Apostila Projetistas Para Raio

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TERMOTÉCNICA IND. E COM. LTDA. TELEFAX:(31)333.0499 Site: www.tel.com.br E-mail: [email protected]                     SPDA - SISTEMAS DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ELÉTRICAS ATMOSFÉRICAS (Para-Raios) APOSTILA ORIENTATIVA PARA PROJETISTAS Edição 3 28/07/99 Colaboração:Departamento de Engenharia da TERMOTÉCNICA. Rua Menotti Mucelli 180 -Jardinópolis- 30532-270 -BH-MG - Pág. 1 TERMOTÉCNICA IND. E COM. LTDA. TELEFAX:(31)333.0499 Site: www.tel.com.br E-mail: [email protected] INTRODUÇÃO -Este trabalho tem como objetivo levar ao conhecimento de projetistas, engenheiros eletricistas e outros interessados no assunto, algumas orientações técnicas e práticas de implantação de Sistemas de Proteção Contra Descargas Atmosféricas, baseado em nossa larga experiência de instalação, fabricação, projeto e consultoria técnica. Foi usada uma linguagem acessível para facilitar o entendimento de leigos e pessoas com poucos conhecimentos na área elétrica. - As orientações aqui contidas foram embasadas nas Normas Técnicas NBR5419/93, porém recomendamos que a Norma seja lida, antes de iniciar qualquer projeto. CONSIDERAÇÕES INICIAIS - A fim de se evitar falsas expectativas sobre o sistema de proteção, gostaríamos de fazer os seguintes esclarecimentos : 1 - A descarga elétrica atmosférica (raio) é um fenômeno da natureza absolutamente imprevisível e aleatório, tanto em relação às suas características elétricas (intensidade de corrente, tempo de duração, etc), como em relação aos efeitos destruidores decorrentes de sua incidência sobre as edificações. 2 - Nada em termos práticos pode ser feito para se impedir a "queda" de uma descarga em determinada região. Não existe "atração" a longas distâncias, sendo os sistemas prioritariamente receptores. Assim sendo, as soluções internacionalmente aplicadas buscam tão somente minimizar os efeitos destruidores a partir da colocação de pontos preferenciais de captação e condução segura da descarga para a terra. 3 - A implantação e manutenção de sistemas de proteção (pára-raios) é normalizada internacionalmente pela IEC (International Eletrotecnical Comission) e em cada país por entidades próprias como a ABNT (Brasil), NFPA (Estados Unidos) e BSI (Inglaterra). 4 - Somente os projetos elaborados com base em disposições destas normas podem assegurar uma instalação dita eficiente e confiável. Entretanto, esta eficiência nunca atingirá os 100 % estando, mesmo estas instalações, sujeitas à falhas de proteção. As mais comuns são a destruição de pequenos trechos do revestimento das fachadas de edifícios ou de quinas da edificação ou ainda de trechos de telhados. 5 - Não é função do sistema de pára-raios proteger equipamentos eletro-eletrônicos (comando de elevadores, interfones, portões eletrônicos, centrais telefônicas, subestações, etc), pois mesmo uma descarga captada e conduzida a terra com segurança, produz forte interferência eletromagnética, capaz de danificar estes equipamentos. Para sua proteção, deverá ser contratado um projeto adicional, específico para instalação de supressores de surto individuais (protetores de linha). 6 - Os sistemas implantados de acordo com a Norma , visam à proteção da estrutura das edificações contra as descargas que a atinjam de forma direta, tendo a NBR-5419 da ABNT como norma básica. 7 - É de fundamental importância que após a instalação haja uma manutenção periódica anual a fim de se garantir a confiabilidade do sistema. São também recomendadas vistorias preventivas após reformas que possam alterar o sistema e toda vez que a edificação for atingida por descarga direta. HISTÓRICO - O Raio é um fenômeno da natureza que desde os primórdios vem intrigando o homem, tanto pelo medo provocado pelo barulho, quanto pêlos danos causados. - Para algumas civilizações primitivas o raio era uma dádiva dos Deuses, pois com ele quase sempre vêem as chuvas e a abundância na lavoura. Para outras civilizações era considerado como um castigo e a pessoa que morria num acidente de raio, provavelmente havia irritado os Deuses e o castigo era merecido. Havia também civilizações que glorificavam o defunto