode causar em uma unidade armazenadora de graõs, além de diminuir os riscos de acidentes com pessoas. PALAVRAS-CHAVE: Descargas Atmosféricas, Unidades Armazenadoras de Grãos, Proteção PROTECTION AGAINST DIRECT AND NEARBY LIGHTINING FLASHES ON THE STORAGE ABSTRACT This work proposes the development of a protection project against direct and nearby lightning flashes in storehouse units of grain. The direct incidence of lightning flashes on a silo can cause fires and/or explosions. The operation of storehouse unit can request an automated and computerized system. Besides inside the dependences, where the processing of the grains is accomplished, it happens the suspension of great amounts of organic dust, originated of the attrition of the grains. That dust in suspension is a combustible one highly effective, that in the presence of oxygen can enter in combustion, in case there is an ignition source. The direct incidence of lightning flashes on a silo can produce in the impact point, an enough temperature to begin the combustion of the mixture. It also exists, the propagation of the discharge current 1 Marcelo Ribeiro Viola- Monitor Física II, aluno do 4º p. de Eng. Agrícola- UFLA- e-mail: mrviola@ig.com.br 2 Joaquim Paulo da Silva- Professor do Departamento de Ciências Exatas- UFLA 3 Robson André Armindo- Bolsista PET, aluno do 5º p. de Eng. Agrícola- UFLA 4 Diogo Tubertini Maciel- aluno do 3º p. de Eng. Agrícola- UFLA 5 Tadayuki Yanagi Junior- Professor do Departamento de Engenharia- UFLA
for the metallic structures, that it can induce high tensions in the responsible electric drivers for the automatization and transmission of data, could promote it burns of equipments. The risk of incidence of lightning flashes on storehouse unit is increased, by virtue of that, most of the units meets in open field, being the highest point of the surroundings. Protection employee's method in the protection against atmospheric discharges is the faraday cage conjugated with the system of reception type Franklin. In the protection of electric and electronic equipments against the effects of the induce voltages in the line the protection devices are used against surges implementation, such as surge supressors and diodes. The implementation of the lightning protection system represents a low cost in comparison to the damages that an atmospheric discharge can cause in grain silo, besides decreasing the risks of accidents with people. KEYWORDS: Lightning flashes, Silos, Protection. 1. INTRODUÇÃO O objetivo de estudo desse trabalho será desenvolver uma metodologia de proteção contra descargas atmosféricas diretas e indiretas em unidades armazenadoras de grãos, conforme normas vigentes. Com o objetivo de aguardar por boas cotações para negociar a produção, alguns empresários optam pelo armazenamento. Desta maneira, a presença de unidades armazenadoras é cada vez mais freqüente no Agronegócio. A unidade armazenadora quase sempre fica em meio à campo aberto, ou seja, é o ponto mais alto dos arredores, o que aumenta os riscos de incidência de raios. No interior de uma unidade armazenadora pode haver a formação de uma atmosfera explosiva. A incidência de um raio sobre as estruturas representa grandes riscos. No ponto de impacto do raio há a formação de um ponto super aquecido que pode dar início à combustão do material combustível no interior do silo. A formação de uma atmosfera explosiva se deve a: Durante o processamento dos grãos para o armazenamento, grandes quantidades de pó orgânico, gerado pelo atrito dos grãos, são postos em suspensão. O pó orgânico é um combustível altamente eficaz devido à sua grande superfície específica e baixa umidade. A nuvem de pó, em concentrações adequadas, na presença do agente comburente (oxigênio) e de uma fonte de energia (energia que inicia a combustão), constituem-se como fatores para o desencadeamento de uma explosão ou incêndio. No ponto de incidência, super aquecido pela grande energia da descarga atmosférica, há energia suficiente para iniciar à combustão do pó, esteja ele em suspensão ou acumulado nas paredes da estrutura. Havendo a combustão em um ponto, a energia calorífera liberada é capaz de inflamar as partículas de pó ao seu redor, estabelecendo uma série de detonações, que podem atingir velocidades de propagação de até 7000 m/s, exercer pressões de até 550 KPa e gerar ondas de choque com velocidades de até 300 m/s (Juan, Ravenet). A potência da explosão dependerá da velocidade das detonações, da temperatura e do volume dos gases produzidos. Não existe uma norma específica para a