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PROTEÇÃO ATMOSFERICA
Tipologia: Notas de estudo
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1. Origem e formação das Descargas Atmosféricas
O termo descarga atmosférica designa genericamente as descargas que ocorrem dentro das nuvens (as intra-nuvens) entre duas nuvens próximas (as inter- nuvens), e as entre nuvens e terra. Já se tentou na década de 50, normalizar uma nomenclatura brasileira, chamando de relâmpago as descargas dentro ou entre nuvens e de raios as descargas para terra. Como isto não foi conseguido o uso da expressão "descarga atmosférica" parece ser uma solução razoável. Na literatura encontram-se as três designações como equivalentes. O termo "faisca" parece ter sido reservado a pequenas descargas simultâneas com os raios e relâmpagos ou parte deles. É interessante observar que os aparelhos ou dispositivos usados para proteção contra os efeitos das descargas atmosféricas são designados por pára- raios sugerindo que deveríamos usar o termo "raios" para as descargas entre nuvem e terra que são aquelas para as quais são construídos esses aparelhos e dispositivos.
Há várias representações e teorias para representar e explicar a formação das cargas e o modelo das nuvens.
A representação mais comum entre os eletricistas é a representação bi-polar: a nuvem seria representada por um enorme bipolo com as cargas positivas na parte superior e as negativas na inferior. Esse bipolo teria uma altura de 10 a 15 km e extensão de alguns km 2.
Por esse modelo a diferença de temperatura entre a base e o teto da nuvem (65 a 70 graus Celsius) provoca a formação de correntes ascendentes no centro da nuvem e descendentes nas bordas. Essas correntes de ar deslocando as partículas provocaria o atrito e conseqüente carregamento, formando assim o bipolo. A diferença de velocidade entre os ventos transversais na base e no teto da nuvem pode causar uma deformação da nuvem que assume o aspecto de "bigorna ".
A existência de uma base carregada negativamente induz a separação das cargas na terra, formando-se uma área com cargas positivas sob a nuvem e com cargas negativas em regiões afastadas.
Quando há uma descarga terra - nuvem que neutraliza a base da nuvem, as cargas positivas do topo da nuvem vão neutralizar as cargas negativas da terra fechando o circuito elétrico. Enquanto a descarga ascendente tem uma secção muito pequena e alta densidade ( alguns kA/cm^2 ) a corrente descendente ocupa uma secção muito grande e a densidade é muito baixa ( fração de A/m^2 ).
A descarga terra nuvem no modelo usado pelos eletricistas é a descarga de retorno : inicialmente tem- se uma descarga dentro da nuvem e em seguida a ela uma descarga descendente nuvem - terra (é denominada líder) de intensidade baixa.
Quando essa descarga se aproxima da terra, as cargas desta vão se agrupando, aumentando o campo elétrico e dando origem a pequenas descargas ascendentes (lideres ascendentes). O encontro de um ou mais desses lideres ascendentes com o líder descendente (que tem alguns ramos ou braços) forma um caminho ionizado entre a nuvem e a terra pelo
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2. Os parâmetros dos raios
Para o dimensionamento dos componentes dos SPDA assim como das alturas e afastamentos de captores verticais e horizontais devem ser consideradas ainda a carga total em coulombs ( de um flash) que o SPDA deve receber e conduzir para terra.
Baseando-se em levantamentos feitos em vários laboratórios espalhados pelo hemisfério norte e um no hemisfério sul (na África do Sul) foram construídos gráficos e tabelas através dos quais é possível exprimir cada parâmetro dos raios em função da grandeza e da respectiva probabilidade.
