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Projetos Elétricos Industriais
UNIDADE 02
SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS - SPDA
2.1- Introdução
Em todas civilizações e épocas os homens procuravam se defender dos e- feitos dos raios de diversas maneiras, criando assim uma série de atitudes que te- mos conhecimento; algumas corretas e muitas completamente baseadas em mitos e supertições. Uma curiosidade a respeito deste assunto é o costume de algumas pessoas normalmente no interior guardarem, para se proteger dos raios, a "pedra do raio" ou "cunha", que é um material fundido no solo no lugar atingido por um rai- o.
Um raio, normalmente é produto do encontro de uma centelha (líder ascen- dente) saindo dum solo carregado com outra centelha que desce duma nuvem tam- bém carregada (líder descendente), dando origem a uma descarga elétrica de gran- de intensidade (ordem de 100kA). Nas descargas negativas núvem terra, que são as mais frequentes, o raio é precedido por um canal ionizado descendente (líder), que se desloca no espaço em saltos sucessivos de algumas dezenas de metros. À medida que avança o líder in- duz na superfície da terra uma carga elétrica crescente de sinal contrário. Com a- proximação do líder, o campo elétrico na terra torna-se suficientemente intenso para dar origem a um líder ascendente (receptor) , que parte em direção ao primeiro. O encontro de ambos estabelece o caminho da corrente do raio (corrente de retorno), que então se descarrega através do canal ionizado. O raio atinge o solo ou uma es- trutura no local onde partiu o líder ascendente, e , como esta se origina no ponto
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onde o campo elétrico é mais intenso, o trajeto do raio não é necessariamente verti- cal. Isto fica evidente quando as estruturas altas são atingidas lateralmente pelos raios, não obstante estarem protegidas por captores no topo.
Associado as descargas atmosféricas estão os seguintes efeitos:
a)Grande elevação de temperatura no centro do canal do raio e uma violenta ex- pansão do ar, produzindo o ruído chamado trovão; b)Fortes campos eletromagnéticos, em torno do canal do raio que se propaga a centenas de metros; c)No ponto de impacto no solo, convergem linhas radiais de correntes que se deslo- cam no interior do solo em forma de "raízes". d) ao longo das linhas de correntes existem quedas de tensões e, ao tomarmos pontos de mesmo potencial entre as linhas podemos imaginar, no caso de resistivi- dade constante do solo, linhas concêntricas de mesmo potencial chamadas linhas equipotenciais; e) no caso do raio cair numa árvore temos as situações: incêndio da árvore quando a intensidade da corrente é pequena e sua duração é grande; ou a quebra da árvo- re, sem queima, quando a intensidade for muito alta e de pequena duração.
Sobre os seres moventes vivos, podemos destacar os efeitos:
a) Parada Cardíaca: causada devido ao efeito dos campos magnéticos no ciclo cardíaco, através da fibrilação ventricular. Existe a probabilidade de 4 em 5 de uma pessoa escapar desses efeitos. b)Tensão de passo: na área próxima ao local no solo atingido pelo raio existem as linhas de correntes que produzem diferenças de potenciais, podendo provocar a cir- culação de correntes nos pontos de apoio dos seres (pés e patas). Nos bípedes como a distancia é menor que nos quadrúpedes, estas correntes são de menor ins- tensidade tornando-os menos sensíveis à tensão de passo; c)Tensão de Toque: quando o condutor ou superfície onde passa o raio tem uma resistividade elevada surgirá valores altos de quedas de tensões que poderão pro- vocar a morte de pessoas que as tocam. d)Descarga Lateral: pode ocorrer também uma descarga entre a superfície referida anteriormente e uma pessoa, mesmo sem haver o toque. É causa de muitas mortes devido ao fato das pessoas procurarem proteger-se sob as árvores; e)Descarga Direta: ocorre quando a descarga incide diretamente sobre uma pesso- a, normalmente num campo aberto, raramente sobrevivem devido aos efeitos das queimaduras sobre o cérebro e coração.
A seguir algumas regras de proteção pessoal para os seres bípedes:
a)Evitar ficar em campos abertos durante uma tempestade; b)Quando não existir casas para se proteger, a pessoa deve abaixar-se com mãos, cabeça e joelhos juntos; quando será uma boa oportunidade para você refletir se tem sido bom aluno; c)Estando dentro da água também deve sair, pois a água poderá ficar condutora; d)Não ficar nas janelas, nem próximo a grandes corpos metálicos como grades, tanques e escadas.
