Proteção contra descargas atmosféricas

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Proteção contra descargas atmosféricas

Exemplo de descarga elétrica

As descargas atmosféricas podem atingir os sistemas aéreos de distribuição de energia elétrica incidindo sobre os cabos guarda (quando instalados), os condutores elétricos e as estruturas.

Quando não há cabos guarda na rede de distribuição, as descargas atmosféricas incidem preferencialmente sobre as estruturas e, depois, sobre os condutores da rede.

Para prover uma proteção em qualquer tipo de estrutura (edificações, subestações, linhas de transmissão, redes de distribuição etc.), podem ser utilizados três métodos de proteção, de acordo com a norma brasileira NBR 5419-3:2015 – Proteção contra Descargas Atmosféricas, Parte 3.

Método do Ângulo de Proteção

Conhecido comumente como Método de Franklin, consiste na utilização de um ou mais mastros com captores, de modo que todo volume da estrutura (edificações, chaminés, estruturas de redes aéreas etc.) a ser protegido fique dentro de uma zona espacial de proteção do sistema, criada pelos cones de proteção dos para-raios, que são formados por captores e mastros.

Os captores são a peça fundamental de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA). No mercado nacional, são fornecidos dois tipos de captores. Veja cada um deles a seguir.

Captores Franklin

O volume de proteção provido por um captor Franklin é definido pela forma de um cone circular, cujo vértice está posicionado na extremidade do eixo do mastro e o ângulo α que, dependendo da classe do SPDA e da altura H do captor, em relação à área a ser protegida, pode tomar diferentes valores definidos na página 31 da NBR 5419-3:2015.

A Figura 1 mostra o cone de proteção formado pela instalação, de um para-raios do tipo Franklin, na extremidade de um mastro de altura H. Isto é, toda estrutura contida no volume do cone está protegida contra descargas atmosféricas.

Figura 1 – Cone de proteção.            

          

Figura 2 – Captor Franklin.

Como exemplo, o raio de proteção, R, para uma altura do mastro, H = 4 m, pode variar de 8,2 m a 14,9 m, respectivamente, para as classes do SPDA de I e IV. 

Os valores dos raios de proteção foram calculados utilizando-se a expressão R = H x tg α, ou seja: R = 4 x tg 64º = 8,2 m; e R = 4 x tg 75º = 14,9 m, em que os valores de α foram obtidos na página 31 da norma supracitada.

O método de Franklin utiliza os terminais aéreos formados por captores que recebem diretamente os impactos das correntes de descargas atmosféricas, dentro de seu volume de proteção normalizado, e que são conduzidas à terra, por um sistema de descida em cabos de cobre nus, até a malha de aterramento constituída de cabos e hastes de terra.

O método do ângulo de proteção é adequado para edificações de formato simples, segundo a definição da própria norma brasileira.

Os captores Franklin de quatro pontas são, normalmente, utilizados no mercado nacional na proteção de edificações, torres e outras estruturas. Tem seu formato mostrado na Figura 2. São fixados nas extremidades de um mastro, normalmente metálico.

Captores Ionizantes

São dispositivos de ionização, com alguma semelhança aos captores Franklin, tendo, como principal diferença, o valor do raio de proteção.

De acordo com os fabricantes, os para-raios ionizantes possuem ângulos de cobertura muito superiores aos para-raios Franklin, conforme podemos observar na Figura 3, comparativamente à Figura 1, que mostra o raio de proteção dos para-raios Franklin.

Figura 3 – Área de proteção de um para-raios ionizante.

         

Os para-raios ionizantes (PDI) que, nas mesmas condições, geram um líder ascendente mais rápido que um para-raios simples, e de fato oferecem um área de proteção maior.

Esses para-raios são compostos por uma ponta central totalmente condutora, um dispositivo de ionização, um elemento de fixação e uma ligação aos condutores de descida.

Segundo os fabricantes, os para-raios ionizantes são isentos de elementos eletrônicos, com avanço à ignição de 60 μs, e testados até 200 kA (na onda 10/350 μs). O seu tempo de avanço à ignição é concedido única e, exclusivamente, pela sua geometria, apresentando desta forma uma elevada confiabilidade e durabilidade.

Também declaram que os para-raios ionizantes estão de acordo com diferentes normas internacionais, notadamente a norma portuguesa NP 4426:2013 – Proteção contra descargas atmosféricas.

Tabela 1 – Raios de proteção do para-raios ionizante.

A seguir, uma descrição da operação do para-raios ionizantes. O raio começa quando a nuvem emite traçadores descendentes, que se propagam em direção do solo. Qualquer objeto, de preferência pontiagudo, pode receber o impacto. O objetivo do sistema externo de proteção é que o ponto de impacto da descarga seja um objeto controlado, que proporcione à corrente do raio um caminho seguro até a terra sem danificar a estrutura.

