RESUMO
TARSO, Douglas Silva. Análise de viabilidade técnica na adequação de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas conforme ABNT NBR 5419/2015 na UTFPR – Ecoville. 2019. 90 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Elétrica – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2019.
Este trabalho é baseado nas normas técnicas brasileiras, a versão ABNT NBR 5419/2015, que é a vigente até o momento para que um sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) já existente possa ser readequado, tornando-se mais eficaz e seguro. Em diversas ocasiões, inspeções periódicas dos SPDAs que garantem a integridade e segurança das estruturas e das pessoas são esquecidas, colocando em risco as pessoas e os bens materiais contidos nos edifícios. O objetivo dessa abordagem é adquirir material teórico para verificar a necessidade e viabilidade das mudanças necessárias nos sistemas existentes da UTFPR Sede Ecoville, que foram projetados conforme versões anteriores das normas técnicas. Durante o desenvolvimento deste projeto constatou-se a real necessidade de readequação para o norma atual, pois existem diferenças importantes entre os projetos nas duas versão da NBR 5419.
Palavras-chave: Sistemas de proteção. Descarga atmosférica. SPDA. Risco. NBR 5419.
ABSTRACT
TARSO, Douglas Silva. Technical feasibility analysis on the adequacy of electrical discharge protection systems according to ABNT NBR 5419/2015 UTFPR – ECOVILLE. 2019. 90 f. Trabalho de Conclusão de Curso (Bacharelado em Engenharia Elétrica – Universidade Tecnológica Federal do Paraná. Curitiba, 2019.
This work is based on current Brazilian technical standards ABNT NBR 5419 so that an existing protection system against atmospheric discharges can be re-adjusted, becoming more efficient and safer. On some occasions, inspections for the integrity and security of the structures and persons are forgotten or ignored, exposing people and buildings in dangerous risks. The objective of this approach is to have theoretical material to verify the necessity and viability of the necessary changes in the existing systems of the UTFPR Ecoville Headquarters, which were designed according to previous versions of the technical norms. In the development of this project it was verified the real need for readjustment to the current standards since there are important differences between the projects in the two versions of the NBR 5419.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 – Exemplo de terminal aéreo 18
Figura 2 – Condutores de descida 19
Figura 3 – Terminais de aterramento 19
Figura 4 – Condutores de ligação equipotencial 20
Figura 5 – Área de projeção de proteção formada por um terminal aéreo 20 Figura 6 – Campo induzido entre nuvem e solo pelo carregamento da base da nuvem e o
processo de conexão dos canais ascendente e descendente 27
Figura 7 – Parâmetros de um impulso de corrente 29
Figura 8 – Onda eletromagnética irradiada pela corrente de retorno 30
Figura 9 – Sistema de aterramento integrado 32
Figura 10 – Exemplo de aplicação do método do ângulo de proteção 35 Figura 11 – Exemplo de aplicação do método da malha de proteção 36 Figura 12 – Exemplo de aplicação conforme o método da esfera rolante 37 Figura 13 – Conexões entre as partes da ABNT NBR 5419 42 Figura 14 – Ângulo de proteção correspondente à classe de SPDA 47 Figura 15 – A planta completa do SPDA existente no bloco B da UTFPR Sede Ecoville 52 Figura 16 – Simbologia da planta de instalação dos condutores do SPDA existente no bloco B
da UTFPR Sede Ecoville 53
Figura 17 – Detalhe de como devem ser fixados os condutores e outro elementos dos SPDA existente no bloco B da UTFPR Sede Ecoville 53 Figura 18 – Lado esquerdo da edificação com SPDA existente no bloco B da UTFPR Sede