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Índice Isoceraúnico (I)
Número de dias de tempestade por ano que ocorre numa região chamada de índice isoceraúnico, e é obtido a partir de mapas metereológicos denominados ma- pas isoceráunico (Vitória; I=30 - Sta Tereza;I=60).
Frequência média anual admissível de danos (Nc)
Nc=NxAxBxCxDxE
Se Nc > 10-5, riscos maiores ou iguais a 10-
(isto é, 1 em 100.000) por ano são considerados inaceitáveis, o que indica que a estrutura requer um SPDA.
Nc 10 -5^ SPDA OBRIGATÓRIO
Se Nc < 10-5, riscos menores a 10-5^ (isto é, 1 em 100.000) por ano , em geral, são considerados aceitáveis, dispensando o uso de SPDA.
Nc < 10-
Tipo de Ocupação
SPDA DESNECESSÁRIO
O risco de vida é geralmente muito baixo, mas as desgargas atmosféricas podem causar pânico e incêndios. Portanto, devem ser tomadas todas as medidas para minimizar esses efeitos, em especial entre crianças e pessoas idosas ou en- fermas. Os fatores A, B, C, D, E são obtidos de tabelas da norma conforme indicado a seguir: Fator A
Material de Construção
Fator B
Conteúdo da Edificação
Fator C Localização^
Fator D Topografia^
Fator E
casas 0,
Metal revestido, cobertura não metálica
0,2 (^) sem valorcomun, 0,
rodeado por árvores ou estruturas
0,4 planície (^) 0,
casas com an- tena externa 0,
concreto cobertura não metálica
0,4 sensível adanos 0,8 semi-isolada 1 colina 1
fábricas, labo- ratórios 1
metal ou concreto cobertura metálica
0,
subestações, gás, rádio/TV/ telefonia
1 isolada (^2) 300 a 900mmontanha, 1,
escritórios, ho- téis, apartamentos
1,2 alvenaria 1
museus, mo- numentos valo- res especiais
1,3 (^) acima de 900mmontanha, 1,
museus, exposições, shopping center, estádios
1,3 madeira 1,4 (^) hospitaisescolas, 1,
escolas, hospi- tais 1,
alvenaria ou madeira com cobertura metálica
1,
cobertura de palha 2
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Após calcular o valor de Nc, pode-se tomar a decisão quanto a instalação do SPDA, porém e necessário ainda dar a esta proteção um grau de segurança con- forme a utilização do ambiente, e de acordo com a NBR5419 adota-se um dos ní- veis a seguir:
Tabela para Seleção do Nível de Proteção
Tipo de Edificação Nível de Proteção Edificações de explosivos , Inflamáveis, Indústrias Químicas , Nucleares , Laboratórios bioquímicos , Fábricas de munição e fogos de artifício , Es- tações de telecomunicações usinas Elétricas , Indústrias com risco de incêndio,Refinarias, etc.
NÍVEL I (98%)
Edifícios Comerciais, Bancos , Teatros , Museus , Locais arqueológicos , Hospitais , Prisões , Casas de repouso , Escolas , Igrejas, Áreas esporti- vas
NÍVEL II (95%)
Edifícios Residenciais,Indústrias,Casas residenciais , Estabelecimentos agropecuários e Fazendas com estrutura em madeira. NÍVEL III (90%)
Galpões com sucata ou de conteúdo desprezível , Fazendas e Es- tab.Agrop. com estrut. em madeira NÍVEL IV (80%)
Nota: os valores entre parênteses representa a eficiência teórica de cada nível.
2.3 - Os Métodos de Proteção
2.3.1- Método de Franklim (Ângulo de Proteção)
Consiste de uma haste metálica (captor) a uma determinada altura do solo e ligada à terra por condutores elétricos. Forma um cone que delimita um volume de proteção de acordo com o ângulo α conforme figura abaixo.
O valor do ângulo α é definido em função do NÍVEL DE PROTEÇÃO de a- cordo com a tabela a seguir
α
α
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NÍVEL DE
PROTEÇÃO
RAIO DA
ESFERA (m) I 20 II 30 III 45 IV 60
Volume de proteção de um captor vertical com h < R
Com a distância R, traça-se uma horizontal paralela ao plano do solo e um segmento de círculo com centro no topo do captor. em seguida, com centro no pon- to de interseção P e raio R, traça-se um segmento de círculo que tangencia o topo do captor e o plano do solo. O volume de proteção é delimitado pela rotação simé- trica da área A em torno do captor.