No projeto 81 (Secretariat) 57.1993 da IEC que deverá ser discutido pela comissão 81.1 da ABNT foram adotados os seguintes valores para os parâmetros do primeiro stroke E: a) Corrente (valor de crista) Para o Nível I: 200 kA Para o Nível II: 150 kA Para os Níveis III e IV: 100 kA b) Tempos de frente t1 e de cauda t2 válidos para todos os níveis t1 = 10 ms t2 = 350 ms c) Carga em Coulombs de um "stroke " de curta duração Para o nível I = 100 C Para o nível II = 75 C Para os níveis III e IV = 50 C d) Para a energia especifica W/R total (do flash) dada em MJ/Ω Para o nível I = 10 MJ/Ω Para o nível II = 5,6 MJ/Ω Para os níveis III e IV = 2,5 MJ/Ω
Para o stroke subsequente foram adotados: a) Valor de crista da corrente Para o nível I : 50 kA Para o nível II : 37,5 kA Para o níveis III e IV : 25 kA b) Tempos de frente e de cauda t1 = 0,25 ms e t2 = 100 ms para todos os níveis c) inclinação média (entre 30% e 90%) Para o nível I : 200 kA/ms Para o nível II : 150 kA/ms Para os níveis III e IV : 100 kA/ms
Nota-se que por esses levantamentos a corrente média é de 35kA e que nos levantamentos feitos pela CEMIG é de 45kA, aproximadamente, mas os valores mais altos coincidem em todas as pesquisas. Só recentemente têm sido registrados casos muito raros de correntes acima de 300kA que são denominados super-raios. É preciso ainda verificar se as corrente são mesmo tão elevadas ou se são erros de medição.
Para as descargas de longa duração foram adotados: a) Carga Q Para o nível I : 200 C Para o nível II : 150 C Para os níveis III e IV : 100 C b) Duração (tempo durante o qual a corrente fica acima de 10% do valor de crista) Para todos os níveis: 0,5s.
3. Classificação das Instalações.
3.1 Segundo a norma ANSI C62.41-
Inicialmente a referida norma divide os ambientes das instalações em que podem estar os equipamentos em Categorias de Localização: A, B e C com solicitações crescentes de A para C. Basicamente o ambiente A é dos ramais, o B é dos quadros de distribuição e C é das entradas.
Além de localização é considerada também a exposição aos surtos: baixa, média e alta e as categorias passam a ser denominadas com um índice adicional. Exemplo: A1, A2, A3. A exposição é considerada alta quando o índice cerâunico da região é elevado, a estrutura está em situação isolada e as linhas são expostas (não correm entre prédios de concreto mais altos ou se subterrâneas estão em dutos não metálicos).
É considerada baixa se o índice cerâunico é baixo, a estrutura está entre outras mais altas e as linhas estão blindadas pelas estruturas vizinhas. Um exemplo de alta exposição é o de um edifício isolado em zona rural situado no alto de um morro em zona de índice cerâunico maior que 80.
Para cada situação, com base em levantamentos estatísticos, são dadas estimativas das tensões e correntes com formas de onda padronizadas.
As duas ondas padronizadas são:
1. Onda amortecida (ring wave) 0,5 ms - 100 kHz: É uma onda senoidal exponencialmente amortecida que atinge o valor de crista em 0,5ms e depois oscila com a freqüência de 100 kHz. 2. Onda combinada (combo wave): 1,2/50 ms - 8/ ms: É a onda produzida por um gerador de impulso que em vazio fornece um impulso de tensão com a forma 1,2/50 e em curto circuito fornece uma onda de corrente da forma 8/20. Nos USA é denominado gerador Combo e na Europa é conhecido como gerador híbrido.
A onda amortecida 0,5 us - 100 kHz representa o deslocamento ao longo da fiação de um impulso unidirecional de tensão aplicado na entrada da instalação.
Por esse motivo ela não é especificada para a categoria C. Por outro lado, o impulso unidirecional não é especificado para a categoria A porque ao passar pela fiação sofre modificação pelas indutâncias e capacitâncias da fiação, tonando-se uma ring wave.
A onda amortecida tem os seguintes valores definidos para tensão, corrente e impedância efetiva (tabela 1).