proteção de silos, porém segue conforme NBR vigente: NBR5419 (5.1.1.4.2) - A espessura do elemento metálico pode ser inferior a 2,5mm, quando não for importante prevenir contra perfurações ou ignição de materiais combustíveis no volume a proteger. Na construção do silo a espessura da chapa diminui nas partes mais altas, podendo chegar a 1mm, justificando a necessidade de proteção do silo contra descargas atmosféricas. O funcionamento de uma unidade armazenadora de grãos moderna, é totalmente automatizado, as condições e características do armazenamento são registrados por sensores, e armazenados em bancos de dados. Na ocorrência de uma descarga atmosférica sobre a estrutura, no escoamento da corrente de descarga para o solo, altas tensões são induzidas nos sensores, cabeamentos de automação dos circuitos, os quais estão interligados aos sistemas computadorizados e automatizados, podendo acarretar na queima destes. Para proteção destes circuitos são empregados os dispositivos de proteção contra surtos. Com o objetivo de detectar a tempestade em tempo real, pode ser utilizado um sistema de monitoramento de raios. Este sistema trabalha detectando os sinais de rádio freqüência produzidos pelos 2
raios, e fornece informações sobre a direção e a distancia da nuvem de tempestade. A utilização desse sistema pode vir a ser de grande importância na unidade armazenadora de grãos, tendo-se em vista que determinados procedimentos de segurança deverão ser adotados na possibilidade de eminência de descarga atmosférica. 2. MATERIAL E MÉTODOS A metodologia empregada no desenvolvimento do projeto de sistema de proteção contra descargas atmosféricas em unidades armazenadoras de grãos foi: NBR 5419, NBR 5410, NBR 5418. Proteção do silo: O silo é classificado como estrutura com risco para os arredores, recebendo o nível de proteção l. - Subsistema captor: O método empregado para o subsistema de captores é o método Gaiola de Faraday. Deverá haver na parte superior da estrutura, um captor em forma de anel, disposto ao longo de todo o perímetro superior da edificação. Deverá haver no ápice da estrutura um captor tipo Franklin, e um captor em forma de anel acima dos exaustores. Os captores e anéis intermediários devem ter seção mínima de 35mm 2 em cobre. - Subsistema de condutores de descida O espaçamento médio entre os condutores de descida deverá ser de 10m. Os condutores de descidas devem ser interligados por meio de condutores horizontais, formando anéis. O primeiro deve ser o anel de aterramento a uma profundidade mínima de 0,5m e outro a cada 20 metros de altura. Os condutores de descida devem ser retilíneos e verticais. Devem ser instalados a uma distância mínima de 0,5m de portas, janelas e outras aberturas, serem fixados a cada metro de percurso, distando no mínimo 10cm da parede do volume a proteger. O condutor de descida não pode sofrer emenda, exceto na interligação com o condutor de aterramento, onde deverá ser utilizado uma conexão de medição desmontável por meio de ferramenta. O condutor de descida deve ser protegido contra danos mecânicos até 2,5m acima do nível do solo, através de eletroduto rígido de PVC ou metálico, sendo que, neste ultimo caso o cabo de descida deve ser conectado às extremidades superior e inferior do eletroduto. A seção mínima dos condutores deve ser de 16mm 2 para descidas de até 20 metros de altura, e de 35 mm 2 para descidas com altura superior a 20 metros. - Subsistema de aterramento Deve ter uma resistência de aproximadamente 10 ohms. O número de hastes para atingir essa resistência varia de acordo com a resistividade do solo. Os eletrodos de aterramento devem ter seção mínima de 50mm 2 em cobre. - Fixações e conexões As conexões devem ser asseguradas por meio de soldagem exotérmica, oxiacetilênica ou elétrica, conectores de pressão ou compressão, rebites ou parafusos. As conexões soldadas devem ser compatíveis com os esforços térmicos e mecânicos causados pela corrente de descarga atmosférica. Conexões mecânicas embutidas no solo devem ser protegidas contra corrosão, através da instalação de uma caixa de inspeção com diâmetro mínimo de 250mm (esta exigência não se aplica a conexões entre peças de cobre ou cobreadas com solda exotérmica ou conectores de compressão). - Equalização de potencial Deve haver uma ligação equipotencial principal reunindo os seguintes elementos: Condutor(es) de proteção principal(is); Condutores de equipotencialidade principais ligados a canalizações metálicas de utilidades e serviços (água, gás, aquecimento, ar condicionado, etc) e a todos os demais elementos condutores estranhos à instalação existentes, incluindo os elementos metálicos da construção e outras estruturas metálicas; Condutor(es) de aterramento; Eletrodo(s) de aterramento de outros sistemas (por exemplo: de sistemas de 3