atingido por um raio, pois ele havia sido escolhido entre tantos seres humanos, com direito a funeral com honras especiais. Rua Menotti Mucelli 180 -Jardinópolis- 30532-270 -BH-MG - Pág. 2 TERMOTÉCNICA IND. E COM. LTDA. TELEFAX:(31)333.0499 Site: www.tel.com.br E-mail: [email protected] - Após tantas civilizações o homem acabou descobrindo que o raio é corrente elétrica e por isso deverá ser conduzida o mais rápido possível para o solo, minimizando seus efeitos destrutivos. - O primeiro cientista a perceber que se tratava de um fenômeno Físico/Elétrico , foi Benjamin Franklin (1752), que na época afirmou que após a colocação de uma ponta metálica em cima de uma casa, esta atrairia os raios para si e a edificação estaria protegida contra raios , caindo estes na ponta metálica. -Após alguns anos, tomou conhecimento de edificações que tinham sido atingidas e o raio não havia caído na ponta metálica. Assim sendo, reformulou sou teoria e afirmou que a ponta metálica seria o caminho mais seguro para levar o raio até o solo com segurança caso a ponta seja atingida por um raio. A partir daí começou-se a definir a região até onde esta ponta teria influência (séc. XVlll - Gay Lussac) e começou-se as esboçar os primeiros cones de proteção, cuja geratriz era função de um ângulo pré-definido, resultando num cone com um raio de proteção. Inicialmente era considerado ∝=60º o que implicaria que tg ∝=1,73, donde teríamos que R=H x 1,73. Quer isto dizer que para cada metro vertical de H o Raio teria um acréscimo de 73%. Em alguns casos especiais, tais como : inflamáveis, explosivos , etc, o angulo usado era de 45º, variando de País para País de acordo com suas normas. -Com o passar do tempo foram sendo definidos novos Ângulos de proteção em função da exposição da edificação, bem como os riscos materiais e humanos, envolvidos. A FENOMENOLOGIA DO RAIO Este fenômeno de natureza elétrica é produzido pela nuvem do tipo ‘cumulunimbus’ e se forma por um processo interno da nuvem o qual não será abordado por não ter significado prático neste trabalho. Á medida que o mecanismo de autoprodução de cargas elétricas vai aumentando de tal modo que dá origem a uma onda elétrica que partira da base da nuvem em direção ao solo, buscando locais de menor potencial, ficando sujeita a variáveis atmosféricas, tais como pressão, temperatura, etc, definindo assim uma trajetória ramificada e aleatória. Essa primeira onda caracteriza o choque líder (chamado de condutor por passos) que define sua posição de queda entre 20 a 100 metros do solo. A partir deste primeiro estágio o primeiro choque do raio deixou um canal ionizado entre a nuvem e o solo que dessa forma permitirá a passagem de uma avalanche de cargas com corrente de pico em torno de 20 KA. Após esse segundo choque violento de cargas passando pelo ar, provocam o aquecimento deste meio, até 30.000 ºC , provocando a expansão do ar (trovão). Neste processo os elétrons retirados das moléculas de ar, retornam, fazendo com que a energia absorvida pelos mesmos na emissão, seja devolvida sob a forma de luz (relâmpago). Na maioria dos casos este mecanismo se repete diversas vezes no mesmo raio. ATUALIDADE Rua Menotti Mucelli 180 -Jardinópolis- 30532-270 -BH-MG - Pág. 3 TERMOTÉCNICA IND. E COM. LTDA. TELEFAX:(31)333.0499 Site: www.tel.com.br E-mail: [email protected] - Com a nova edição da Norma de Para-Raios NBR5419/93 a eficiência dos Sistemas de Proteção foi substancialmente aumentada não deixando nada a desejar em relação a Normas de outros Países, inclusive pelo fato desta ter tipo a Norma IEC como referência. -Atualmente existem basicamente três métodos de dimensionamento: 1) Método Franklin, porém com limitações em função da altura e do Nível de proteção (ver tabela). 2) Método Gaiola de Faraday ou Malha 3) Método da Esfera Rolante, Eletrogeométrico ou Esfera Fictícia - O método Franklin, devido ás suas limitações impostas pela Norma passa a ser cada vez menos usado em edifícios sendo ideal para edificações de pequeno porte. - O método da esfera Rolante é o mais recente dos três acima mencionados e consiste em fazer rolar uma esfera, por toda a edificação . Esta esfera terá um raio definido em função do Nível de Proteção, -Os locais onde a esfera tocar a edificação são os locais mais expostos a descargas. Resumindo poderemos dizer que os locais onde a esfera toca, o raio também pode tocar, devendo estes ser protegidos por elementos metálicos (captores Franklin ou condutores metálicos). 