Ecoville 54
Figura 19 – Lado direito da edificação com SPDA existente no bloco B da UTFPR Sede
Ecoville 55
Figura 20 – Legenda da planta do SPDA existente no bloco B da UTFPR Sede Ecoville e a
planta da Subestação 56
Figura 21 – Condutor de descida chegando ao ponto de aterramento 57 Figura 22 – Condutor de descida saindo do anel de equipotencialização do terraço 58
Figura 23 – Terminal aéreo instalado no anel de equipotencialização do terraço 59 Figura 24 – Condutor de descida saindo do anel de equipotencialização do terraço próximo a
entrada do bloco B 60
Figura 25 – Condutor do anel de equipotencialização do terraço no bloco B 61 Figura 26 – Captor principal do bloco J na Sede Centro Ecoville 62 Figura 27 – Densidade de descargas atmosféricas para a terra (Ng) 63
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 – Características das descargas atmosféricas 29 Quadro 2 – Valores mínimos dos parâmetros das descargas atmosféricas e respectivos raios da esfera rolante, correspondentes aos níveis de proteção (NP) 34 Quadro 3 – Fontes de danos, tipos de danos e tipos de perdas de acordo com o ponto de impacto
44
Quadro 4 – Comparativo da largura máxima da malha de proteção e raio da esfera rolante de
acordo com a classe do SPDA 47
Quadro 5 – Comparativo entre valores típicos de distância entre os condutores de descida
LISTA DE TABELAS
Tabela 1 – Fator de localização da estrutura em função das características da vizinhança 64
Tabela 2 – Fator de instalação de linha de energia 65
Tabela 3 – Fator do tipo de linha de energia 65
Tabela 4 – Fator ambiental da linha [CE] 66
Tabela 5 – Probabilidade a ser considerada em função do tipo de proteção 68 Tabela 6 – Cld e Cli em função da forma de fornecimento de energia na entrada da edificação
69
Tabela 7 – Valor de Peb por classe do DSP 70
LISTA DE SIGLAS
ABNT Associação Brasileira de Normas Técnicas BEP Barramento de equipotencialização principal DEPRO Departamento de Projetos e Obras
DP Dispositivo de proteção contra sobrecorrente DPS Dispositivo de proteção contra surtos
ELAT Grupo de Eletricidade Atmosférica
EMI Electromanetic Interference (Interferência Eletromagnética) INPE Instituto Nacional de Pesquisa Espacial
IPPUC Instituto de Pesquisa e Planejamento Urbano de Curitiba
LEMP Lighting Electromagnetic Impulso (Pulso eletromagnético gerado a partir de descarga atmosférica)
MP Medida de proteção
MPS Medida de proteção contra surto
NBR Norma Brasileira
NP Nível de proteção
SPDA Sistema de proteção contra descargas atmosféricas UTFPR Universidade Tecnológica Federal do Paraná
SUMÁRIO 1. INTRODUÇÃO 17 1.1. TEMA 17 1.2. DELIMITAÇÃO DO TEMA 21 1.3. OBJETIVOS 22 1.3.1. Objetivo Principal 22 1.3.2. Objetivos Específicos 22 1.4. JUSTIFICATIVA 23 1.5. PROCEDIMENTOS METOLÓGICOS 23 1.6. ESTRUTURA DO TRABALHO 23 2. DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 25 2.1. HISTÓRICO 25
2.2. FORMAÇÃO DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 26
2.3. RISCOS 28
2.3.1. Descargas Diretas 29
2.3.2. Descargas Indiretas 30
2.3.3. Tensões Induzidas 30
2.3.4. Interferência Eletromagnética 31
2.4. DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EM TORRES E ANTENAS 31
2.5. PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS 33
2.5.1. Medidas de Proteção 33
2.5.1.1. Níveis de proteção 34
2.5.1.2. Métodos de proteção 35
2.5.1.3. Proteção dos sistemas elétricos e eletrônicos 38
3. NORMA ABNT NBR 5419 41
3.1. DEFINIÇÃO DAS NOVAS PARTES 41
3.2. PRINCIPAIS MUDANÇAS ENTRE AS VERSÕES DAS NORMAS
ABNT NBR 5419:2005 E ABNT NBR 5419:2015 42
3.2.1. Parte 1 42
3.2.2. Parte 2 42
3.2.3. Parte 3 46
3.2.4. Parte 4 48
4. COMPARAÇÃO DO PROJETO DE SPDA EXISTENTE NO BLOCO B DA SEDE ECOVILLE BASEADO NA ANTIGA VERSÃO DA NBR 5419-2005, COM UM NOVO PROJETO PROPOSTO BASEADO NA