O para-raios ionizante se caracteriza com a emissão antecipada, de um traçador ascendente antes que qualquer outro objeto, dentro do seu raio de proteção, oferecendo, assim, uma zona de proteção, maior que uma ponta simples.

Em continuidade ao exemplo dado para os captores Franklin, para uma altura do mastro, H = 4 m, o captor ionizante propicia, para a mesma altura, H = 4 m, o raio de proteção, variando entre 63 m a 86 m, respectivamente, para as classes do SPDA de I e IV, conforme se pode observar na Tabela 1.

Se desejarmos determinar o ângulo de proteção para os níveis de proteção I e IV, teremos, respectivamente: αº = arctg (63/4) = 86,3º e αº = arctg (86/4) = 87,3º.

Os para-raios ionizantes são acompanhados de um módulo de teste de funcionamento à distância, que fica localizado no sistema de descida, mastro ou cabo. O acesso ao módulo do teste é feito por meio de um dispositivo de controle, que se comunica por meio de radiofrequência, HF 2,4 Ghz, com alcance de até 100 m.

Por meio do módulo de controle, pode-se, opcionalmente, conhecer o número de descargas atmosféricas acumulado no módulo de teste. A Figura 4 mostra o captor do para-raios ionizante de fabricação Indelec.

No entanto, deve-se informar que a norma brasileira NBR 5419-3:2015 dita, na página 9, o seguinte texto: “Recursos artificiais destinados a aumentar o raio de proteção dos captores ou inibir a ocorrência das descargas atmosféricas, não são contemplados nesta Norma.”

Método da Gaiola de Faraday

Também conhecido como Método Gaiola de Faraday consiste em instalar um sistema de captores formado por condutores horizontais interligados em forma de malha, formando uma rede modular de condutores, envolvendo todos os lados do volume a proteger (cobertura e fachadas), criando assim uma espécie de “gaiola”.

Graças a essa disposição, temos um campo elétrico nulo no interior da malha captora, pois as cargas se distribuem de forma homogênea na parte mais externa da superfície condutora. Esse método só tem aplicação em estruturas que ocupam com grandes áreas a proteger.

Captor Ionizante.
Figura 4 – Captor Ionizante.

Método da Esfera Rolante

Também conhecido como método da esfera fictícia rolante, é bastante indicado para estruturas com formas arquitetônicas complexas, ou com grandes alturas, sendo baseados em estudos realizados, a partir da medição dos parâmetros dos raios, de registros fotográficos, em técnicas de simulação, ensaios de laboratórios e modelagem matemática.

Inicialmente, este método surgiu com a necessidade de um modelo para se aplicar às linhas de transmissão, sendo depois adaptado para atender as estruturas (edificações).

Demonstração da captação da esfera rolante.
Figura 5 – Demonstração da captação da esfera rolante.

Nas descargas atmosféricas nuvem ao solo, que são as mais perigosas, o raio é precedido por um canal ionizado descendente (líder), que se desloca no espaço em saltos sucessivos de algumas dezenas de metros.

A esfera fictícia representa uma esfera de centro na extremidade do líder descendente e raio igual ao comprimento de todos os saltos, antes do último, onde sua superfície representa o lugar geométrico dos pontos a serem atingidos pela descarga atmosférica.

A distância 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 cujos pontos foram atingidos pela descarga.

A Figura 5 demonstra a aplicação do método da esfera rolante, cujo valor pode ser conhecido pela Tabela 2.

Pode-se observar que existe um cabo instalado, horizontalmente, nas bordas da edificação, e que faz parte da malha captora, local em que a esfera rolante poderia tocar a estrutura.

Tabela 2 – Valor do Raio da Esfera Rolante em função da Classe da Estrutura

Esse assunto completo pode ser obtido no Capítulo 11 (“Sistemas de aterramento”) do livro Instalações Elétricas Industriais.


Conheça também a nova edição do livro Proteção de Sistemas Elétricos de Potência.


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João Mamede Filho
João Mamede Filho
É engenheiro eletricista formado pela Universidade Católica de Petrópolis (UCP), no Rio de Janeiro. Foi diretor de Planejamento e Engenharia da Companhia Energética do Ceará (COELCE) por duas vezes, e também diretor de Operações da entidade. Foi presidente do Comitê Coordenador de Operações do Norte-Nordeste (CCON) e da Nordeste Energia S.A. (NERGISA). Ex-presidente e atual engenheiro de projeto da CPE – Estudos e Projetos Elétricos. Por mais de 30 anos, ministrou a disciplina de Eletrotécnica Industrial na Universidade de Fortaleza (UNIFOR), no Ceará.

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