4)Captores Milagrosos - Com o intuito de ganhar dinheiro ás custas de pessoas leigas ou desatualizadas, alguns fabricantes divulgam captores com ângulos majorados (tipo 80º ou mais), dispositivos artificiais e até filosofias patéticas para tentar ganhar o espaço deixada pelos captores Radioativos, o qual está com sua Fabricação proibida pela CNEN (Comissão Nacional de Energia Nuclear). - Nenhum outro método de proteção deverá ser levado a sério que não sejam métodos consagrados pelas Normas Técnicas NBR 5419/93, o qual é o único documento aceito pelo código do consumidor. EXEMPLO DA PROTEÇÃO DA ESFERA ROLANTE EM EDIFÍCIOS ALTOS EXEMPLO DA PROTEÇÃO EM EDIFICAÇÕES BAIXAS Método da esfera Rolante Rua Menotti Mucelli 180 -Jardinópolis- 30532-270 -BH-MG - Pág. 4 TERMOTÉCNICA IND. E COM. LTDA. TELEFAX:(31)333.0499 Site: www.tel.com.br E-mail: [email protected] ELEMENTOS QUE COMPÕEM UM SISTEMA DE PROTEÇÃO CAPTAÇÃO -Têm como função receber as descargas que incidam sobre o topo da edificação e distribui-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 mais rapidamente para o solo. Para edificações com altura superior a 20 metros têm 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 #50 mm2. ANÉIS DE CINTAMENTO - Os anéis de cintamento assumem duas importantes funções. - A primeira é equalisar os potenciais das descidas minimizando assim o campo elétrico dentro da edificação. - A segunda é receber descargas laterais e distribui-las pelas descidas. Neste caso também deverão ser dimensionadas como captação. -Sua instalação deverá 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 é imprescindível a execução de uma prospecção da resistividade de solo previamente. EQUALIZAÇÃO DE POTENCIAIS INTERNOS - Nas descidas, anéis de cintamento e aterramento foram já mencionadas as equalizações de potenciais externos. Vamos agora abordar as equalizações de potenciais internas, ou seja 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(cada 20 metros de altura), deverão ser equalizados os aterramentos da CEMIG, da TELEMIG, de eletrônicos, de elevadores (inclusive trilhos metálicos), tubulações metálicas de incêndio, gás (inclusive o piso da casa de gás), água fria, água quente, recalque , etc. -Para tal deverá ser definido uma posição estratégica para instalação de uma caixa de equalização de potenciais que deverá ser interligada á malha de aterramento (ou anel de cintamento) e interligando as diferentes prumadas metálicas já mencionadas. - 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 apartamento localizados nos níveis dos anéis de cintamento. A amarração das diferentes tubulações metálicas poderá ser executada por fita perfurada estanhada (bimetálica) que possibilita a conexão com diferentes tipos Rua Menotti Mucelli 180 -Jardinópolis- 30532-270 -BH-MG - Pág. 5 TERMOTÉCNICA IND. E COM. LTDA. TELEFAX:(31)333.0499 Site: www.tel.com.br E-mail: [email protected] de metais e diâmetros variados, diminuindo também a indutância do condutor devido á sua superfície chata. COMO ELABORAR UM PROJETO - Tentaremos resumir os passos e cuidados a serem tomados na elaboração de projetos . -Daremos inicialmente mais ênfase a prédios pois são as edificações mais complexas de dimensionamento e também as que em geral sofrem maiores danos principalmente no tocante a descargas laterais. -Ao projetar a captação o primeiro passo consiste em distribuir condutores metálicos pela periferia da edificação, com fechamentos de acordo com a tabela anexa distribuindo as descidas também de acordo com a tabela anexa. Deverá ser dada preferência para as quinas da edificação. - O uso de mastros com captores Franklin em prédios altos, visam à proteção localizada de antenas e outras estruturas existentes no topo da edificação devendo o prédio ser protegido pêlos cabos que compõem a malha da Gaiola de Faraday. -As descidas deverão ser distribuídas ao longo do perímetro do prédio, de acordo com o nível