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