2/3/2012
IFBA
PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
CELET – Coordenação do Curso Técnico em Eletrônica Professor: Edvaldo Moraes Ruas, EE
Vitória da Conquista - 2012
INTRODUÇÃO •
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Metodologia de projeto É interessante calcular a probabilidade de incidência de raios e de falha de proteção; Identificar o nível de proteção a ser adotado; Escolher um método de proteção apropriado, gaiola de Faraday ou proteção com captores, levando em conta a estrutura a ser protegida: Industrias com estruturas metálicas no teto; Estruturas onde não foram previstas qualquer fixação ou sobrecarga; Telhado em cima cima de estrutura de concreto protendido, que não pode ser perfurado; Edifícios Residenciais, Museus, etc. Onde o fator estético pode ser determinante; –
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Escolha de material a ser utilizados: Verificar a possibilidade de aproveitamento de antenas, tubos e estruturas metálicas. –
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INTRODUÇÃO •
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Descargas Atmosféricas (Raios) Tem-se como certo que a fricção entre as partículas de água que formam as nuvem, provocada pelos ventos ascendentes é que dão origem as grandes cargas elétricas; A ionização do caminho seguido pela descarga piloto, propicia condições para descarga de retorno ou principal; Na tentativa de manter o equilíbrio no interior da nuvem, surgem as descargas descendentes e as entre nuvens;
INTRODUÇÃO •
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Incidência das Trovoadas Trovoadas A trovoada pode ser definida como o conjunto dos fenômenos eletromagnéticos, acústicos e luminosos que ocorrem ocorr em numa descarga atmosférica; O número de dias de trovoada que ocorrem por ano em uma dada localidade é o seu índice cerâunico; Nas proximidades do equador e nos continentes em relação aos oceanos esse índice é maior;
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PROBABILIDADE DE INCIDÊNCIA DE RAIOS
Densidade – Ng •
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Ng = 0,04 . I1,25 I – índece cerâunico (dias/ano); P = Aa . Ng . 10-6 Aa - área de atração (m 2); Ng – densidade (raios/km2 /ano); 10-6 – coeficiente para acertar a unidade.
PROBABILIDADE DE INCIDÊNCIA DE RAIOS Área de atração – Aa (m2)
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PROBABILIDADE DE INCIDÊNCIA DE RAIOS E DE FALHA DE PROTEÇÃO Po = P . A . B . C . D . E Onde: •
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A – fator de ponderação em função função do tipo de ocupação; B – fato fatorr de pond ponder eraç ação ão em função função do mate materia riall da cons constr truç ução ão e da cobertura; C – fator de ponderação em função do conteúdo; D – fator de ponderação em função da localização; E – fator de ponderação em função da topografia.
A prote proteção ção será: será: desnecessária se P o< 10-5; aconselhada se 10 -4 > Po >10-5; obrigatória se P o >10-4; •
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PROBABILIDADE DE INCIDÊNCIA DE RAIOS E DE FALHA DE PROTEÇÃO Po = P . A . B . C . D . E Materiais de Construção Tipo de Ocupação casas casas casas com anten antenaa exter externa na fábr fábric icas as,, labo labora rató tóri rios os escritórios, hotéis, apartamentos museus, exposições, shopping centers, estádios escolas, hospitais
fator A 0,3 0,7 1,0 1,0 1,2 1,3 1,7
metal revestido, cobertura não metálica concreto, cobertura não metálica metal ou concreto, cobertura metálica alvenaria madeira alvenaria ou madeira com cobertura metálica cobertura de palha
fator B 0,2 0,4 0,8 1,0 1,4 1,7 2,0
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PROBABILIDADE DE INCIDÊNCIA DE RAIOS E DE FALHA DE PROTEÇÃO Po = P . A . B . C . D . E Localização Conteúdo comum, sem valor sensível a danos subestação, gás, rádio/TV/telefônica museu, monumentos, valores especiais escola, hospitais
fator C 0,3 0,8
rodeado por árvores ou estruturas semi-isolado isolado
fator D 0,4 1,0 2,0
1,0 1,3 1,7
Topografia planície colina mont montanh anhas as de 300 a 900 900 m montanh montanhas as acima acima de 900 m
fator E 0,3 1,0 1,3 1,7
NÍVEIS DE RISCO •
Nível I – Destinado às estruturas nas quais uma falha do sistema de proteção pode causar danos às estruturas vizinhas ou ao meio ambiente. Exemplos: depósitos de explosivos, fábrica ou depósitos de produtos tóxicos ou radioativos, indústrias com áreas classificadas. –
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Nível II – Destinado às estruturas cujos danos serão elevados ou haverá destruição de bens insubstituíveis e/ou de valor históricos, ou com grande aglomeração de público, havendo portanto risco de pânico. Exemplos: museus, sítios arqueológicos, ginásios esportivos. –
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NÍVEIS DE RISCO •
Nível III – Destinado às estruturas de uso comum. Exemplos: –
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residências, escritórios, indústrias sem áreas classificadas.
