FACULDADE SANTO AGOSTINHO - FSA ENGENHARIA ELETRICA Instalações Elétricas I Prof. Fábio de Araújo Leite
SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS - SPDA
DETERMINAR A NECESSIDADE DE INSTALAÇÃO DO SPDA O correto dimensionamento de uma instalação de proteção contra descargas atmosféricas proporciona: um elevado grau de segurança às construções em geral e em particular aos empreendimentos fabris, principalmente àqueles que trabalham com produtos de alto risco e estão localizados em região de elevado índice ceráunico, que representa o número de dias de trovoada por ano.
Inicialmente deve-se determinar a necessidade de instalação do SPDA para isso, calcula-se: Nda densidade de raios, em raios/km²/ano, dada pela equação: Nt - trovoada por ano obtido do mapa isoceráunico.
Ae área da construção, em m², dada por: L largura; W comprimento; H altura.
Se a edificação tiver uma geometria assimétrica, a área de captação será obtida pela superposição das áreas de captação correspondentes às partes de maior altura da estrutura, conforme mostra a figura abaixo, onde temos a superfície de captação do raio.
Npr número provável de raios que possa atingir a construção é dado pela equação: N pr = A e x N da x 10-1
O fator de ponderação final é dado pela equação: Onde, A, B, C, D, E fatores de ponderação das tabelas a seguir: A partir do valor P0 pode-se determinar a necessidade ou não de se investir na proteção contra descargas atmosféricas.
Níveis de Proteção
CLASSIFICAÇÃO DAS ESTRUTURAS QUANTO AO NÍVEL DE PROTEÇÃO. Mesmo com a instalação de um sistema de pára-raios há sempre a possibilidade de falha desse sistema, podendo a construção protegida, neste caso, ser atingida por uma descarga atmosférica. A partir dessa premissa, a IE-1024-I, determina quatro diferentes níveis de proteção, com base nos quais devem estar tomadas decisões de projeto mais ou menos severas. Esses níveis de proteção estão assim definidos:
Nível I: é o nível mais severo quanto à perda de patrimônio. Refere-se às construções protegidas, cuja falha no sistema de pára-raios pode provocar danos às estruturas adjacentes, tais como as industrias petroquímicas, de materiais explosivos, etc. Nível II: refere-se às construções protegidas, cuja falha no sistema de pára-raios pode ocasionar a perda dos bens de estimável valor ou provocar pânico aos presentes, porém sem nenhuma conseqüência 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: refere-se às construções onde não é rotineira a presença de pessoas. São feitas de material não inflamável, sendo o produto
Classificação das Estruturas Classificação da Estrutura Tipo da Estrutura Efeitos das Descargas Atmosféricas Nível de Proteção Residências Perfuração da isolação das instalações elétricas, incêndios e danos matérias; danos normalmente limitados a objetos no ponto de impacto ou no caminho do raio. III Estruturas Comuns Fazendas, estabelecimentos agropecuários Risco direto de incêndio e tensões de passo perigosas; risco indireto devido à interrupção de energias e risco de vida para animais devido à perda de controles eletrônicos, ventilação, suprimento de alimentação e outros. III ou IV (ver nota b) Teatros,escolas, lojas de depart., áreas esportivas e igrejas Danos à instalação elétrica (p.ex. iluminação) e possibilidade de pânico; falha do sistema de alarme contra incêndio, causando atraso no socorro. II Bancos, companhias de seguro,companhias comerciais e outros Como acima, além dos efeitos indiretos com a perda de comunicação, falha dos computadores e perda de dados. II (ver nota a) Hospitais, casas de repouso e prisões Como para escolas, além dos efeitos indiretos para pessoas em tratamento intensivo e dificuldade de resgate de pessoas imobilizadas. II Indústrias Efeitos indiretos conforme o conteúdo das estruturas, variando de pequenos danos a prejuízos inaceitáveis e perda de produção. III Museus, locais arqueológicos Perda de patrimônio cultural insubstituível. II
Classificação das Estruturas Estruturas com risco confinado Estações de telecomunicação, usinas elétricas indústrias com riscos de incêndio. Interrupção inaceitável de serviços públicos por breve ou longo período de tempo; risco indireto para as imediações devido a incêndios e outros I Estruturas com risco para os arredores Refinarias, postos de combustível, fábrica de fogos, fábrica de munição Risco de incêndio e explosão para a instalação e seus arredores. I Estruturas com risco para o meio ambiente Indústrias químicas, usinas nucleares, laboratórios bioquímicos Risco de incêndio, com conseqüências perigosas para o local e para o meio ambiente. I Fonte : NBR 5419/93 Notas: a) Equipamentos eletrônicos sensíveis podem ser instalados em todos os tipos de estruturas, inclusive estruturas comuns. É impraticável a proteção total contra danos causados pelos raios dentro destas estruturas. Não obstante, devem ser tomadas medidas de modo a limitar as consequências e a perdas de dados a um nível aceitável. b) Estruturas de madeira: nível III; estruturas de alvenaria: nível IV; estruturas contendo produtos agrícolas (grãos) combustíveis sujeitos à explosão são consideradas com risco para os arredores. (NBR 5419/93).