A onda combinada tem os seguintes valores especificados:(tabela 2) Os valores de tensão e corrente (de crista) são os esperados em cada uma das localizações.
3.2 Segundo as Normas IEC
A IEC 664-1 divide as instalações em quatro categorias I, II, III e IV, desde a entrada (I), quadro de distribuição (II) e ramais (III). A categoria IV é dos equipamentos que serão ligados após a categoria III e que deverão ter uma proteção adicional, com redução da tensão por um dispositivo de proteção contra surtos. A IEC 664-1 fornece tabelas com os valores das tensões mais comumente utilizadas e as tensões que deverão ser suportadas pelos equipamentos nas diversas categorias.
A tendência dentro do Comité 81 da IEC é introduzir o conceito de zonas de proteção da compatibilidade eletromagnética ou também chamada proteção topológica Em cada interface entre as zonas deverão ser instalados dispositivos de proteção contra surtos (SPD, conservando a abreviação em inglês) a serem dimensionados de acordo com a tensão e corrente que podem chegar a essa interface. Para isso, os fabricantes de SPD's deverão fornecer não só a tensão residual (ou de grampeamento) mas também a corrente que poderá passar para o SPD seguinte ou para o equipamento protegido.
Nas entradas das instalações deverão, por essa filosofia, ser instalados pára-raios de grande capacidade de escoar correntes de impulso e que serão denominados pára-raios de corrente; os demais serão denominados pára-raios de tensão ou supressores de surtos. Uma das dificuldades é a determinação da capacidade desses pára-raios de corrente: se compararmos as correntes dos raios para o nível III (100 kA) com a capacidade atual pedida para os pára-raios de baixa tensão (5kA), vemos que é muito grande a diferença entre esses dois valores. Quando cai um raio em uma edificação considera-se que 50% da corrente vai para o sistema de aterramento e que o restante sai pelas tubulações metálicas e fiações que penetram na estrutura. Se a proteção for de acordo com o nível I ( as correntes de projeto são de 200 kA) as tubulações forem de plástico e o circuito for monofásico, sairão pelos condutores correntes da ordem de 100kA; este é um caso extremo que alguns consideram exagerado e impossível de acontecer enquanto outros consideram que o pior caso é que deve ser considerado.
n Fazer o aterramento em anel ou em anel com hastes verticais para que a distribuição do potencial no terreno seja mais "suave".
n Um revestimento do terreno com uma camada de concreto ou asfalto de pelo menos 5cm reduz as correntes que podem passar pelo corpo das pessoas que estejam em área aberta durante as trovoadas.
n Afastar as pessoas das descidas, aumentar o número de descidas, diminuir a indutância das descidas e revestir o solo como indicado acima.
Com isto os riscos a que as pessoas estão sujeitas são reduzidos ao mínimo.
4.2 O valor da resistência
A norma NBR-5419.1993 fixa em 10Ω o valor máximo de referência. Este é o valor que se deve procurar atingir. Reconhece-se que em terrenos de alta resistividade é difícil conseguir valores dessa ordem. Para baixar a resistência, deve-se:
nFazer um tratamento das hastes verticais, instalando-as dentro de furos de 30cm de diâmetro, com a profundidade da haste, preenchidos com bentonita.
n Aumentar o número de hastes em paralelo, o que, muitas vezes não é prático. Com o tratamento consegue-se reduzir a resistência de 30,40 ou 50% do valor original sendo melhores os resultados para os valores mais altos.
4.3 A medição da resistência de terra
Quando se mede a resistência de terra de um sistema de aterramento, instalando-se sonda auxiliar de corrente a uma distância grande (maior que de 10 a 20 vezes a dimensão máxima da malha) e variando a posição da sonda de tensão obtém-se uma curva cujo aspecto típico é o seguinte:
Não tem significado, pois, na medição a distâncias pequenas, estaremos no trecho inicial da curva e nunca saberemos o valor real da resistência de terra. Este é o caso da medição da resistência de terra dos anéis em torno dos prédios.
