UNIVERSIDADE ESTADUAL DO PIAUÍ CTU / COORD. DE ENGENHARIA ELÉTRICA DISCIPLINA: SEMINÁRIOS DE ENG. ELÉTRICA VIII PROFESSOR: ENG. EDUARDO BARROS
SPDA SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS D ESCARGAS ATMOSFÉRICAS
LÚCIO DANIEL S. DOS SANTOS RAILSON SARAIVA C. LIMA
Teresina, dezembro de 2011.
Os antigos romanos, observando a freqüência e condições de incidência dos raios, já utilizavam práticas de prevenção eficientes. Em dias de tempestade, os guerreiros evitavam manter as lanças apontadas para o céu durante as marchas pelos campos de batalhas. Eles estavam certos.
As descargas atmosféricas Os raios sempre amedrontaram e, ao mesmo tempo, fascinaram os homens, daí a necessidade de tentar compreendê-los. As primeiras explicações para o fenômeno partiam de concepções mitológicas, algumas delas chegavam a dizer que o deus Tor cruzava os céus numa carruagem puxada por dois bodes, e quando agitava, furioso, o seu martelo, produziamse raios e trovões. Ainda hoje, apesar de todos os avanços da ciência, em vários aspectos, o conhecimento sobre as descargas atmosféricas é "limitado". Atualmente, dominamos técnicas avançadas de proteção e análise dos efeitos dos raios, mas sabemos pouco sobre diversos aspectos físicos envolvidos no fenômeno, como é o caso das descargas que partem da nuvem para a estratosfera, por exemplo. Na formação do raio é estabelecido um canal condutor entre nuvem e solo, que ocasiona o fluxo de corrente intensa. Isso gera o aquecimento do canal, causando efeito luminoso intenso, o relâmpago, e deslocamento do ar com forte efeito sonoro, o trovão. Como a velocidade da luz (300 milhões de m/s) é muito maior que a do som (300 m/s), percebemos o relâmpago segundos antes do trovão. Existem quatro variedades básicas de descargas atmosféricas, classificadas de acordo com os elementos conectados. São elas: – Intranuvem: quando a corrente de descarga ocorre dentro da própria nuvem;
– Entre nuvens: quando a corrente de descarga ocorre de uma nuvem para outra; – Nuvem-estratosfera: a corrente de descarga ocorre da nuvem para a estratosfera; – Nuvem-solo: a corrente de descarga ocorre entre nuvem e solo. Representa somente 20% do total das descargas atmosféricas. Nesse último caso, existem ainda duas outras variações: quanto à polaridade (negativa ou positiva) e quanto à direção de propagação do canal (ascendente ou descendente). As descargas atmosféricas positivas são pouco freqüentes, mas são também mais intensas, mais demoradas e seus efeitos muito mais devastadores. Na descarga descendente, o canal, na maior parte do percurso, segue em direção ao solo, e na ascendente, sobe em direção à nuvem. Por isso, não é correta a idéia de que o raio ‘cai’. Na verdade, o canal se propaga tanto de baixo para cima quanto de cima para baixo. Aproximadamente 90% das descargas são negativas e descendentes.
SPDA Para proteção dos sistemas elétricos e das estruturas e edifícios, surge o Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas – SPDA. Leigamente conhecido somente como os pára-raios, esses sistemas englobam um conhecimento maior do que simples hastes de metal instaladas no ponto mais elevado da edificação, em reservatórios, em antenas e outros, ligados à terra por meio de condutores também metálicos. Sua função é direcionar e dissipar à terra as descargas atmosféricas (raios) causadas pelas nuvens eletrificadas pelo atrito e pela movimentação, evitando danos ao edifício e às pessoas, valendo ressaltar que esses sistemas não atraem, somente dissipam as descargas.
ELEMENTOS QUE COMPÕES UM SPDA
CAPTAÇÃO Tem como função receber as descargas que incidam sobre o topo da edificação e
distribuí-las pelas descidas. É composta por elementos metálicos, normalmente mastros ou condutores metálicos devidamente dimensionados.
DESCIDAS Recebem as correntes distribuídas pela captação encaminhando-as o rapidamente para
o solo. Para edificações com altura superior a 20 metros tem também a função de receber descargas laterais, assumindo neste caso também a função de captação devendo os condutores ser corretamente dimensionados para tal. No nível do solo as descidas deverão ser interligadas com cabo de cobre nu 50mm².