Nível IV – Destinado às estruturas construídas de material não inflamável, com pouco acesso de pessoas, e com conteúdo não inflamável. Exemplos: depósitos em concreto armado, alvenaria, ou estrutura metálica de produtos agrícolas não inflamáveis. –
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Uma análise dos possíveis danos a uma estrutura pode levar à conclusão de que a proteção é desnecessária; Não se deve contrariar a lei, se houver no código de obra da cidade alguma recomendação a respeito, neste caso aplicamos o nível IV;
PROJETO DE SPDA •
Deve Devem mos inic inicia ialm lmen ente te,, cham chamar ar a aten atençã çãoo para para a nece necess ssid idad adee de um planejamento do sistema de proteção ainda na fase de projeto da estrutura.
Componentes de um Sistema de proteção •
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Sis Sistem tema de Capto aptorres – deve ter capacidade térmica e mecânica para suportar o calor gerado pelo raio no ponto de impacto; Sist Sistem emaa de Desc Descid idas as – tem a função de reduzir ao mínimo a probabilidade de descargas laterais e de campos eletromagnéticos perigosos no interior da estrutura. Sis Sistem tema de Ater Aterra ram mento ento – tem tem a funç função ão de redu reduzi zirr no mínim ínimoo a probabilidade tensão de toque e de passo perigosas.
Todo o sistem sistemaa deve deve ter resist resistênc ência ia mecân mecânica ica para para suport suportar ar os esforç esforços os eletromecânicos e boa suportabilidade à corrosão.
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PROJETO DE SPDA •
Métodos de Proteção Os diferentes métodos de proteção são, na verdade, diferentes maneiras de se captar os raios, visto que as descidas e os aterramentos aterr amentos permanecem os mesmos; mesmos;
Método Franklin Franklin – é baseado em observações (não abordamos);
Método Eletrogeom Eletrogeométric étricoo – utiliza um modelamento estudado e comprovado nas linhas de transmissão e subestações;
Método da Gaiola de Faraday – é baseado na teoria de Faraday. segundo a qual o campo no interior de uma gaiola é nulo, mesmo quando passa por ela uma corrente elevada.
