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Prof. Almiro Jos Knebel

Junho de 2007

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1. Sistema de Proteo de Descarga Atmosfrica - SPDA...........................21.1. Objetivo............................................................................................................21.2. Introduo Terica..........................................................................................2

1.2.1. Histrico.............................................................................................................31.2.2. A Fenomenologia do Raio ................................................................................4

1.3. Elementos do Sistema de Proteo Atmosfrica - SPDA ...........................61.3.1. Descidas.............................................................................................................61.3.2. Anis de Cintamento.........................................................................................71.3.3. Aterramento .......................................................................................................71.3.4. Equalizao de Potenciais Internos.................................................................71.3.5. Necessidade de Proteo Interna das Estruturas ........................................10

2. Bibliografia ..................................................................................................11

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1. Sistema de Proteo de Descarga Atmosfrica -SPDA

11..11.. OObbjjeettiivvoo

Conhecer detalhes de projetos de um Sistema de Proteo de DescargaAtmosfrica SPDA conforme NBR 5419.

11..22.. IInnttrroodduuoo TTeerriiccaa

A fim de se evitar falsas expectativas sobre o sistema de proteo, gostaramos defazer os seguintes esclarecimentos:

1 - A descarga eltrica atmosfrica (raio) um fenmeno da naturezaabsolutamente imprevisvel e aleatrio, tanto em relao s suas caractersticaseltricas (intensidade de corrente, tempo de durao, etc), como em relao aosefeitos destruidores decorrentes de sua incidncia sobre as edificaes.

2 - Nada em termos prticos pode ser feito para se impedir a "queda" de umadescarga em determinada regio. No existe "atrao" a longas distncias, sendoos sistemas prioritariamente receptores. Assim sendo, as soluesinternacionalmente aplicadas buscam to somente minimizar os efeitos

destruidores a partir da colocao de pontos preferenciais de captao e conduosegura da descarga para a terra.

3 - A implantao e manuteno de sistemas de proteo (pra-raios) normalizada internacionalmente pela IEC (International Eletrotecnical Comission) eem cada pas por entidades prprias como a ABNT (Brasil), NFPA (EstadosUnidos) e BSI (Inglaterra).

4 - Somente os projetos elaborados com base em disposies destas normaspodem assegurar uma instalao dita eficiente e confivel. Entretanto, esta

eficincia nunca atingir os 100 % estando, mesmo estas instalaes, sujeitas falhas de proteo. As mais comuns so a destruio de pequenos trechos dorevestimento das fachadas de edifcios ou de quinas da edificao ou ainda detrechos de telhados.

5 - No funo do sistema de pra-raios proteger equipamentos eletro-eletrnicos (comando de elevadores, interfones, portes eletrnicos, centrais

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telefnicas, subestaes, etc), pois mesmo uma descarga captada e conduzida aterra com segurana, produz forte interferncia eletromagntica, capaz de danificarestes equipamentos. Para sua proteo, dever ser contratado um projetoadicional, especfico para instalao de supressores de surto individuais(protetores de linha).

6 - Os sistemas implantados de acordo com a Norma , visam proteo daestrutura das edificaes contra as descargas que a atinjam de forma direta, tendoa NBR-5419 da ABNT como norma bsica.

7 - de fundamental importncia que aps a instalao haja uma manutenoperidica anual a fim de se garantir a confiabilidade do sistema. So tambmrecomendadas vistorias preventivas aps reformas que possam

alterar o sistema e toda vez que a edificao for atingida por descarga direta.

11..22..11.. HHiissttrriiccoo

O Raio um fenmeno da natureza que desde os primrdios vem intrigando ohomem, tanto pelo medo provocado pelo barulho, quanto plos danos causados.

Para algumas civilizaes primitivas o raio era uma ddiva dos Deuses, pois comele quase sempre vem as chuvas e a abundncia na lavoura. Para outrascivilizaes era considerado como um castigo e a pessoa que morria num acidentede raio, provavelmente havia irritado os Deuses e o castigo era merecido. Havia

tambm civilizaes que glorificavam o defunto atingido por um raio, pois ele haviasido escolhido entre tantos seres humanos, com direito a funeral com honrasespeciais.

Aps tantas civilizaes o homem acabou descobrindo que o raio correnteeltrica e por isso dever ser conduzida o mais rpido possvel para o solo,minimizando seus efeitos destrutivos.

O primeiro cientista a perceber que se tratava de um fenmeno Fsico/Eltrico , foiBenjamin Franklin (1752), que na poca afirmou que aps a colocao de uma

ponta metlica em cima de uma casa, esta atrairia os raios para si e a edificaoestaria protegida contra raios , caindo estes na ponta metlica.

Aps alguns anos, tomou conhecimento de edificaes que tinham sido atingidas eo raio no havia cado na ponta metlica. Assim sendo, reformulou sou teoria eafirmou que a ponta metlica seria o caminho mais seguro para levar o raio at osolo com segurana caso a ponta seja atingida por um raio. A partir da comeou-

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se a definir a regio at onde esta ponta teria influncia (sc. XVlll Gay Lussac) ecomeou-se as esboar os primeiros cones de proteo, cuja geratriz era funode um ngulo pr-definido, resultando num cone com um raio de proteo.