ANÉIS DE CINTAMENTO Os anéis de cintamento assumem duas importantes funções. A primeira é equalizar os
potenciais das descidas minimizando assim o campo elétrico dentro da edificação. A segunda e receber descargas laterais e distribuí-las pelas descidas. Neste caso também deverão ser dimensionadas como captação. Sua instalação devera ser executada a cada 20 metros de altura interligando todas as descidas.
ATERRAMENTO Recebe as correntes elétricas das descidas e as dissipam no solo. Tem também a
função de equalizar os potenciais das descidas e os potenciais no solo, devendo haver preocupação com locais de freqüência de pessoas, minimizando as tensões de passo nestes locais. Para um bom dimensionamento da malha de aterramento e imprescindível a execução previa de uma prospecção da resistividade de solo.
EQUALIZAÇÃO DE POTENCIAIS INTERNOS É a equalização dos potenciais de todas as estruturas e massas metálicas que poderão
provocar acidentes pessoais, faíscamentos ou explosões. No nível do solo e dos anéis de cintamento (a cada 20 metros de altura), deverão ser equalizados os aterramentos do neutro da concessionária elétrica, do terra da concessionária de telefonia, outros terras de eletrônicos e de elevadores (inclusive trilhos metálicos), tubulações metálicas de incêndio e gás (inclusive o piso da casa de gás quando houver), tubulações metálicas de água, recalque, etc. Para tal devera ser definido uma posição estratégica para instalação de uma caixa de equalização de potenciais principal (LEP/TAP) que deverá ser interligada a malha de aterramento. A cada 20 metros de altura deverão ser instaladas outras caixas de equalização secundarias, conectadas as ferragens estruturais, e interligadas através de um condutor vertical conectado a caixa de aterramento principal. A ligação da caixa de equalização bem como as tubulações metálicas poderão ser executadas com cabo de cobre 16mm² antes da execução do contra-piso dos apartamentos localizados nos níveis dos anéis de cintamento. A amarração das diferentes tubulações metálicas poderá ser executada por fita perfurada niquelada (bimetálica) que possibilita a conexão com diferentes tipos de metais e diâmetros variados, diminuindo também a indutância do condutor devido a sua superfície chata.
SELEÇÃO DO NÍVEL DE PROTEÇÃO DO SPDA Os tipos de estruturas que necessitam de um SPDA são:
Estruturas especiais com riscos inerentes de explosão tais como aquelas contendo gases inflamáveis, requerem geralmente o mais alto nível de proteção;
Para os demais tipos de estruturas, deve ser inicialmente determinado se um SPDA é, ou não, exigido
Para alguns locais é indispensável o uso de um SPDA, como: o
Locais com grande afluência de pessoas;
o
Locais onde se prestam serviços públicos essenciais, como por exemplo, subestações de potência;
o
Áreas de elevadas densidade de descargas atmosféricas;
o
Estruturas de valor histórico e cultural;
o
Estruturas isoladas com altura superior a 25 metros;
A seleção do nível de um SPDA pode ser feita de acordo com as seguintes prescrições:
Freqüência média anual previsível de descargas atmosféricas sobre u ma estrutura: = × × 10 (raios/ano)
Onde: o
Ae - área de atração: é a área em torno da estrutura onde os raios que caem são atraídos e é calculada como sendo a área da edificação aumentada de sua altura em todas as suas dimensões. É dada pela formula:
o
Ng - densidade de descargas atmosféricas para a terra é calculada pela formula: = 0,04 × ,
onde I é o índice isoceraúnico, obtido através de mapas meteorológicos.
Avaliação geral do risco (probabilidade ponderada): Po = N x A x B x C x D x E o
Uma vez calculado N, aplica-se cinco fatores de risco relacionados com a edificação em análise.
o
A,B,C,D e E fatores de ponderação de acordo com tabela:
MÉTODOS DE PROTEÇÃO CONTRA SOBRECARGAS ATMOSFÉRICAS Existem basicamente três tipos de métodos contra sobrecargas atmosféricas:
1. Método de Franklin: Consiste em se determinar o volume de proteção propiciado por um cone, cujo ângulo da geratriz varia de acordo com o nível de proteção desejado e de acordo com a altura da construção. O método de Franklin é recomendado para aplicação em estruturas muito elevadas e de pouca área horizontal, onde se pode utilizar uma pequena quantidade de captores, o que torna o projeto economicamente interessante.
