Este tópico define os critérios para a escolha do nível de proteção de uma estrutura a partir da ABNT NBR 5419:2015. Também será apresentado meios de proteção para os sistemas eletroeletrônicos, acondicionados no interior da estrutura a ser protegida.
2.5.1. Medidas de Proteção
Determinados os riscos de acordo com a ABNT NBR 5419:2015, e sendo superiores ao risco tolerável (𝑅𝑇), medidas de proteção devem ser adotadas no sentido de que as componentes de risco sejam reduzidas e garantam que as perdas, devido às descargas atmosféricas, sejam minimizadas.
Deve-se prover proteção contra ferimentos de seres vivos e danos físicos à estrutura, referido em ABNT NBR 5419-3:2015 e garantir a proteção contra falhas dos sistemas eletroeletrônicos, contido em ABNT NBR 5419-4:2015. As seleções das medidas de proteção devem sempre estar em conformidade com os requisitos destas normas. Um SPDA a ser instalado deverá ser contemplado por:
a) SPDA externo
Destinado a interceptar, conduzir e dispersar a corrente da descarga atmosférica, de forma segura, que tenha incidido na estrutura. É composto por:
- subsistema de captação; - subsistema de descida; - subsistema de aterramento.
b) SPDA interno
É destinado a evitar que ocorra centelhamentos perigosos no interior da estrutura e do volume de proteção, devido à corrente da descarga que flui pelo SPDA externo. É garantido por:
- Equipotencialização da estrutura e partes elétricas condutivas e sistemas elétricos; - Utilização de dispositivos de proteção contra surtos (DPS);
- Isolação elétrica.
2.5.1.1.Níveis de proteção
O nível de proteção está relacionado com a classe do SPDA e cada classe corresponde a um nível de proteção. O nível de proteção é determinado de acordo com as características da estrutura que se deseja proteger e dependem dos parâmetros da descarga atmosférica definidos em ABNT NBR 5419-1:2015, conforme tabela 2, do raio da esfera rolante, tamanho da malha e do ângulo de proteção, das distâncias entre condutores de descida entre os condutores em anel, da distância de segurança contra o centelhamento perigoso e do comprimento mínimo dos eletrodos de aterramento.
Quadro 2 – Valores mínimos dos parâmetros das descargas atmosféricas e respectivos raios da esfera rolante, correspondentes aos níveis de proteção (NP)
Fonte: ABNT NBR 5419-1:2015, Tabela 4.
A escolha e determinação de um nível de proteção contra descargas atmosféricas, de acordo com a NBR 5419-1:2015, está fixado em um conjunto de parâmetros máximos e mínimos das correntes das descargas atmosféricas para cada um dos níveis de proteção (I a IV). Segundo Ozolnieks e Vanzovics (2010), a escolha de um nível de proteção mais benéfica para a estrutura pode ser determinada reduzindo um, ou vários dos componentes de risco, pois cada nível de proteção reduz o efeito de um ou mais componentes de risco.
Na ocorrência de uma descarga atmosférica, a redução dos componentes de risco pode ser alcançada ao reduzir as probabilidades de danos, sejam danos físicos, falhas em sistemas internos ou ferimentos a seres vivos. A probabilidade de dano é considerada para diferentes níveis de proteção. Quando não há proteção, esta probabilidade é de 100%. Tais parâmetros e
considerações, a respeito de cada probabilidade de dano, correspondem ao Anexo B da NBR 5419-2:2015.
2.5.1.2. Métodos de proteção
São aceitos, pela NBR 5419:2015, três métodos utilizados para o posicionamento do subsistema de captação:
a) método do ângulo de proteção (método Franklin).
Constituído por um ou mais captores de quatro pontas fixados em mastros verticais aproveitando-se o efeito das pontas. O volume de proteção será determinado pelo formato de um cone circular com vértice posicionado no eixo do mastro e o ângulo de proteção será definido de acordo com a altura do mastro, conforme figura 10.
Figura 10 – Exemplo de aplicação do método do ângulo de proteção
Fonte: ABNT NBR 5419:2015.
onde:
A topo do captor; B plano de referência;
OC raio da base do cone de proteção;
ℎ1 altura de um mastro acima do plano de referência; 𝛼 ângulo de proteção.
Basicamente, podem ser agrupados a partir de duas filosofias de aplicação. Uma delas é contemplada pelos métodos Franklin e Eletrogeométrico, que utilizam hastes verticais ou condutores suspensos, denominados terminais aéreos ou simplesmente para-raios. Já a outra se refere ao método Faraday, no qual são utilizados condutores horizontais não-suspensos, formando uma malha sobre a estrutura (BURATTO, 2011).
b) Método das malhas (método Faraday).