Mtodo Franklin

Inicialmente o ngulo era considerado = 60 o que implicaria que tg=1,73,donde teramos que R=H x 1,73. Quer isto dizer que para cada metro vertical de Ho Raio teria um acrscimo de 73%. Em alguns casos especiais, tais como:inflamveis, explosivos, etc, o angulo usado era de 45, variando de Pas para

Pas de acordo.com suas normas.

Com o passar do tempo foram sendo definidos novos ngulos de proteo emfuno da exposio da edificao, bem como os riscos materiais e humanos,envolvidos.

11..22..22.. AA FFeennoommeennoollooggiiaa ddoo RRaaiioo

Este fenmeno de natureza eltrica produzido pela nuvem do tipocumulunimbus e se forma por um processo interno da nuvem o qual no ser

abordado por no ter significado prtico neste trabalho.

medida que o mecanismo de auto produo de cargas eltricas vai aumentandode tal modo que d origem a uma onda eltrica que partira da base da nuvem emdireo ao solo, buscando locais de menor potencial, ficando sujeita a variveisatmosfricas, tais como presso, temperatura, etc, definindo assim uma trajetriaramificada e aleatria.

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Essa primeira onda caracteriza o choque lder (chamado de condutor por passos)que define sua posio de queda entre 20 a 100 metros do solo. A partir desteprimeiro estgio o primeiro choque do raio deixou um canal ionizado entre anuvem e o solo que dessa forma permitir a passagem de uma avalanche decargas com corrente de pico em torno de 20 KA.

Aps esse segundo choque violento de cargas passando pelo ar, provocam oaquecimento deste meio, at 30.000 C , provocando a expanso do ar (trovo).

Neste processo os eltrons retirados das molculas de ar, retornam, fazendo comque a energia absorvida pelos mesmos na emisso, seja devolvida sob a forma deluz (relmpago). Na maioria dos casos este mecanismo se repete diversas vezesno mesmo raio.

Com a nova edio da Norma de Para-Raios NBR5419/fev 2001 a eficincia dos

Sistemas de Proteo foi substancialmente aumentada no deixando nada adesejar em relao a Normas de outros Pases, inclusive pelo fato desta ter tipo aNorma IEC como referncia.

Atualmente existem basicamente trs mtodos de dimensionamento:

1) Mtodo Franklin, porm com limitaes em funo da altura e do Nvel deproteo (ver tabela).

2) Mtodo Malha ou Gaiola de Faraday.

3) Mtodo da Esfera Rolante, Eletrogeomtrico ou Esfera Fictcia.

O mtodo Franklin, devido s suas limitaes impostas pela Norma passa a sercada vez menos usado em edifcios sendo ideal para edificaes de pequenoporte.

O mtodo da esfera Rolante o mais recente dos trs acima mencionados econsiste em fazer rolar uma esfera, por toda a edificao. Esta esfera ter um raiodefinido em funo do Nvel de Proteo, -Os locais onde a esfera tocar a

edificao so os locais mais expostos a descargas. Resumindo poderemos dizerque o local onde a esfera toca, o raio tambm pode tocar, devendo estes serprotegido por elementos metlicos (captores Franklin ou condutores metlicos).

4)Captores Milagrosos

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Com o intuito de ganhar dinheiro s custas de pessoas leigas ou desatualizadas,alguns fabricantes divulgam captores com ngulos majorados (tipo 80 ou mais),dispositivos artificiais e at filosofias patticas para tentar ganhar o espao deixadopelos captores Radioativos, o qual est com sua Fabricao proibida pela CNEN(Comisso Nacional de Energia Nuclear).

Nenhum outro mtodo de proteo dever ser levado a srio que no sejammtodos consagrados pelas

Normas Tcnicas NBR 5419/fev 2001, o qual o nico documento aceito pelocdigo do consumidor.

EXEMPLO DA PROTEO DA ESFERA ROLANTE EM EDIFCIOS ALTOS

11..33.. EElleemmeennttooss ddoo SSiisstteemmaa ddee PPrrootteeoo AAttmmoossffrriiccaa -- SSPPDDAA

Tm como funo receber as descargas que incidam sobre o topo da edificao edistribu-las pelas descidas.

composta por elementos metlicos, normalmente mastros ou condutores

metlicos devidamente dimensionados.11..33..11.. DDeesscciiddaass

Recebem as correntes distribudas pela captao encaminhando-as o maisrapidamente para o solo. Para edificaes com altura superior a 20 metros tmtambm a funo de receber descargas laterais, assumindo neste caso tambm a

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funo de captao devendo os condutores ser corretamente dimensionados paratal.

No nvel do solo as descidas devero ser interligadas com cabo de cobre n,devendo os condutores ser corretamente dimensionados para tal..

11..33..22.. AAnniiss ddee CCiinnttaammeennttoo

Os anis de cintamento assumem duas importantes funes.

A primeira equalizar os potenciais das descidas minimizando assim o campoeltrico dentro da edificao.