de proteção (tab. anexa) com preferência para os cantos. Este espaçamento deverá ser médio e sempre arredondado para cima. Um cuidado deverá ser tomado ao especificar os condutores de descida, pois edificações com altura superior a 20 metros, estão expostas a descargas laterais, assumindo assim também a função de captor (cobre #35mm2 ou Alumínio 70 mm2). Caso o prédio esteja com a estrutura de concreto executada e o reboco não tenha ainda sido iniciado, os cabos (cobre) poderão ser fixados por baixo do reboco, eliminando assim os danos estéticos. -Para edificações com a fachada já pronta, os cabos (descidas e anéis de cintamento) poderão ser fixados diretamente sobre o acabamento. Neste caso, poderá ser usada a barra chata de Alumínio minimizando substancialmente os danos estéticos. -Os anéis de cintamento deverão ser executados a cada 20 metros de altura, contados a partir do solo, até á captação, podendo também ser fixados por baixo do reboco (cobre) ou por cima do acabamento da fachada com cabo de Alumínio ou barra chata de alumínio. - Quanto á malha de aterramento, o modo mais prático, consiste em colocar uma haste de aterramento tipo “Copperweld” (alta camada = 250µ) em cada descida e cabo de cobre nu # 50mm2 a 50 cm de profundidade, conectado ás hastes através de soldas exotérmicas. - A equalização de Potenciais como já foi mencionado deverá ser executada no nível do solo, e no nível dos anéis de cintamento horizontal. Rua Menotti Mucelli 180 -Jardinópolis- 30532-270 -BH-MG - Pág. 6 TERMOTÉCNICA IND. E COM. LTDA. TELEFAX:(31)333.0499 Site: www.tel.com.br E-mail: [email protected] TABELA DE DIMENSIONAMENTO Ângulo Nivel de Proteção RAIO ESFERA(m ) até 20m I II III IV 20 30 45 60 metros 25º 35º 45º 55º Grau s unidades α do Captor franklin h 21 a 29m h 30 a 44m h45 a 59m h>60 --- Malha da Gaiola Espaçamento das Descidas Eficiência do S.P.D.A. A 25º 35º 45º Graus A A 25º 35º Graus A A A 25º Graus B B B B Graus 5x10 10x15 10x15 20x30 metros 10 15 20 25 metros 95 a 98% 90 a 95% 80 a 90% até 80% α α α Porcentagem Rua Menotti Mucelli 180 -Jardinópolis- 30532-270 -BH-MG - Pág. 7 TERMOTÉCNICA IND. E COM. LTDA. TELEFAX:(31)333.0499 Site: www.tel.com.br E-mail: [email protected] A=Aplicar somente Gaiola de Faraday ou Esfera Rolante B=Aplicar somente Gaiola de Faraday h=Altura do captor α=Ângulo de proteção (Franklin) TABELA DAS BITOLAS DOS CONDUTORES Nível de Proteção I a IV (mm2) MATERIAL Captação mm2 Descidas mm2 Aterrament o mm2 Equalizações Alta Corrente mm2 Equalizações Baixa corrente mm2 Cobre Alumínio Aço 35 70 50 16 * 25 * 50 * 50 -80 16 25 50 6 10 16 Espessura de Est. Metálica usar com captação (mm) Não perfura Perfura 5 7 4 0,5 0,5 0,5 * Para edificações acima de 20 metros, dimensionar a bitola das descidas e anéis de cintamento, igual á bitola de captação devido á presença de descargas laterais . Obs: As bitolas acima se referem á seção transversal dos condutores em mm2 . TABELA PARA SELEÇÃO DO NÍVEL DE PROTEÇÃO TIPO DE EDIFICAÇÃO Edificações de explosivos , Inflamáveis, Indústrias Químicas , Nucleares , Laboratórios bioquímicos , Fábricas de munição e fogos de artifício , Estações de telecomunicações usinas Elétricas , Indústrias com risco de incêndio,Refinarias, etc. Edifícios Comerciais, Bancos , Teatros , Museus , Locais arqueológicos , Hospitais , Prisões , Casas de repouso , Escolas , Igrejas , Áreas esportivas Edifícios Residenciais,Indústrias,Casas residenciais , Estabelecimentos agropecuários e Fazendas com estrutura em madeira. Galpões com sucata ou de conteúdo desprezível , Fazendas e Estab.Agrop. com estrut. em madeira NÍVEL DE PROTEÇÃO NÍVEL I NÍVEL II NÍVEL III NÍVEL IV OBS: No caso de edificações muito perigosas (inflamáveis , produtos tóxicos , explosivos , etc) deverá ser consultado um especialista para análise do grau de periculosidade , perigo para a vizinhança , determinar a área de inalação de gases e até onde a ignição poderá ser iniciada ,etc. PODERÃO SER FORNECIDAS MAIS INFORMAÇÕES TÉCNICAS COM NOSSO DEPARTAMENTO TÉCNICO. Através dos ramais 217 , 211 ou 213. Atenciosamente, Engº Normando Virgílio Borges Alves E-Mail : [email protected] Rua Menotti Mucelli 180 -Jardinópolis- 30532-270 -BH-MG - Pág. 8