VERSÃO ATUAL DA NBR 5419-2015 51
4.1. PROJETO EXISTENTE BASEADO NA NORMA NBR 5419-2005 51
4.2. NOVO PROJETO BASEADO NA NORMA NBR 5419-2015 63
4.2.1. Densidade e Descargas Atmosféricas Para a Terra [Ng] 63
4.2.2. Geometria da Estrutura [m] 64
4.2.3. Área de Exposição Equivalente[m²] 64
4.2.4. Fatores de Ponderação 64
4.2.4.1. Comprimento da linha de energia [m] 65
4.2.4.2. Fator de instalação da linha de energia [Ci] 65
4.2.4.3. Fator do tipo da linha de energia [Ct] 65
4.2.4.4. Fator ambiental da linha de energia [Ce] 66
4.2.4.5. Comprimento da linha de sinal [m] 66
4.2.4.6. Fator de instalação da linha de sinal [Cit] 66
4.2.4.7. Fator do tipo de linha de sinal [Ctt] 66
4.2.4.8. Fator ambiental da linha de sinal [Cet] 66
4.2.4.9. Número de e ventos perigosos para a estrutura por ano [Nd] 67 4.2.4.10. Número médio anual de eventos perigosos devido a descargas atmosféricas
perto da estrutura por ano [Nm] 67
4.2.4.11. Número médio anual de eventos perigosos devido a descargas atmosféricas
na linha de energia por ano [NI] 67
4.2.4.12. Número médio anual de eventos perigosos devido a descargas atmosféricas
perto da linha de energia por ano [Ni] 67
4.2.4.13. Número médio anual de eventos perigosos devido a descargas atmosféricas
na linha de sinal por ano [Nlt] 67
4.2.4.14. Número médio anual de eventos perigosos devido a descargas atmosféricas
perto da linha de sinal por ano [Nit] 67
4.2.4.15. Proteção da estrutura [Pb] 68
4.2.4.17. Tipo de linha externa de sinal [Cldt e Clit] 69 4.2.4.18. Estimativa de Ks1 69 4.2.4.19. Definição de Uw energia[kV] 69 4.2.4.20. Definição de Uw sinal [kV] 70 4.2.4.21. Cálculo de Ks4 70 4.2.4.22. Cálculo de Ks4t sinal 70 4.2.4.23. Nível de proteção [NP] 70
4.2.4.24. Roteamento, blindagem e interligação de energia [Pld] 71
4.2.4.25. Ks1 71
4.2.4.26. Cálculo da probabilidade de descarga na linha de energia causar danos
materiais [Pv] 72
4.2.4.27. Probabilidade de descarga na linha de sinal causar danos materiais [Pvt] 72
4.2.5. Zonas da Edificação 72
4.2.5.1. Zona: Z1(área externa da edificação) 72
4.2.5.1.1. Número de pessoas na Zona [nz] 72
4.2.5.1.2. Número de pessoas dentro da estrutura [nt] 72 4.2.5.1.3. Tempo de presença das pessoas em locais perigosos fora da estrutura
[h/ano][te] 72
4.2.5.1.4. Tempo de presença das pessoas na Zona [h/ano][tz] 73 4.2.5.1.5. Risco de perda de vida humana incluindo ferimento permanente [L1] 73 4.2.5.1.6. Perda inaceitável de serviço ao público [L2] 73 4.2.5.1.7. Perda inaceitável de patrimônio cultural [L3] 73
4.2.5.1.8. Perda econômica [L4] 73
4.2.5.1.9. Risco de explosão/ Hospitais [L4] 73
4.2.5.1.10. Medidas de proteção para descargas na linha [Ptu] 73
4.2.5.1.11. Ks2 73
4.2.5.1.12. Nível de proteção NP de energia [Pspd] 74
4.2.5.1.13. Fiação interna de energia [Ks3] 74
4.2.5.1.14. Nível de proteção NP de sinal [Pspdt] 74
4.2.5.1.16. Probabilidade de descarga na estrutura causar danos aos sistemas internos
[Pc] 74
4.2.5.1.17. Probabilidade de descarga na estrutura causar danos em sistemas internos
pelo sinal [Pct] 74
4.2.5.1.18. Cálculo de Pms 74
4.2.5.1.19. Cáculo de Pmst 75
4.2.5.1.20. Probabilidade de descarga perto da estrutura causar danos em sistemas
internos [Pm] 75
4.2.5.1.21. Probabilidade de descarga perto da estrutura causar danos em sistemas
interno de sinal [Pmt] 75
4.2.5.1.22. Probabilidade de descarga na linha causar ferimentos e seres vivos por
choque [Pu] 75
4.2.5.1.23. Probabilidade de descarga na linha causar ferimentos e seres vivos por
choque SINAL [Put] 75
4.2.5.1.24. Probabilidade de descarga da linha causar falhas em sistemas internos [Pw] 75 4.2.5.1.25. Probabilidade de descarga na lima causar fala de sistemas internos de sinais