Baseia-se na teoria formulada por Faraday a qual diz que o campo no interior de uma gaiola formada por condutores que conduzem uma corrente qualquer é nulo, independentemente do valor da corrente. Porém, o campo será nulo no centro da gaiola. Nas proximidades dos condutores da malha poderá haver um campo capaz de induzir tensões em condutores interiores à estrutura. Por este motivo, sua execução consiste em instalar um sistema de captores formado por condutores horizontais, interligados formando uma malha no topo e na lateral da estrutura a ser protegida, provendo uma blindagem eletrostática, conforme figura 11 (VISACRO, 2005).
Figura 11 – Exemplo de aplicação do método da malha de proteção
Fonte: (VISACRO, 2005)
A NBR 5419-3:2015 estabelece as dimensões mínimas da malha do subsistema de captação que são determinadas de acordo com o nível de proteção adotado para a proteção da estrutura. Em estruturas com grande área de cobertura, a adoção deste método é mais usual pois a utilização das outras técnicas de dimensionamento do subsistema captor implicaria num grande número de componentes e materiais (CREDER, 2007).
c) método da esfera rolante (método Eletrogeométrico);
Este método é muito indicado em estruturas com um formato arquitetônico complexo ou de grandes alturas. Seu estudo é baseado em métodos científicos de observação e medição dos parâmetros dos raios, registros fotográficos e ensaios em laboratórios de alta tensão (BURATTO, 2011).
Admite-se que o líder descendente trace um percurso no sentido vertical indo em direção à terra, deslocando-se no espaço em saltos sucessivos de algumas dezenas de metros, dentro de uma esfera fictícia, cujo raio é igual ao comprimento de todos os saltos antes do último salto, e a superfície da esfera representa o provável lugar geométrico dos pontos a serem atingidos pela descarga atmosférica (COUTINHO; ALTOÉ, 2003). A eficácia deste método dar-se-á se nenhum ponto da estrutura a ser protegida estiver em contato com a esfera rolando ao redor e no topo da estrutura em todas as direções possíveis. Ou seja, em todos os pontos em que a esfera toca a estrutura, utiliza-se um captor, conforme figura 12.
Figura 12 – Exemplo de aplicação conforme o método da esfera rolante
Fonte: ABNT NBR 5419:2015.
O raio da esfera deverá seguir o valor especificado para a classe do SPDA que será adotada.
2.5.1.3. Proteção do sistema elétrico e eletrônico
Por tempos, a proteção do sistema eletrônico contra as descargas atmosféricas, historicamente, era deixada de fora do âmbito da compatibilidade eletromagnética por envolver as interferências eletromagnéticas (EMI) e não existir conhecimentos suficientes para afirmar suas implicações como uma das maiores causadoras de surtos de corrente e tensão e danos às estruturas.
De acordo com Barreto (2009), ao elevarmos a proteção dos sistemas eletrônicos contra às descargas atmosféricas e os seus efeitos no campo da compatibilidade eletromagnética, certo que as descargas e seus efeitos corroboram com perturbações eletromagnéticas, torna-se claro uma nova situação e procedimentos devem ser seguidos para amenizar a natureza do problema.
A presente norma NBR 5419, em sua parte 4, que trata sobre a proteção dos sistemas elétricos e eletrônicos internos na estrutura, fornece amplas medidas (MPS) de proteção que colaboram para a redução de danos permanentes aos sistemas existentes na estrutura, causados pelo impulso eletromagnético da descarga atmosférica (LEMP). Tais medidas são aplicáveis em sistemas de telecomunicações, sistemas de instrumentação em plantas industriais, sistemas hospitalares, entre outros (BARRETO, 2009).
Os danos causados por LEMP, segundo a NBR 5419:2015, podem ser por meio de:
∙ surtos conduzidos ou induzidos transmitidos pelos cabos conectados ao sistema; ∙ os efeitos dos campos eletromagnéticos irradiados diretamente para os próprios
equipamentos.