proteção contra descargas atmosféricas, de antenas, etc.); Condutores de aterramento funcional, se existente. A ligação equipotencial deve ser efetuada no subsolo, ou próximo ao quadro geral de entrada de baixa tensão. Os condutores devem ser ligados a uma barra de ligação equipotencial principal, construída e instalada de modo a permitir fácil acesso para inspeção. Essa barra deve estar conectada ao subsistema de aterramento. A ligação equipotencial deverá ser realizada através de condutores de 16 mm 2 em cobre, para condutores que devam conduzir parte substancial da corrente de descarga atmosférica, e 6 mm 2 para condutores que devam conduzir uma parte reduzida da corrente de descarga atmosférica. Elementos metálicos que se originam do exterior da estrutura, a conexão à ligação equipotencial deve ser efetuada o mais próximo possível do ponto em que elas penetram na estrutura. A proteção do elevador que é o ponto mais alto da unidade armazenadora deve ser feita por meio de captor tipo Franklin, tendo dois condutores de descida. O escritório, que contém aparelhos sensíveis aos efeitos da descarga atmosférica recebe a proteção Gaiola de Faraday, e os aparelhos eletrônicos recebem dispositivos de proteção contra surtos. 3. RESULTADOS E DISCUSSÕES Os resultados esperados são que após o sistema de proteção contra descargas atmosféricas instalado na unidade armazenadora de grãos, conjuntamente com os dispositivos de proteção contra surtos, haja a proteção desta contra os danos causados pela incidência direta da descargas atmosféricas e efeitos indiretos. A implantação do método Gaiola de Faraday requer que o silo esteja vazio, pois há necessidade de fazer a fixação dos cabos, o que gera riscos de causar danos a impermeabilização do silo (parafusamento), e risco de explosão (soldagem). Se a altura do silo for de até 20, a norma permite que seja utilizado o Método de Franklin, com α = 25º, que representa uma alternativa de menores custos, e há possibilidades de fazer a implantação com o silo carregado. A utilização do método eletrogeométrico, devido a altura, implica num grande número de cabos. 4. CONCLUSÕES A necessidade de proteção do silo contra descargas atmosféricas foi verificada pelas espessuras das laminas, verificadas em literatura técnica e em visitas técnicas em instalações, o que elimina a possibilidade de utilização do silo como captor natural de descargas atmosféricas. Para proteção de todo investimento inicial, é de extrema necessidade um projeto completo de proteção. Em visita técnica realizada, em uma unidade em funcionamento, uma descarga atmosférica havia incidido pela linha, queimando todos os equipamentos sensíveis do escritório, acarretando em grandes prejuízos. Esse é um quadro cotidiano no meio rural, que pode ser evitado pela utilização de dispositivos de proteção contra surtos. O sistema de monitoramento de raios pode ser de grande utilidade na prevenção de acidentes, o sistema é interligado a um PC e possui um dispositivo de alarme. Quando o sistema detectar eminência de descargas atmosféricas no local, as pessoas que ali se encontrarem devem se abrigar no escritório que constitui abrigo mais seguro. É de extrema necessidade o treinamento e conscientização dos proprietários e funcionários quanto aos riscos gerados pelo confinamento dos grãos. Quanto aos riscos de incêndio, explosão, intoxicação, que tem acarretado prejuízos e mortes por todo país, e que é quase ignorado pelos fabricantes. 4
5. AGRADECIMENTOS Ao DEX (Departamento de Ciências Exatas); à Fazenda Serra das Bicas em Carrancas-MG; à Proteções Citel 2CP Ltda;e à UFLA pelo apoio e incentivo a pesquisa. 6. REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS: JUAN, RAVENETE. Silos. 1.ed. Barcelona: Edición Láser Fotocomposicion, S.L. FIELD, PETE. Dust Explosions. v.4, New York; Amsterdam; New York, v.4, 1982, 243p. CALIL JUNIOR, C. Silos Metálicos de Chapa Corrugada. São Carlos: USP, 1989, Dissertação ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR5419 Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas. Rio de Janeiro: 2001. 31p. ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR5418 Instalações elétricas em atmosferas explosivas. Rio de Janeiro: 1995. 13p. ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas. NBR5410 Instalações elétricas de baixa tensão Rio de Janeiro: 19. p. 5