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5. A blindagem das instalações
Para reduzir os campos eletromagnéticos gerados pelos raios e que podem causar sobretensões nas fiações ou diretamente nos aparelhos e equipamentos , deve-se instalar os condutores dentro de canaletas ou leitos de cabos metálicos contínuos e aterrados; se essas canaletas ou leitos forem fechadas a blindagem será maior; o mesmo resultado se obtém instalando as fiações dentro de eletrodutos metálicos contínuos e aterrados. A ferragem das telhas de concreto protendido ou das lajes de concreto armado também oferecem uma certa blindagem, diminuindo as tensões induzidas nas fiações.
No caso da alimentações dos EES (equipamentos eletrônicos sensíveis) ou de linhas de dados é recomendável usar uma boa blindagem como recomendado acima. É recomendável, pois, aterrar todas as canaletas, calhas, dutos e eletrodutos metálicos, e fechar aquelas com linhas de dados, telefonia ou de alimentação de EES.
5.1 Influência da ferragem do concreto armado na blindagem das instalações.
Quando a ferragem do concreto armado é amarrada, conectada ou soldada de modo a se ter uma malha (gaiola) metálica envolvendo o edifício tem-se uma blindagem natural que vai reduzir os campos magnéticos e portanto as tensões induzidas nos condutores. Se essa gaiola for usada como parte do sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) como é a tendência atual , as correntes dos raios passarão ao longo de seus condutores.
Embora ainda não haja um procedimento de cálculo da atenuação obtida com essa Gaiola é possível fazer uma estimativa.
O projeto 81/1312-2 da IEC dá uma indicação para essa estimativa, comparando a blindagem de uma estrutura de concreto armado com a obtida por uma proteção pelo nível I, na qual os condutores de descida de 8mm de diâmetro estão afastados de uma distância de 10m.
Assim, obtém-se uma melhoria de 55,8dB ou uma blindagem 615 vezes melhor, se as paredes tiverem barras de 12mm de diâmetro distanciadas de 10 cm. Se a distância for aumentada para 20 cm e as barras para 18mm de diâmetro o ganho será de 47,5dB ou 237 vezes. Se a distância entre as barras for aumentada para 1m usando-se barras de 50mm de diâmetro a melhoria será de 24,2 dB ou 16,2 vezes. É interessante observar que as normas de telefonia pedem que a proteção dos edifícios prontos que devam receber novas centrais telefônicas seja feito no nível I incrementado (com distância entre as descidas de 2,5m ou menos ao invés dos 10m, como pedem a IEC 1024 e a NBR 5419.1993 para o nível I).
Em um prédio que vá abrigar Equipamentos Eletrônicos Sensíveis (EES) é possível em casos especiais instalar telas de fios soldados (TELCON) interligadas à ferragem das vigas, colunas e lajes e com isso obter reduções maiores que as indicadas acima.
Em um prédio pronto deve-se aumentar o número de descidas.
5.2 Influência da topologia
Quando se tem em uma instalação dois ou mais EES alimentados por linhas de força e linhas de dados (ou de sinal) é possível, por uma melhoria da topologia reduzir a área envolvida e portanto as tensões induzidas.
Assim, por exemplo, as fiações de dados e de força de um computador deverão correr próximas uma da outra para reduzir a área entre elas; a proximidade não pode ser muito grande pois poderá haver perturbação nos sinais pelo campo magnético gerado pela corrente do condutor de força. As letras nos monitores ficariam " tremendo" e dificultando ou mesmo impossibilitando a leitura. Um afastamento de 30 cm é considerado satisfatório. O mesmo se pode dizer para uma instalação de um televisor em que o cabo da antena desce muito afastado da linha de força.