2. Método de Faraday: É baseado na teoria de que o campo magnético no interior de uma gaiola condutora é nulo. Consiste em envolver a parte superior da construção com uma malha captora de condutores elétricos nus, cuja distância entre eles é dada pelo nível de proteção desejado. O método de Faraday, ao contrário, do método de Franklin é indicado para construções com alturas relativamente baixas, porém com uma grande área horizontal. Mas de acordo com a NBR 5416/01, para edificações com altura superior a 60 metros é obrigatório o método de Faraday.
Algumas recomendações para a instalação do método de Faraday: A norma recomenda instalar captores verticais ou terminais aéreos de 30 a 50 cm de altura, separados de 5 a 8m ao longo dos condutores da malha; Condutores horizontais devem cobrir todo o perímetro da estrutura; Podem ser utilizadas descidas naturais ou não-naturais: o
o
Naturais fazem parte da estrutura da edificação:
Cantoneiras;
Tubulações metálicas;
Barras metálicas;
Não-naturais:
Condutores e/ou barramentos instalados para tal finalidade;
Aterramento: o o
No mínimo uma haste para cada descida; Todas as hastes devem estar interligadas formando um anel;
o
O aterramento deve ser único em toda a instalação;
o
A resistência de aterramento deve ser < 10 ohms;
3. Método Eletrogeométrico: Também conhecido como método da esfera rolante, o método Eletrogeométrico se baseia na delimitação do volume de proteção dos captores de um SPDA, podendo ser utilizados hastes, cabos ou mesmo uma combinação de ambos. É empregado com muita eficiência em estruturas de grande altura e/ou de formas arquitetônicas complexas. É o método mais recente, consiste em fazer uma esfera fictícia de Raio determinado pelo nível de proteção, rolar por toda a edificação. Os locais onde ela tocar a edificação, o raio também pode tocar, devendo estes ser protegidos por elementos metálicos interligados a malha de aterramento.
PROJETO Normatização Para garantir a segurança e eficiência do sistema, o projeto deve ser elaborado sempre seguindo as prescrições da Norma NBR 5419 da ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas), além da portaria 598 do Ministério do MTE (de 2004), que modifica as normas relativas à segurança em instalações e serviços em eletricidade da NR10. Existem, ainda, decretos estaduais que integram SPDA juntamente com sistemas de segurança contra incêndio e pânico. Além disso, ainda existem Informativos Técnicos do Corpo de Bombeiros de acordo com os regimentos estaduais, que tornam mais garantida a segurança dos projetos. Pelo Confea, existe a decisão normativa n°070, de 26 de outubro de 2001 que decide:
Art. 1º As atividades de projeto, instalação e manutenção, vistoria, laudo, perícia e parecer referentes a Sistemas de Proteção contra Descargas Atmosféricas-SPDA, deverão ser executadas por pessoas físicas ou jurídicas devidamente registradas nos Creas. Parágrafo único. O projeto de SPDA envolve levantamento das condições locais do solo, da estrutura a ser protegida e demais elementos sujeitos a sofrer os efeitos diretos e indiretos de descargas atmosféricas, os cálculos de parâmetros elétricos para a sua execução, em especial para os sistemas de aterramento e ligações eqüipotenciais, seleção e especificação de equipamentos e materiais, tudo em rigorosa obediência às normas vigentes. Art. 2º As atividades discriminadas no caput do art. 1º, só poderão ser executadas sob a supervisão de profissionais legalmente habilitados. Parágrafo único. Consideram-se habilitados a exercer as atividades de projeto, instalação e manutenção de SPDA, os profissionais relacionados nos itens I a VII e as atividades de laudo, perícia e parecer os profissionais dos itens I a VI: I – engenheiro eletricista; II – engenheiro de computação; III – engenheiro mecânico–eletricista; IV – engenheiro de produção, modalidade eletricista; V – engenheiros de operação, modalidade eletricista; VI – tecnólogo na área de engenharia elétrica, e VII – técnico industrial, modalidade eletrotécnica. Art. 3º Todo contrato que envolva qualquer atividade constante do art. 1º deverá ser objeto de Anotação de Responsabilidade Técnica-ART.
§1º Deverá ser registrada uma ART para cada tipo de pára–raios projetado e/ou fabricado. § 2º Quando as ARTs relativas às atividades de instalação elétrica/telefônica exigirem a instalação de SPDA, esta deverá estar explícita na respectiva ART.