[Pwt] 76
4.2.5.1.26. Cálculo de Pli 76
4.2.5.1.27. Cálculo de Plit 76
4.2.5.1.28. Probabilidade de descarga perto da linha causar fala de sistemas internos
[Pz] 76
4.2.5.1.29. Probabilidade de descarga erro da linha causar falha de sistemas internos de
sinais [Pzt] 76
4.2.5.1.30. Medidas de proteção para descargas na estrutura (tabela B.1 da NBR 5419-
2:2015) [Pta] 76
4.2.5.1.31. Fator de redução pelo tipo de superfície do solo ou piso (tabela C.3 da NBR
5419-2:2015) [rt] 77
4.2.5.1.32. Providências para reduzir consequências de incêndio (tabela C.4 da NBR
5419-2:2015) [rp] 77
da NBR 5419-2:2015) [rf] 77 4.2.5.1.34. Fator [hz] para perigo especial (tabela C.6 da NBR 5419-2:2015) 77 4.2.5.1.35. Probabilidade de descarga na estrutura causar ferimentos em seres vivos
devido a choque elétrico [Pa] 77
4.2.5.1.36. Perda de vida humana incluindo ferimento permanente [L1] 78
4.2.5.1.36.1. Cálculo de Lt 78
4.2.5.1.36.2. Danos físicos D2 (tabela C.2 da NBR 541-2:2015) [Lf] 78 4.2.5.1.36.3. Falhas de sistemas internos D3 (tabela C.2 da NBR 541-2:2015) [Lo] 78
4.2.5.1.36.4. Cálculo de La 78 4.2.5.1.36.5. Cálculo de Lu 78 4.2.5.1.36.6. Cálculo de Lb 78 4.2.5.1.36.7. Cálculo de Lv 79 4.2.5.1.36.8. Cálculo de Lc 79 4.2.5.1.36.9. Cálculo de Lm, Lw e Lz 79
4.2.5.1.37. Perda inaceitável de serviço público [L2] 79 4.2.5.1.37.1. Danos Físicos, tipo D2 [Lf] (Conforme tabela C.8 da NBR 5419-2:2015)
79 4.2.5.1.37.2. Falhas de sistemas internos, tipo D3 [Lo] (Conforme tabela C.8 da NBR
5419-2:2015) 79 4.2.5.1.37.3. Cálculo de Lb 79 4.2.5.1.37.4. Cálculo de Lv 80 4.2.5.1.37.5. Cálculo de Lc 80 4.2.5.1.37.6. Cálculo de Lm, Lw e Lz 80 4.2.5.1.38. Perda econômica [L4] 80
4.2.5.1.38.1. Danos Físicos, tipo D2 [Lf] (Conforme tabela C.12 da NBR 5419-2:2015) 80 4.2.5.1.38.2. Falhas de sistemas internos, tipo D3 [Lo] (Conforme tabela C.12 da NBR
5419-2:2015) 80
4.2.5.1.38.3. Danos Físicos fora da estrutura, tipo D2 [Lfe] (Conforme tabela C.12 da
4.2.5.1.38.4. Valor dos animais da Zona 1 [ca] 81
4.2.5.1.38.5. Valor da edificação na Zona 1 [cb] 81
4.2.5.1.38.6. Valor do conteúdo da na Zona 1 [cc] 81
4.2.5.1.38.7. Valor dos sistemas internos e atividades realizadas na Zona 1 [cs] 81
4.2.5.1.38.8. Valor do conteúdo da na Zona 1 [ct] 81
4.2.5.1.38.9. Total de valores do fora da estrutura [ce] 81
4.2.5.1.38.10. Cálculo de La 81 4.2.5.1.38.11. Cálculo de Lu 82 4.2.5.1.38.12. Cálculo de Lb 82 4.2.5.1.38.13. Cálculo de Lv 82 4.2.5.1.38.14. Cálculo de Lc 82 4.2.5.1.38.15. Cálculo de Lm, Lw e Lz 82 4.2.5.1.38.16. Cálculo de Le 82 4.2.5.1.38.17. Cálculo de Lft 82 4.2.5.1.39. Risco da Zona 1 83 4.2.5.1.39.1. Cálculo de Ra 83 4.2.5.1.39.2. Cálculo de Rb 83 4.2.5.1.39.3. Cálculo de Rc 83 4.2.5.1.39.4. Cálculo de Rm 83 4.2.5.1.39.5. Cálculo de Ru 83 4.2.5.1.39.6. Cálculo de Rut 84 4.2.5.1.39.7. Cálculo de Rv 84 4.2.5.1.39.8. Cálculo de Rvt 84 4.2.5.1.39.9. Cálculo de Rw 84 4.2.5.1.39.10. Cálculo de Rwt 84 4.2.5.1.39.11. Cálculo de Rz 84 4.2.5.1.39.12. Cálculo de Rzt 85 4.2.5.1.39.13. Cálculo de R1z 85 4.2.5.1.39.14. Cálculo de R2z 85 4.2.5.1.39.15. Cálculo de R4z 85
4.2.6. Risco total 85
4.2.6.1. Cálculo de R1, R2 e R4 85
4.2.7. Nível de proteção a ser adotado 86
4.2.8. Método utilizado 86
4.2.8.1. Gaiola de Faraday 86
4.2.9. Cálculo da quantidade de descidas [N] 86
5. CONSIDERAÇÕES FINAIS 87
INTRODUÇÃO
1.1. TEMA
De acordo com estudos provenientes do Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), o Brasil é um dos países com maior incidência de raios do mundo, com média anual de 57 milhões de descargas atmosféricas observadas ao ano. Esta incidência tão elevada de número de eventos pode ser justificada devido ao tamanho do território brasileiro e sua formação geológica (INPE, 2016).