PROJETO DE SPDA •
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Método Eletrogeométrico Determinação da área de proteção de uma haste
Os raios padrões para cada nível de proteção para a esfera fictícia estão relacionados a seguir nível
Raio da esfera (m)
I
II
III
IV
20
30
45
60
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PROJETO DE SPDA
Método da Gaiola de Faraday •
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Para o campo ser nulo no centro da gaiola é preciso que a corrente se distribua uniformemente por toda a superfície; Nas proximidades dos condutores haverá sempre um campo que poderá induzir uma tensão em condutores das instalações elétricas que estejam em paralelo com os mesmo;
PROJETO DE SPDA
Método da Gaiola de Faraday •
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O método consiste em instalar uma série de condutores formando uma malha. A NBR-5419-1993 fixo as distâncias entre eles a depender do nível de proteção; nível
malha
I
5x7,5
II
10x15
II I
10x15
IV
20x20
Para diminu diminuir ir a possibi possibilid lidade ade dos condut condutore oress da malha malha captora captora serem serem danificados nos pontos de impacto, algumas normas, recomenda a colocação de pequenos captores verticais; No Brasil, são instalados captores de 30 a 50 cm, separados por uma distância de 5 a 8 m;
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PROJETO DE SPDA
Método Método da Gaiola Gaiola de Faraday Faraday – Regras Básicas •
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Instalar um condutor em toda periferia do telhado (em anel); Instalar condutores nas periferias (em anel) de todas saliências das estruturas (casa de máquinas dos elevadores, chaminés, etc.); Instalar condutores completando a malha e interligando com os anéis das saliências e os captores verticais ao longo dessa malha; Interligar ao condutor mais próximo todas as partes metálicas existentes no teto, como escadas, beirais, mastros e antenas, que irão fazer parte do sistema captor;
Materiais dos Condutores da Malha •
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Como material do sistema de captor (cabos) pode ser usado o cobre, alumínio, aço, assim como as ligas destes materiais; A escolha fica a critério do projetista que deve levar em conta a corrosão e o custo. material material
Seção mínima mínima
cobre
35 mm2
alumínio
70 mm2
aço
50 mm2
PROJETO DE SPDA
As Descidas •
Seção Seção Mínima Mínima dos Condut Condutor ores es m é t A 0 2 e d a m m 0 i c 2 A
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mate materi rial al
Seçã Seção o míni mínima ma
cobre
16 mm2
alumínio
35 mm2
aço
50 mm2
cobre
35 mm2
alumínio aço
70 mm2 50 mm2
Númer Númeroo de Descid Descidas as e Espaç Espaçame amento nto nível
Número
de descidas mínima são duas (2)
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espaçamento máximo
I
10 m
II
15 m
II I
20 m
IV
25 m
Descid Descidas as para para Prédio Prédioss Altos Altos Quando os prédios tiverem mais de 20 m de altura, as descidas devem ser interligadas a cada 20 m, a partir do solo, formando anéis.
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PROJETO DE SPDA
Para sabermos se uma dada estrutura está dentro do volume de proteção, devemos verificar se as plantas, as elevações e os cortes laterais, estão dentro das projeções;
Comparações entre os métodos •
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A gaiola de Faraday, para uma mesma proteção que o Eletrogeométrico, revela revela vantagens vantagens como melhor estética e menor menor geração geração de campos campos para o interior de edifício; Em termos de custo para pequenas construções a gaiola é mais adequada, porém para grandes construções isso inverte.
PROJETO DE SPDA
Instalações das Descidas (Memorial Descritivo) •
Para evitar que as tensões geradas ao longo dos condutores provoquem descargas disruptivas entre as descidas e peças metálicas podemos aumentar ou eliminar as distâncias;
Os condut condutores ores das instal instalaçõe açõess elétri elétrica, ca, se correr correrem em paralel paralelos os às descidas, devem ser colocados entre duas descidas ou, quando não for possível, serem blindados; •
A tendência da corrente do raio é ir para terra pelo caminho mais curto possível. As descidas não devem formar laços que aumente a sua indutância; •
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PROJETO DE SPDA
Instalações das Descidas (Memorial Descritivo) •