Volume de proteção de um captor vertical com h > R
Mediante procedimento análogo ao descrito anteriormente, pode-se determi- nar o volume de proteção para estruturas de grande altura, neste caso, como o ilus- trado na figura, verifica-se que a altura eficaz do captor e h > R , pois sobre a estru- tura excedente podem ocorrer descargas laterais.
EXEMPLO DA PROTEÇÃO EM EDIFICAÇÕES BAIXAS
EXEMPLO DA PROTEÇÃO DA ESFERA ROLANTE EM EDIFÍCIOS ALTOS
R
h
R
R (^) R R
h
R
R
P
P
h> R Área A Área A h^ >R
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2.4 -Instalação de um Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas - SPDA
2.4.1-Captores
Função: Receber a descarga atmosférica, reduzindo ao mínimo a probabilidade da estrutura ser atingida por a um raio e deve suportar os efeitos térmicos e eletrodi- nâmicos da corrente de descarga. Tipos de captores: haste, cabo esticado, condutores em malha; Recomendações
- Instalar os captores de forma que todo o teto da estrutura esteja sob o vo- lume de proteção;
- Instalar condutores em anel nas periferias de todas as saliências das estrutu- ras (casa de máquinas), caixa dágua, etc...)
- Todas as partes metálicas do teto como escadas, beirais, mastros, antenas, farão parte do sistema captor e deverão ser interligados aos condutores mais próximos;
- No topo de estruturas com altura maior que 20 m recomenda-se instalar um captor em forma de anel ao longo de todo o perímetro. Captores naturais
- Coberturas metálicas não revestida de materiais isolantes com espessura maior que 0,5mm. Esta espessura não previne contra perfurações, para ga- rantir este fator as espessuras de 4,5 e 7 mm para aço, cobre e alumínio respectivamente;
- Parte metálicas , calhas, parapeitos, beirais, mastros, tanques, interligadas aos condutores do sistema de proteção;
- Elementos metálicos da construção do teto ( treliças, armações e outros), desde que a estrutura possa ser excluída do volume a proteger.
2.4.2-Condutores de descida
Função: Conduzir a corrente do raio até a terra, reduzindo ao mínimo a possibilida- de de haver descargas laterais e de campos eletromagnéticos intensos no interior da edificação e a ainda suportar os efeitos térmicos da corrente de descarga. Condições mínimas: Deve ser instalado no mínimo um condutor de descida por has- te, e no caso do gaiola de Faraday no mínimo dois condutores de descida;
NÍVEL DE PROTEÇÃO
Seções mínimas dos condutores
MATERIAL CAPTOR CONDUTOR DE DESCIDA
ELETRODO DE ATERRAMENTO
I - IV
COBRE 35 16* 50 ALUMÍNIO 70 25* - AÇO 50 50* 80
*Estes valores são para estrutura até 20m de altura. Para estruturas mais altas as seções são respectivamente:35mm^2 , 70mm^2 e 50mm^2.
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2.5- Exemplo de cálculo da necessidade de instalação de um SPDA
×
Área de atração:
Ae= a b + 2× h× (a+b) +π× h^2 Ae= 12 ×45 + 2× 10 × (12+45) + π× 102 Ae= 1994 m^2
×
Densidade de descargas atmosféricas para a terra (Ng)
Ng = 0,04 I ×
1,
Ng = 0,04 60 1, Ng = 6,68 raios/km^2 /ano
×
Frequência média anual previsível de descargas atmosféricas sobre uma estrutura (N)
N = Aa Ng× 10 ×
N= 1994 6.68× 10 ×
N= 13,3 10 -3^ raios/ano
×
Frequência média anual admissível de danos (Nc)
Nc = P A× B× C× D× E Nc= 13,3× 10 -3^ × 1,7× 0,4× 1,7× 2,0× 1, Nc= 40× 10 -
A proteção será: desnecessária se Nc < 10-5^ e obrigatória se Nc > 10-3. Logo a Es- cola Centelha deve ser protegida.
45m 12m
Escola Centelha
Altitude: 800m Edificação bem distante de outras estruturas com árvores próximas com altura de 4m
,
10m
Estrutura de concreta com cobertura de cimento amianto -localizada em Lombardia Sta TerezaES
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2.7- Exemplo de Projeto de SPDA
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