Devido ao grande poder destrutivo de uma descarga elétrica, do desconhecimento da intensidade da descarga, do momento e do lugar em que um raio pode aparecer, foi necessário definir meios de proteção para minimizar os possíveis danos causados por este fenômeno da natureza (TERMOTÉCNICA, 2015).
No Brasil existe a Norma Brasileira (NBR) 5419 da Associação Brasileira das Normas Técnica (ABNT) que é atualizada de tempos em tempos. Esta norma contém detalhes que devem ser considerados para o projeto e para a construção de um Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas (SPDA).
Este trabalho analisará um SPDA já existente nas instalações da Universidade Tecnológica Federal do Paraná (UTFPR) Sede Ecoville, que foi executado em 2009 durante a vigência da versão da NBR 5419:2005 e propõe as ações necessárias para adequá-lo à versão mais recente em vigência, a ABNT 5419:2015, bem como verifica se as edificações, as pessoas e os equipamentos continuam protegidos, segundo as atualizações desta norma (ABNT, 2015). Um SPDA tem como objetivo principal manter a integridade estrutural da edificação em que está instalado, dos seus ocupantes, dos equipamentos elétricos e mecânicos, evitando-se os efeitos térmicos causados pelas descargas elétricas atmosféricas. O sistema atua de tal forma que a descarga atmosférica possa entrar ou sair do solo sem danificar partes condutoras da edificação, eletrocutar pessoas, ou destruir equipamentos, diminuindo o risco de fatalidades e prejuízos financeiros (SOUZA, 2014).
Um sistema de proteção contra descargas atmosféricas não impede que o raio atinja a estrutura: ele promove um caminho com impedância menor para controlar sua trajetória. Desta forma, a corrente elétrica causada pela descarga atmosférica pode fluir para o solo através da malha de condução até o aterramento sem causar danos às pessoas e aos equipamentos. O primeiro conceito de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas foi
apresentado por Benjamin Franklin no século XVIII e ainda é muito utilizado (MAMEDE FILHO, 2013).
Os principais componentes de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas, são:
– terminais aéreos; – condutores de descida; – terminais de aterramento;
– condutores de ligação equipotencial.
Os terminais aéreos, mostrado na figura 1, popularmente conhecidos como para-raios, são hastes condutoras rígidas montadas em uma base com o objetivo de atrair a descarga atmosférica, aproximando um nível de menor impedância para mais próximo da descarga atmosférica. Estas hastes devem ser instaladas nos pontos mais altos da estrutura, interligadas através dos condutores horizontais (ABNT, 2015).
Figura 1 – Exemplo de terminal aéreo
Fonte: (PARATEC, 2019)
Os condutores de descida, conforme figura 2, são cabos que conectam os terminais aéreos aos terminais de aterramento (ABNT, 2015).
Figura 2 – Condutores de descida
Fonte: (EIP Engenharia e Construção, 2019)
Os terminais de aterramento, conforme figura 3, são condutores que servem para conectar os condutores de descida às hastes de aterramento enterradas no ao solo. Eles são tipicamente condutores de cobre, ou revestidos com cobre enterrados no solo. O nível de aterramento depende bastante das características do solo (ABNT, 2015).
Figura 3 – Terminais de aterramento
Os condutores de ligação equipotencial, conforme figura 4, são condutores que visam igualar o potencial entre os diferentes condutores para impedir descargas elétricas atmosféricas laterais (ABNT, 2015).