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O efeito Corona que é a origem da cor azuladas nos cabos das descidas após a condução de um raio e do ruído característico nas linhas de transmissão; Ocorre quando o gradiente na superfície do condutor supera a rigidez dielétrica do ar (em torno de 30 kV/cm) originando descargas saindo do condutor e perfurando os primeiros centímetros da camada de ar; Por essa razão, os condutores de descida não devem atravessar áreas com misturas gasosas, áreas classificadas; Para reduzir a indutância indutância das descidas, descidas, pode-se utilizar barras chatas, fitas ou cantoneiras; Antigamente isso não erra permitido pelas normas, temia-se que o efeito Corona pudesse danificar as paredes e que os campos eletromagnéticos no interior aumenta-se significativamente, significativamente, o que não ocorrem; ocorr em;
PROJETO DE SPDA
Instalações das Descidas (Memorial Descritivo) •
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Como Como os cantos cantos são alvos alvos prefer preferido idoss pelos pelos raios, raios, deve-s deve-see começa começarr a distribuição das descidas colocando-se uma em cada canto, no caso de estruturas pequenas na diagonal, e estruturas menores ainda uma só descida; As normas hoje permitem a utilização de barras redondas, barras chatas, canton cantoneir eiras as e perfis perfis existe existente ntess ou previs previstos tos nas estrut estruturas uras,, o que pode pode atenuar ou eliminar a poluição visual; O uso de condutores afastados das paredes é preferido nas instalações industriais pela facilidade de inspeção; Neste caso os suportes metálicos ou isolantes devem ter uma distância entre eles de 1 a 1,5m, nas descidas; No caso de estruturas com mais de 40 m de largura, é conveniente a colocação de algumas descidas internas;
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PROJETO DE SPDA
Instalações das Descidas (Memorial Descritivo) •
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Sempre que houver um laço aberto, devemos verificar se há perigo de faiscamentos que, no caso de áreas classificadas, podem dar origem a explosões e ou incêndios; Algumas normas recomendam o uso de uma camada isolante sobre o condutor de descida mas isto não é satisfatório, pois forma-se um divisor capacitivo e a pessoa pode receber a maior parte da tensão; Além disso, o campo eletromagnético formado no laço pessoa/descida pode ser mais perigoso que a tensão de toque; As barras de aço galvanizado devem ser furadas antes da galvanização.
ATERRAMENTO Tem a finalidade finalidade de dissipar no solo as correntes dos raios sem provocar tensões de passo perigosas. Os condutores de um sistema de terra são denominados eletrodos e podem ser introduzidos no solo nas posições vertical, horizontal ou inclinada.
Materiais •
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O eletrodos de aterramento podem ser em cobre, aço galvanizado quente ou aço inoxidável, não sendo permitido o uso de alumínio; É usado também as hastes copperweld, que é aço revestido de cobre ou, em casos especiais, cobre revestido de chumbo; A forma do eletrodo de terra pode ser qualquer: cabos, barras chatas ou redondas, ou tubos com paredes de 1,5 a 3,0 mm;
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ATERRAMENTO O que determina o material a ser usado é a agressividade do solo, em geral o cobre apresenta uma boa suportabilidade;
A secç secção ão mínim mínimaa do elet eletro rodo do deve deve ser: ser: de 50mm2, para o cobre, 80mm2 para o aço galvanizado a quente ou cobreado, 100mm2 para o aço inoxidável.
Equali Equalizaç zação ão dos potenci potenciais ais
Malha de Terra - em geral podem ser construída por um cabo enterrado formando um anel em volta de toda a estrutura, a uma distância mínima de 50 cm.
ATERRAMENTO
Resist Resistivi ividad dadee do solo solo É a característica do solo que determina a sua resistência.
Terrômetro As medições medições devem ser feitas feitas preferenci preferencialmen almente te no período mais seco do ano. •
Valor da Resistênc Resistência ia Valor mínimo de 10 . Resistênc Resistência ia de Terra Resistência do eletrodo – valor muito baixo; Resistência de contato eletrodo-solo – valor normalmente baixo, sendo apreciável para solos arenosos; Resistência do material do solo. •
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ATERRAMENTO
Redução da Resistência de Terra Aprofundar as hastes; •
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Sal para melhorar a condutividade – o sal se dissolve com a água da chuva; Comprimento maior do eletrodo horizontal; Tratamento químico; Aumentas o número de haste; Tratamento com bentonita – que é uma argila que tem a propriedade de absorver água; Eletrodos em poços de concreto – para terrenos arenosos ou rochosos, pode-se misturar concreto com carvão para preencher um poço de 30 cm de diâmetro com um eletrodo no meio.
Alguns Comentário •
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O isolador de porcelana ou de plástico têm a função de proteger o condutor do atrito constante provocado pelo vento, pois tensões geradas superam em muito a capacidade deles; Mesmo com a instalação de um sistema de proteção uma propriedade não esta 100 % segura.
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