Classificação das Estruturas Nível de Eficiência do SPDA Nível de Proteção Eficiência da Proteção I 98% II 95% III 90% IV 80% Espaçamento Médio dos Condutores de Descida Nível de Proteção Espaçamento Médio (metros) I 10 II 15 III 20 IV 25 Nível de Proteção Ângulo de Proteção do Para-raios tipo Franklin Ângulo de Proteção (a) em graus, em função da altura da ponta do captor em relação ao solo em metros.(b) h<20 20<h<30 30<h<45 45<h<60 IV 55 45 35 25 III 45 35 25 a II 35 25 a a I 25 a a a Fonte: NBR 5419/93 a) Aplicam-se somente os métodos da esfera rolante (eletrogeométrico), malha ou gaiola de Faraday; b) Para alturas maiores que 60 metros aplica-se somente o método gaiola de Faraday.
Elementos do SPDA
Captor Os captores podem ser naturais ou não naturais. Captores Naturais: São elementos condutores potencialmente expostos a descargas atmosférica. Pode ser tomados como integrantes do SPDA. Estruturas metálicas construídas por tanque e tubos com expessura mínima de 0,5 mm de aço galvanizado. Coberturas metálicas de galpão. Já os captores não-naturais são construído de elementos metálicos como hastes condutora.
Condutores de descida É o condutor metálico que faz a ligação entre o mastro ou captor e o eletrodo de terra com sua seção é dada na tabela abaixo:
Condutores de descida Estruturas metálicas de torres, postes e mastros, assim como as armaduras de aço interligadas de postes de concreto, constituem descidas naturais até a base das mesmas, dispensando a necessidade de condutores de descida paralelos ao longo da sua extensão. Em construções de alvenaria, ou de qualquer tipo sem armadura metálica interligada, deverá ser implantado um SPDA com descidas externas, que podem ser embutidas.
Condutores de descida Para diminuir o risco de centelhamento perigoso, os condutores de descida devem ser dispostos de modo que: a) a corrente percorra diversos condutores em paralelo; b) o comprimento desses condutores seja o menor possível.
Condutores de descida Posicionamento das descidas para os SPDA isolados Conforme o tipo de subsistema captor, deverão ser previstas as seguintes quantidades mínimas de condutores de descida: a) um ou mais mastros separados - um condutor de descida para cada mastro (não condutor); b) um ou mais condutores horizontais separados - um condutor de descida na extremidade de cada condutor horizontal; c) rede de condutores - um condutor de descida para cada estrutura de suporte (não condutora).
Condutores de descida O espaçamento entre os condutores de descida e as instalações metálicas do volume a proteger não deve ser inferior a 2 m.
Condutores de descida Posicionamento das descidas para os SPDA não isolados Os condutores de descida devem ser distribuídos ao longo do perímetro do volume a proteger, de modo que seus espaçamentos médios não sejam superiores aos indicados na tabela 2:
Condutores de descida Os condutores de descida não naturais devem ser interligados por meio de condutores horizontais, formando anéis. O primeiro deve ser o anel de aterramento e na impossibilidade deste, um anel até no máximo 4 m acima do nível do solo e os outros a cada 20 m de altura.
Os condutores de descida não naturais devem ser instalados a uma distância mínima de 0,5 m de portas, janelas e outras aberturas e fixados a cada metro de percurso.
Instalação / tipo de parede. A instalação dos condutores de descida deve levar em consideração o material da parede onde os mesmos serão fixados: a) se a parede for de material não inflamável, os condutores de descida podem ser instalados na sua superfície ou embutidos na mesma; b) se a parede for de material inflamável e a elevação de temperatura causada pela passagem da corrente de descarga atmosférica não resultar em risco para este material, os condutores de descida podem ser instalados na sua superfície;
Instalação / tipo de parede. c) se a parede for de material inflamável e a elevação de temperatura dos condutores de descida resultar em risco para este material, a distância entre os condutores e o volume a proteger deve ser de no mínimo 10 cm (os suportes metálicos dos condutores de descida podem estar em contato com a parede).
Condutores de descida naturais Os pilares metálicos da estrutura podem ser utilizados como condutores de descida naturais. Os elementos da fachada (perfis e suportes metálicos) poderão ser utilizados como condutores de descidas naturais, desde que suas seções sejam no mínimo iguais às especificadas para os condutores de descida conforme tabela 3 (slide 23) e com a sua continuidade elétrica no sentido vertical no mínimo equivalente.
Condutores de descida naturais As instalações metálicas da estrutura podem ser consideradas condutores de descida naturais (inclusive quando revestidas por material isolante), desde que suas seções sejam no mínimo iguais às especificadas para condutores de descida na tabela 3 e com continuidade elétrica no sentido vertical no mínimo equivalente.