Figura 4 – Condutores de ligação equipotencial
Fonte: (ABC Para-raios, 2019)
A zona de proteção de um SPDA, demonstrado na figura 5, é formada pela área de projeção de um terminal aéreo, que delimita a região que será substancialmente protegida à incidência direta de descargas atmosféricas (TERMOTÉCNICA, 2015).
Figura 5 – Área de projeção de proteção formada por um terminal aéreo
A aplicação desta teoria, denominada teoria do cone de proteção, tem muitas exceções e deve ser considerada somente como uma primeira aproximação. Em particular, tem-se mostrado que o raio de projeção do cone de proteção no solo, depende do nível de proteção esperado, bem como da altura da estrutura (TERMOTÉCNICA, 2015).
Para edifícios com alturas superiores a 20m, aconselha-se aplicar a teoria das esferas rolantes. Esta teoria é baseada no conceito de distância de atração, que é a distância entre a ponta do líder escalonado e o ponto de queda da descarga atmosférica no solo. A zona de proteção calculada por esta teoria é em geral, menor que aquela obtida pela teoria do cone de proteção (TERMOTÉCNICA, 2015).
Para edifícios com alturas superiores a 60m, utiliza-se condutores horizontais conectando os terminais aéreos de tal forma, que se forma uma gaiola, como é recomendado desde a NBR-5419:2005. As atividades de descargas atmosféricas próximos a um local, incluindo descargas internas das nuvens e também de uma nuvem para outra, podem causar surtos de tensão que são conhecidos como sobretensões ou transientes. Estes surtos de tensão podem afetar linhas de transmissão de energia elétrica, redes de telecomunicações, e equipamentos em geral (MAMEDE FILHO, 2013).
Um sistema de proteção contra descargas atmosféricas pode também incluir componentes para prevenir danos causados por efeitos indiretos dos relâmpagos, como os supressores de surtos. Os supressores de surtos podem ser adicionados a um sistema de proteção contra descargas atmosféricas para proteger os equipamentos eletrônicos contra sobre tensões (SOUZA, 2016).
Os surtos de tensão são variações momentâneas na tensão normal de um sistema, causados pelos efeitos eletromagnéticos associados aos relâmpagos (MAMEDE FILHO, 2013).
Existem diversos tipos de supressores, entre eles centelhadores a ar, centelhadores a gás, varistores e diodos zener. Em várias aplicações é necessário o uso combinado de mais de um tipo de supressor, formando um circuito de proteção (MAMEDE FILHO, 2013).
1.2. DELIMITAÇÃO DO TEMA
A atualização da ABNT NBR 5419 trouxe novas exigências e novos conceitos em relação a versão anterior, tornando-se mais exigente e complexa.
Na versão ABNT NBR 5419:2005 existem 42 páginas discursando como projetar e executar projetos de SPDAs; na nova versão existem 309 páginas divididas em quatro partes, a divisão das partes ficou da seguinte forma:
parte 1 – princípios gerais; parte 2 – gerenciamento de risco;
parte 3 – danos físicos às estruturas e perigo à vida; parte 4 – proteção de sistemas elétricos e eletrônicos.
Este estudo apresentará detalhadamente a situação atual dos SPDAs da UTFPR Ecoville, onde é verificado a conformidade dos SPDAs existentes com a norma vigente.
Edificações com SPDAs construídos antes de junho de 2015 devem adaptar a instalação existente somente quando ocorre alguma reforma na edificação, ou quando é necessário efetuar manutenção no SPDA (ABNT, 2015).
Devido a reformas que ocorreram na UTFPR Ecoville após junho de 2015, como a transferência de laboratórios dos cursos de Engenharia Mecânica, Engenharia Civil, entre outros, este estudo torna-se fundamental para verificar a necessidade de readequações no SPDA existente, para garantir a segurança das pessoas e das edificações, assim como dos equipamentos da universidade.
1.3. OBJETIVOS
1.3.1. Objetivo Principal
Verificar se os SPDAs existentes na UTFPR Ecoville baseados na norma NBR 5419:2005 estão em conformidade com a NBR 5419:2015.
1.3.2. Objetivos Específicos
Os objetivos específicos que compõem este trabalho são: ∙ realizar o levantamento bibliográfico de literaturas da norma vigente; ∙ estudar os projetos dos SPDAs existentes na UTFPR Ecoville;
∙ identificar possíveis problemas do SPDA verificado;
∙ elaborar estudos de readequações dos SPDAs da UTFPR Ecoville para instalações inadequadas e sugerir soluções para edificações com ausência de SPDA;
∙ identificar a viabilidade das readequações baseando-se nos aspectos técnicos de segurança apontados pela NBR 5419:2015.