Nota:
Chamamos a atenção para o fato de que a proteção pelo método da gaiola não assegura que o campo será nulo em todo o interior da estrutura como em geral se admite. De fato, quando a gaiola é atingida por um raio, o campo só será nulo se a corrente se distribuir uniformemente por todos os condutores da gaiola e assim mesmo só no centro da gaiola. Devemos nos preocupar com as vizinhanças dos condutores da gaiola porque em torno deles haverá um campo magnético que poderá induzir tensões em condutores paralelos a eles. Assim, as fiações que correrem paralelas aos condutores de descida ou aos condutores de uma malha instalada na cobertura devem ser instalados dentro de tubulações ou calhas metálicas aterradas como indicamos acima. De qualquer maneira, o risco às pessoas é desprezível.
6. Proteção dos circuitos de força e de telefonia
6.1.Circuitos em média tensão.
Estes circuitos estão normalmente protegidos por pára-raios de 12kV, 5kA os quais eram até pouco tempo atrás do tipo válvula com centelhador mas atualmente estão sendo trocados por outros do tipo sem centelhador com varistor de ZnO.
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surto (Transzorb ou TAZ ou ainda Tranzil). Mais recentemente surgiram no mercado módulos protetores totalmente de estado sólido, com um ou dois componentes (tiristores). Com os híbridos ou com os de estado sólido as tensões são reduzidas a valores da ordem de 200 a 300V ou ainda menos, dependendo da tensão de operação.
Os módulos MPH 160 padrão Telebrás satisfazem às condições de proteção das centrais eletrônicas. É preciso sempre verificar os componentes dos módulos encontrados nos representantes e distribuidores pois frequentemente encontram-se módulos de mesma cor mas com componentes muito diferentes. É melhor comprar sempre diretamente do fabricante, o qual responde pelo produto.
Estes módulos devem ser instalados no DG, nos troncos e nos ramais que saiam para fora do prédio da administração. Quando as linhas de pares telefônicos vão para outros prédios deve-se instalar protetores análogos nas entradas dos prédios ou junto aos aparelhos, com os terminais terra ligados ao TAP ou ao condutor PE mais próximo, no prédio. Se não houver um quadro com a base para os módulos e forem poucas linhas, existem protetores com os mesmos componentes para 2 a 6 ou 8 linhas.
Para as linhas de dados a filosofia é a mesma: usam- se protetores híbridos mas aqui , com três componentes, a saber: um centelhador para descarregar a maior parte da energia do surto, um varistor para abaixar a tensão que o centelhador deixou passar e um diodo de surto para dar a
proteção fina.
Como os componentes de informática trabalham com tensões baixas (5 a 25Volts) consegue-se um nível muito bom de proteção fina, cerca de 10 % acima da tensão de operação. Esses protetores são fabricados para cabos coaxiais ou pares de condutores telefônicos em peças para dois ou quatro condutores ( um ou dois pares).
6.5 A proteção da câmeras de TV para vigilância
As câmeras de TV ficam em posição muito exposta às descargas atmosféricas diretas e aos efeitos indiretos das descargas que caem nas proximidades , num raio de 1 a 2 quilômetros.
Normalmente são dois os pontos fracos que necessitam da instalação de protetores : n os cabos coaxiais de interligação entre as câmeras e entre estas e a central;
na alimentação de força dos motores de movimentação, normalmente em 110V ou 220V.
Quando os cabos de informação são de fibra ótica, fica dispensada a proteção, já que eles são imunes às radiações eletromagnéticas.
Poderão ser danificados os conversores sinal elétrico
A alimentação de força das câmeras precisa ser protegida por varistores de capacidade elevada (15 kA para cima) ou conjuntos de varistores e centelhadores com a mesma capacidade. Se forem usados estes últimos será necessário prover a alimentação de fusíveis que cortem a alimentação quando os centelhadores ficarem em "curto" como normalmente acontece, quando a tensão de alimentação é superior a 20/30V.
Para evitar a queda de raio diretamente sobre a câmera são instalados normalmente hastes tipo Franklin.