Como maneira de prover proteção contra os efeitos dos campos eletromagnéticos irradiados diretamente para os próprios equipamentos, os MPS recomendados são aqueles que constituem de blindagens espaciais e/ou condutores blindados. De forma a proteger o sistema contra os surtos conduzidos ou induzidos, um sistema coordenado de DPS deve ser adotado. A proteção destes sistemas contra LEMP é baseada no conceito das zonas de proteção contra raios (ZPR), sucessivas zonas de proteção na estrutura caracterizam uma mudança na severidade no LEMP e a fronteira destas zonas são determinadas pelas MPS adotadas. Podem ser destacados quatro itens primordiais. Como meios básicos de proteção contra a LEMP, devendo ser considerados e executados de forma à permitirem a eficácia do SPDA, sendo eles:
a) Aterramento e equipotencialização
O subsistema de aterramento deve atender a parte 3 da norma, conduzindo e dispersando a corrente da descarga atmosférica para o solo. Uma rede de equipotencialização de baixa impedância minimiza as diferenças de potencial entre todos os equipamentos dentro da ZPR, podendo, ainda, reduzir os efeitos do campo magnético.
b) Blindagem magnética e roteamento de linhas
As blindagens espaciais atenuam os campos magnéticos no interior das ZPR, oriundos das descargas atmosféricas diretas ou próximas à estrutura. Podem prover proteção para toda a estrutura, uma parte dela ou apenas um cômodo ou parte de um equipamento. São aconselháveis onde for mais prático e útil a proteção de uma região específica da estrutura.
Uma blindagem eficaz é alcançada se a largura da malha formada pelos componentes naturais das estruturas tiver uma largura menor que 5 m.
Nas linhas internas é realizada a blindagem metálica dos cabos, utiliza-se dutos metálicos fechando os cabos e gabinetes metálicos dos equipamentos, de forma a garantir a proteção dos mesmos contra as interferências eletromagnéticas. Deve-se minimizar os laços de indução e reduzir a criação de tensões de surto no interior da estrutura executando um adequado roteamento das linhas internas. De acordo com Santos (2016), a vantagem da utilização das blindagens espaciais está no aproveitamento dos próprios elementos da estrutura sendo possível obter, de forma econômica, a blindagem de toda a instalação.
c) Coordenação de DPS
A utilização de um DPS está vinculada com a limitação das tensões transitórias e prover um caminho para as correntes de surto para fora dos equipamentos, protegendo-os contra os efeitos de tais correntes originárias das descargas atmosféricas (BARRETO, 2009).
Podem ser utilizados em todos os cabos que adentram as zonas de proteção, os cabos de energia, linhas de telefone e cabos de antenas, garantindo que o nível das sobretensões ou das sobrecorrentes possam ser menores do que os níveis de resistibilidade dos equipamentos.
São separados em tipos I, II e III, e a eficácia de cada um depende do seu posicionamento na estrutura de acordo com o conceito das zonas de proteção contra raios (ZPR). Os DPS’s tipo I são utilizados para realizar a equipotencialização dos condutores de energia e sinal que entram ou saem da estrutura, provendo um caminho direto para o sistema de aterramento sem que a corrente das descargas atmosféricas diretas entre na edificação (SANTOS, 2016).
Tais DPS’s são submetidos a ensaios na curva 10/350 𝜇𝑠, que simulam os efeitos de uma descarga atmosférica real. No caso dos DPS’s tipo II, serão instalados nos QGD e são adequados quanto a proteção dos efeitos de descargas indiretas, atuando como um complemento dos DPS classe I.
Já os DPS’s classe III são dispositivos com tempo de atuação mais rápido que os das demais classes, eliminando quaisquer surtos residuais provocados pelas correntes de descarga atmosférica, sendo instalados nas proximidades dos aparelhos eletroeletrônicos (FINDER, 2012).
∙ Varistores
Além dos DPS’s por centelhamento, utiliza-se varistores em conjunto para a proteção do sistema elétrico. São componentes que possuem uma elevada resistência entre seus terminais, que depende da tensão entre seus terminais. Sua resistência tende a zero quando atingido determinado valor de tensão entre os terminais, causando um curto circuito na rede elétrica e transformando o pico de tensão na rede em calor, protegendo a alimentação dos equipamentos (RINDAT, 2016).
∙ Interfaces Isolantes
Para a redução das interferências que podem ocorrer entre os equipamentos novos e já existentes na ocasião de um surto nas linhas, interfaces que minimizam tais efeitos podem ser: equipamentos com isolação classe 26, transformadores isolantes, cabos de fibra óptica ou optoaclopadores (TERMOTECNICA, 2018).
NORMA ABNT NBR 5419
A norma NBR 5419:2005 foi revisada por membros da Comissão de Estudos CE 64.10. Foi elaborado um novo projeto mais abrangente, baseado na segunda versão da norma IEC 62305 - Lightning Protection partes 1, 2, 3 e 4, para atualizar constituir a atual NBR 5419:2015. Neste tópico será apresentado algumas das principais mudanças entre as duas versões dos textos normativos (MOREIRA, 2014).