Condutores de descida naturais As armaduras de aço interligadas das estruturas de concreto armado podem ser consideradas condutores de descida naturais, desde que: a) cerca de 50% dos cruzamentos de barras da armadura, incluindo os estribos, estejam firmemente amarradas com arame de aço torcido e as barras na região de trespasse apresentem comprimento de sobreposição de no mínimo 20 diâmetros, igualmente amarradas com arame de aço torcido, ou soldadas, ou interligadas por conexão mecânica adequada;
b) em alternativa, sejam embutidos na estrutura condutores de descida específicos, com continuidade elétrica assegurada por solda ou por conexão mecânica adequada, e interligadas às armaduras de aço para equalização de potencial; c) em construções de concreto pré-moldado, seja assegurada a continuidade elétrica da armadura de aço de cada elemento, bem como entre os elementos adjacentes de concreto pré-moldado.
Conexão de medição Cada condutor de descida (com exceção das descidas naturais ou embutidas) deve ser provido de uma conexão de medição, instalada próxima do ponto de ligação ao eletrodo de aterramento. A conexão deve ser desmontável por meio de ferramenta, para efeito de medições elétricas, mas deve permanecer normalmente fechada.
Métodos de Proteção quanto descargas atmosféricas.
Métodos de Proteção quanto descargas atmosféricas. Método Franklin: Método de Faraday; Método Eletrogeométrico;
Método Franklin Consiste em se determinar o volume de proteção propiciado por um cone, cujo ângulo da geratriz com a vertical varia segundo o nível de proteção desejado e para a altura da construção.
Método Franklin
Método Franklin O método de Franklin é recomendado para aplicações em estruturas muito elevadas e de pouca área horizontal, onde se pode utilizar uma pequena quantidade de captores. Para o projeto de instalação de pára-raios pelo método de Franklin utiliza a seguinte seqüência de cálculos: a) Cálculo da Zona de Proteção. b) Número de condutores de Descida. c) Seção dos condutores.
Cálculo da Zona de Proteção.
Cálculo do raio da base do cone.
Número de condutores de Descida Em função do nível de proteção desejado e do afastamento de descida,
Seção dos condutores. De preferência utilizar condutores de cobre nu. A Seção mínima dos condutores é dada em função do tipo de material condutor e da altura da edificação, conforme tabela 3.
Método de Franklin (Ângulo de Proteção) Utilização de condutor Horizontal
Método de Franklin (Ângulo de Proteção)
Método de Faraday
Método de Michael Faraday. O princípio básico da proteção de Michael Faraday (1791-1867) é usar os condutores de captura em forma de anel. Consiste em envolver a parte superior da construção com uma malha captora de condutores elétricos nus, cujas as distâncias entre eles é função do nível de proteção:
O módulo da malha deverá constituir um anel fechado, com o comprimento não superior ao dobro da sua largura. ou seja: L K x W Com: L- comprimento da malha. W Largura do módulo da malha dada pela tabela acima. K fator de multiplicação, normalmente utilizamos 1,5.
A malha pode ocupar 4 posições: Ficar suspensa a certa altura da cobertura, tipo varal; Ficar suspensa a 20cm da cobertura; Ficar depositada sobre a cobertura; Ficar embutida na própria laje da cobertura.
Para diminuir a possibilidade dos condutores da malha captora serem danificados nos pontos de impacto, algumas normas recomendam a colocação de pequenos captores verticais denominados terminais aéreos, com 30 cm de altura separados por uma distância 8 metros ao longo dos condutores da malha.
Regras Básicas Qualquer que seja o método escolhido para a proteção deve-se: Instalar um condutor na periferia do teto (anel) Instalar condutores nas periferias de todas as saliências das estruturas (casa de máquinas, chaminés, etc); Instalar o sistema captor, quer completando a malha (Faraday) sobre o teto interligado com os anéis das saliências, quer colocando hastes verticais de maneira que todo o teto esteja dentro do volume de proteção (Franklin ou eletromagnético);
Método Eletrogeométrico
Método das esferas rolantes
Método Eletrogeométrico (esferas rolantes)
Comparações Qualquer que seja o método escolhido para a proteção deve-se: O cálculo pelo método Eletrogeométrico revela que um captor vertical tem uma eficiência maior do que o método de Franklin prevê, a tendência é o desaparecimento deste em função daquele; O método de Faraday, para uma mesma proteção que o Eletrogeométrico, revela vantagens como melhor estética e menor geração de campos para o interior do edifício;
Referências Bibliográficas [1] COTRIM, A.A.M.B. Instalações elétricas. 5.ed. Makron, São Paulo, 2008. [2] CREDER, H. Instalações elétricas residenciais. 15.ed. LTC/RJ, 2007. [3] NISKIER, Julio. Manual de instalações elétricas. Rio de Janeiro: LTC, 2013. [4] NBR 5410. Instalações elétricas de baixa tensão. Norma ABNT, 2004. [5] NBR 5419. Proteção de edificações contra descargas atmosféricas. Norma ABNT, 2004.