A segunda receber descargas laterais e distribu-las pelas descidas. Neste casotambm devero ser dimensionadas como captao.

Sua instalao dever ser executada a cada 20 metros de altura interligando todasas descidas.

11..33..33.. AAtteerrrraammeennttoo

Recebe as correntes eltricas das descidas e as dissipam no solo.

Tem tambm a funo de equalizar os potenciais das descidas e os potenciais nosolo, devendo haver preocupao com locais de freqncia de pessoas,

minimizando as tenses de passo nestes locais.Para um bom dimensionamento da malha de aterramento imprescindvel aexecuo de uma prospeco da resistividade de solo previamente.

11..33..44.. EEqquuaalliizzaaoo ddee PPootteenncciiaaiiss IInntteerrnnooss

Nas descidas, anis de cintamento e aterramento foram j mencionadas asequalizaes de potenciais externos. Vamos agora abordar as equalizaes depotenciais internas, ou seja, a equalizao dos potenciais de todas as estruturas e

massas metlicas que podero provocar acidentes pessoais, fascamentos ouexploses.

No nvel do solo e dos anis de cintamento (cada 20 metros de altura), deveroser equalizados os aterramentos da concessionria, de telefone, de eletrnicos, deelevadores (inclusive trilhos metlicos), tubulaes metlicas de incndio, gs(inclusive o piso da casa de gs), gua fria, gua quente, recalque, etc.

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Para tal dever ser definido uma posio estratgica para instalao de uma caixade equalizao de potenciais que dever ser interligada malha de aterramento(ou anel de cintamento) e interligando as diferentes prumadas metlicas jmencionadas.

A ligao da caixa de equalizao bem como as tubulaes metlicas podero serexecutadas com cabo de cobre, antes da execuo do contra piso dosapartamentos localizados nos nveis dos anis de cintamento. A amarrao dasdiferentes tubulaes metlicas poder ser executada por fita perfurada estanhada(bimetlica) que possibilita a conexo com diferentes tipos de metais e dimetrosvariados, diminuindo tambm a indutncia do condutor devido sua superfciechata.

Sees mnimas dos materiais do SPDA

Posicionamento de captores conforme o nvel de proteo

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A seguir, tabela para classificao de estruturas:

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11..33..55.. NNeecceessssiiddaaddee ddee PPrrootteeoo IInntteerrnnaa ddaass EEssttrruuttuurraass

Assim como a NBR-5419:2001 estabelece um critrio para decidir sobre anecessidade de proteo externa de uma estrutura contra descargas atmosfricas,tm sido propostos vrios critrios para fazer o mesmo quando se trata de

equipamentos ou aparelhos da tecnologia da informao instalados. Note-se queatualmente quase todas as residncias e escritrios tm esse tipo deequipamento.

No Brasil, se uma estrutura necessita de proteo externa, devemos pelo menosproteger as entradas dos circuitos de fora e de telefonia, como previsto nasNBR.5419:2001 e NBR -5410:1997. Estas normas pedem a instalao de umabarra de equalizao dos potenciais (TAP ou LEP) nas entradas das instalaes;estas barras devem receber os fios PE (terra, fio verde, fio verde-amarelo) e a elasdevem estar ligados os terminais terra dos protetores dos condutores de fora.

Dessas barras devem sair conexes ao sub sistema de aterramento da edificao(anel de aterramento ou aterramento pela fundao). A comisso que est fazendoa reviso da NBR-5410 tem um grupo de trabalho (GT-4) dedicado exclusivamente proteo e est sendo prevista uma reviso radical em relao norma atual.

(NBR 5419:1997) 6.4.2.4.1 Em qualquer instalao deve ser previsto um terminalou barra de aterramento principal e os seguintes condutores devem ser a eleligados:

a) condutor de aterramento;

b) condutores de proteo principais;

c) condutores de equipotencialidade principais;

d) condutor neutro, se disponvel;

e) barramento de equipotencialidade funcional, se necessrio;

f) condutores de equipotencialidade ligados a eletrodos de aterramento de outros

sistemas (por exemplo, SPDA).NOTAS

1 O terminal de aterramento principal realiza a ligao equipotencial principal.

2 Nas instalaes alimentadas diretamente por rede de distribuio pblica embaixa tenso, que utilizem o esquema TN, o condutor neutro deve ser ligado ao

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terminal ou barra de aterramento principal diretamente ou atravs de terminal oubarramento de aterramento local;

3 Nas instalaes alimentadas diretamente por rede de distribuio pblica embaixa tenso, que utilizem o esquema TT, devem ser previstos dois terminais ou

barras de aterramento separados, ligados a eletrodos de aterramentoeletricamente independentes, quando possvel, um para o aterramento docondutor neutro e o outro constituindo o terminal de aterramento principalpropriamente dito.

4 Os condutores de equipotencialidade destinados ligao de eletrodos deaterramento de SPDA devem ser dimensionados segundo a NBR 5419.

2. BibliografiaABNT / NBR 5419 - Proteo de estruturas contra descarga Atmosfricas Fevereiro de 2001.

Souza, Geraldo Teles Apostila Mquinas e Comandos Eltricos Julho de 2004;