1.4. JUSTIFICATIVA
Os SPDAs são fundamentais para a proteção das pessoas, equipamentos e estruturas contra danos físicos causados por descargas atmosféricas. Uma descarga atmosférica pode causar incêndios, explosões, danificar e derreter partes metálicas das estruturas, sobrecarregar equipamentos eletrônicos e até mesmo matar pessoas.
Não há exigências de que estruturas construídas antes da atualização da norma atendam aos novos critérios estabelecidos, entretanto, é válido readequar os SPDAs antigos sempre que possível, pois a atual edição da ABNT NBR 5419 conta com um estudo mais abrangente, envolvendo critérios mais rigorosos e parâmetros mais seguros.
1.5. PROCEDIMENTOS METODOLÓGICOS
Para alcançar os objetivos propostos, foi necessário estudar as duas últimas versões da norma ABNT NBR 5419, estudar e analisar o projeto existente executado em 2009. Verificar se os resultados encontrados em cada edifício da sede Ecoville satisfazem a norma atual. Caso contrário, por meio deste trabalho ficará sugerido as alterações necessárias para readequar-se as novas normas vigente.
1.6. ESTRUTURA DO TRABALHO
No primeiro capítulo é apresentado o tema, a delimitação do tema, o escopo do problema, os objetivos gerais e específicos, a justificativa e os procedimentos metodológicos para realizar este trabalho.
No segundo capítulo traz apresentado os fundamentos teóricos sobre descargas atmosféricas, explicando a formação e os tipos de descargas elétricas atmosféricas, os riscos, e
as consequências da tensão induzida pelo campo eletromagnético das descargas atmosféricas após a sua ocorrência. Também é abordado os tipos de SPDAs e surto de tensões, os componentes que os constituem, os métodos de proteção existentes, níveis de proteção e as especificações dos subsistemas.
No terceiro capítulo é apresentado a norma ABNT NBR 5419:2015, explicando a aplicação e a definição de cada uma das quatro partes em que a norma está dividida, destacando as principais mudanças referente à versão anterior e os benefícios desta mudança.
No quarto capítulo é apresentado o projeto existente baseado na norma antiga, em seguida, será demonstrando a aplicação da NBR 5419:2015 passo a passo, para verificar se existe a necessidade de readequação do projeto de acordo com a norma vigente.
No quinto e último capítulo são apresentadas as conclusões deste trabalho e as recomendações para trabalhos futuros e as diferenças encontradas entre o projeto existente e o novo baseado na versão vigente da norma.
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
As descargas atmosféricas são um tipo de fenômeno natural de alta complexidade que intriga os pesquisadores no que se refere à compreensão dos aspectos físicos e seus efeitos. A preocupação com os efeitos destrutivos desses fenômenos nos leva à tarefa de buscar formas de nos proteger contra eles (PRAZERES, 2007).
2.1. HISTÓRICO
As descargas atmosféricas sempre foram admiradas e temidas pela humanidade. Alguns povos atribuíam este fenômeno aos deuses nórdicos ou gregos que os lançavam sobre a terra como sinal de reprovação ou sinalização de que haveria tempos prósperos para a lavoura. Outros povos associavam que os raios eram produzidos pelas batidas de um poderoso martelo, cujo efeito estrondoso originava os raios e trovões. Algumas tribos sustentavam a crença de que um "pássaro trovão" mergulhava das nuvens para a terra, provocando tal efeito (INPE, 2016).
As primeiras pesquisas científicas com o objetivo de obter informações sobre as características elétricas das descargas atmosféricas surgiram por volta do século XVII. Experiências realizadas nos EUA e na Europa foram elaboradas demonstrando o caráter elétrico dos raios e sua possibilidade de ser captado (BENITEZ, 2006).
O norte americano Benjamin Franklin (1706-1790), cientista e inventor, adquiriu reputação internacional devido as suas descobertas sobre a eletricidade através do famoso e perigoso experimento empinando pipas durante tempestades, demonstrando que os raios são fenômenos de natureza elétrica, onde os raios eram desviados para o potencial de terra através de um fio aterrado junto à linha da pipa. Desse modo, pôde-se provar que os raios eram apenas grandes descargas elétricas que ocorriam de forma natural (MAMEDE FILHO, 2013)..