Sequência para a elaboração do projeto 1. Definir o nível de proteção a ser adotado; 2. Verificar a possibilidade do uso de elementos naturais; 3. Acrescentar ao subsistema de captação, condutores metálicos pela periferia da edificação e em malhas distribuídas de acordo com as tabelas a seguir; 4. Uso de mastros altos com captores Franklin visando à proteção localizada de antenas e outras estruturas existentes no topo da edificação; 5. Distribuir as descidas uma em cada vértice da edificação e distâncias máximas conforme tabela. Proteger os condutores contra danos mecânicos até altura de 2,20m. 6. Anéis de cintamento a cada 20 metros a partir do solo interligando-se as descidas; 7. Equalizar todos os elementos metálicos que estão próximos 0,5m destes componentes; 8. Executar um anel de aterramento com cabo de cobre nu, enterrado a 0,5m de profundidade. Em cada descida deve ser instalada uma haste cobreada de alta camada ligada ao anel de aterramento e a descida, por solda exotérmica. Este é o mais prático sistema de aterramento. 9. Executar a equalização de potenciais como mencionado anteriormente, ao nível do solo a ao nível de cada cintamento. Notas 1. Todas as estruturas metálicas (chaminés, guarda-corpo, escadas, etc) devem ser equipotencializadas interligando ao sistema de captação; 2. Deve ser utilizadas caixas de medição para o desacoplamento do sistema de aterramento para medição; 3. As conexões enterradas devem ser feitas por soldas ou compressão. Conexões mecânicas devem estar em caixas do tipo solo protegido por massa de calafetar;
Massa de calafetar é um produto de alta consistência, designado para vedar juntas ou fendas de grandes dimensões com a passagem de pó, umidade, etc. 4. Todas as tubulações metálicas que atravessam o anel de aterramento devem ser interligadas a este. Tubulações com proteção superficial catódica por corrente imposta deve ser equipotencializados através de dps;
5. Somente deve ser utilizado componentes em aço com proteção galvanizada a fogo, proteção eletrolítica é proibida; 6. As hastes cobreadas devem ter uma espessura de 254 micron, ou seja, 0,254mm de revestimento de cobre, com bitolas da haste com 1/2", 5/8" e 3/4".
Dicas para elaboração de um bom projeto - Os condutores de descidas e anéis intermediários podem ser fixados diretamente na fachada das edificações ou por baixo do reboco; - Os condutores de descida devem ser distribuídos ao longo do perímetro da edificação, de acordo com o nível de proteção, com preferência para quinas principais; Em edificações acima de 20m de altura, os condutores das descidas e dos anéis intermediários horizontais deverão ter a mesma bitola dos condutores de captação, devido à presença de descargas laterais; - Para minimizar os danos estéticos nas fachadas e no nível dos terraços, podem ser usados condutores chatos de cobre; - A malha de aterramento deverá ser um cabo de cobre nu #50mm 2 a 0,5m de profundidade no solo, interligando as descidas; - Os eletrodos de aterramento tipo “Copperweld” deverão ser de alta camada (254 microns) não sendo permitidos eletrodos de baixa camada; - As conexões enterradas deverão ser preferencialmente com solda exotérmica, porém se forem usados conectores de aperto, deverá ser instalada uma caixa de inspeção de solo para proteção e manutenção do conector; - Todas as ferragens deverão ser galvanizadas a fogo, sendo portanto proibida a galvanização eletrolítica; - As equalizações de potenciais deverão ser no mínimo executadas no nível do solo e a cada 20m de altura, onde deverão ser interligadas todas as malhas de aterramento, bem como todas as prumadas metálicas da edificação e a própria estrutura da edificação.
Vale ressaltar que as tubulações de gás com proteção catódica não poderão ser vinculadas diretamente. Neste caso deverá ser instalado um DPS centelhador. Recomenda-se que todos os furos realizados na instalação do SPDA sejam bem vedados para evitar infiltrações no futuro. Recomenda-se o uso de porcas, arruelas e parafusos em aço inox e buchas de nylon para aumentar a vida útil do SPDA.
INSTALAÇÃO
Continuidade elétrica em descidas estruturais de pára-raios A idéia de se utilizar a ferragem do concreto armado com a finalidade de condução e dispersão para corrente de raios em descidas foi consequência do uso dessas mesmas estruturas metálicas em sistemas de aterramentos. Historicamente, em épocas de guerra, um engenheiro idealizou um sistema para depósitos de bombas de uma base aérea, com o objetivo de protegê-los contra descargas atmosféricas e eletricidade estática. Após anos, as instalações foram inspecionadas e chegou-se à conclusão de que eletrodos de aterramento utilizando armaduras de concreto resultavam em uma resistência de aterramento mais robusta e ainda com menor valor quando comparados às resistências compostas por somente hastes, especialmente em regiões de solos com valores relativamente altos de resistividade. No Brasil, a utilização do SPDA estrutural também é orientada pela norma e de acordo com a revisão de 2005, existem duas opções para esse sistema. A primeira consiste em simplesmente usar as ferragens do concreto armado como descidas naturais, desde que seja garantida a continuidade elétrica da ferragem dos pilares, verticalmente. A segunda opção faz uso de uma barra de aço galvanizada a fogo adicional às ferragens existentes, porém essa possui na norma um anexo específico para sua descrição e exigências. Essa barra, conhecida como re-bar (barra de reforço), tem a suposta função específica de garantir a continuidade desde o solo até o topo do prédio, e é defendida por profissionais que instalam SPDA com base na dificuldade do empreiteiro da obra civil em garantir a continuidade elétrica vertical das ferragens, já que não existe essa preocupação durante o processo da construção civil, uma vez que a continuidade elétrica não é necessária em termos estruturais. Independentemente da utilização ou não da barra adicional, a norma exige que pelo menos 50% dos cruzamentos das barras da armadura estejam firmemente amarradas com arame de aço torcido, e se aplica em armaduras de pilares, lajes e vigas. Essas amarrações deverão ser repetidas em todas as lajes, com todos os pilares que pertencem ao corpo do prédio. Exemplo de Re-bar (fonte: Termotécnica)
Exemplos Práticos Cristo Redentor O Cristo Redentor, eleito uma das maravilhas do mundo e cartão postal da cidade do Rio de Janeiro, e com a altura de 710m acima do nível do mar, apresenta uma probabilidade enorme de ser atingido por descargas atmosféricas. Em sua construção, para garantir a melhor conservação da estátua, foi necessária tecnologia utilizada na extração de petróleo e na construção de navios. Uma tela de titânio revestiu todo o interior da estátua. Trata-se da proteção catódica, fundamental para a conservação do monumento, pois combate um poderoso inimigo: o sal. Ao longo dos anos, o sal da argamassa estava oxidando a estrutura metálica que sustenta o concreto. A proteção catódica entra em ação quando a tela é eletrificada. Ela ganha carga positiva e atrai as partículas de cloreto de sódio — isto é, o sal — que são negativas. Dessa forma, a estrutura metálica que sustenta a estátua fica livre da ação desse agente corrosivo, que passa a se alojar em torno da proteção catódica. Contudo, justifica-se o porquê de caírem cerca de 20 raios por mês na estátua. O monumento já teve uma sobrancelha, o lábio inferior e recentemente a ponta de um dos dedos como partes que já foram atingidas pelos raios. Para isso, a construção conta com um SPDA. Não é uma coroa aquelas hastes na cabeça da estátua. Fazem parte, na verdade, do seu sistema de proteção.
Prédio da Oi (Teresina-PI) O prédio da Oi, em Teresina, por possuir uma enorme quantidade de antenas e transmissores em sua cobertura, torna necessária a presença de um bom SPDA para garantir a conservação dos equipamentos e a continuidade no fornecimento dos seus serviços. Tal sistema pode ser conferido pelas fotos a seguir.
Parte da estrutura de antenas.
Parte das antenas de telefonia móvel.
Parte do SPDA.
Descida do SPDA.
Conclusão Em virtude de cálculos onde os prejuízos causados pela incidência de descargas atmosféricas no país girem em torno de R$ 1 bilhão por ano, sendo R$ 600 milhões no setor elétrico, demonstra a tamanha importância dos SPDA na economia, além da preservação e da seguranças da população e das construções.
Bibliografia Livros: - CREDER, Hélio. Instalações Elétricas, 15ed. Rio de Janeiro. Editora LTC, 2005. - MAMEDE FILHO, João. Instalações Elétricas Industriais. 8ed. Rio de Janeiro. Editora LTC, 2011.
Sites: http://www.engelogic.com.br/?p=31 http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/raios/raios-1.php http://www.montal.com.br/info.php?gid=2 http://www.aditivocad.com/baixar-apostila.php?id=97&rf=projeto_spda&ld=71bae65 http://normativos.confea.org.br/ementas/visualiza.asp?idEmenta=624&idTipoEmenta=1&Nu mero= http://spdabrasil.blogspot.com/ http://www.tel.com.br/catalogo/gestor/montatela.php?id=3&tipo=agrupamento http://www.raiobrasil.com.br/home.htm http://www.portalsaofrancisco.com.br/alfa/cristo-redentor/cristo-redentor-2.php http://vejario.abril.com.br/edicao-da-semana/curiosidades-cristo-642218.shtml