A partir desse mesmo experimento, Franklin propôs que se a descarga fosse transportada através de hastes metálicas até o solo poderiam impedir que os raios atingissem qualquer estrutura. Sugeriu que fosse colocado, acima das casas, uma ponta metálica com hastes em contato com a terra, propiciando a condução da corrente elétrica, sem que o raio causasse danos às estruturas. Com isso, surgia o primeiro conceito de para-raios e este é um dos métodos de proteção contra descargas atmosféricas utilizado até nos dias atuais, conhecido como método Franklin (MAMEDE FILHO, 2013).
Nos últimos anos de sua vida, Benjamin Frankilin dedicava a maior parte de seu tempo ao serviço público, mas continuou realizando experimentos ocasionais seguindo o trabalho de outros cientistas. Franklin também participou de conselhos para revisão de métodos de proteção contra raios e fez recomendações para a proteção de catedrais e de instalações para a fabricação e armazenamento de pólvora (MAMEDE FILHO, 2013).
2.2. FORMAÇÃO DAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Os raios se formam em nuvens denominadas Cumulunimbus, capazes de atingir uma extensão de 9 a 12km. A carga elétrica que se acumulam nestas nuvens surgem pelo processo do encontro entre correntes ascendentes de ar quente e úmido por partículas super-resfriadas de sentido descendente. Esta colisão entre as correntes e o atrito entre gotículas de chuva favorecem a produção de grandes cargas de eletricidade nas nuvens, formando gradientes de tensão que variam de 50 a 5200 V/cm (LIMA, 2009).
As descargas atmosféricas intra-nuvens são as mais frequentes pelo fato da capacidade isolante do ar diminuir com a altitude, devido a variação da densidade do ar e devido às regiões de cargas opostas nas nuvens mais próximas. As descargas mais importantes para este trabalho são as descargas do tipo nuvem-solo, que são as descargas que podem danificar estruturas e até mesmo matar pessoas e animais. Afim de diminuir estes riscos que utilizamos os SPDAs (INPE/ELAT, 2016).
Nas descargas entre as nuvens e o solo existe a presença de um campo elétrico produzido pelas cargas da base da nuvem (concentração de cargas negativas) e o solo (concentração de cargas positivas), ocorrendo o rompimento da rigidez dielétrica do ar o que facilita a geração de uma descarga elétrica entre a nuvem e o solo (RINDAT, 2016).
O rompimento da rigidez dielétrica do ar é apenas o primeiro passo para que ocorra a descarga atmosférica, sendo necessário a ocorrência de outros eventos para que a descarga atmosférica seja concluída (SILVA, 2014).
Pequenas descargas ocorrem na região das cargas negativas no interior da nuvem e se deslocam em direção ao centro das cargas positivas por um período de cerca de 10ms, denominado período de quebra de rigidez preliminar (RINDAT, 2016).
Com isso, inicia-se, para baixo na região externa da nuvem, o processo de formação de um canal de plasma ionizado, também conhecido como canal precursor de descarga (líder
descendente). O líder descendente realiza o percurso em várias etapas, dividindo o caminho em vários trechos de 30 a 100 metros, sempre buscando o percurso mais fácil e com menor rigidez dielétrica, para que o canal seja estabelecido entre a nuvem e o ponto de impacto. Junto a isso, um processo similar ocorre a partir do solo, onde a concentração de cargas positivas sofre indução e formam um canal ascendente, que parte em direção à nuvem ao encontro do líder descendente, conforme indicado na figura 6.
Figura 6 – Campo induzido entre nuvem e solo pelo carregamento da base da nuvem e o processo de conexão dos canais ascendente e descendente
Fonte: (INPE/ELAT, 2018)
No momento em que os canais estão a uma distância crítica mínima de separação um do outro, ocorre uma descarga final responsável pela interligação dos canais. O estabelecimento do canal gera uma intensa corrente elétrica, chamada de corrente de retorno, propagando-se pelo canal e neutralizando as cargas acumuladas (SILVEIRA, 2006). Como resultado do fluxo de corrente que circula pelo canal ionizado, ocorre aquecimento do ar em volta do canal, podendo alcançar temperaturas superiores a 3.000 graus Celsius. Tal aquecimento provoca um efeito luminoso intenso que é conhecido como relâmpago, e também provoca a expansão rápida do ar, cujo deslocamento provoca um forte som conhecido como trovão (VISACRO, 2005).
2.3. RISCOS
Aproximadamente ocorrem de 50 a 100 descargas atmosféricas no planeta Terra a cada segundo, isso equivale a cerca de 10 milhões de descargas por dia ou 3,65 bilhões de ocorrências por ano. Estas descargas podem causar prejuízos e mortes (LIMA, 2009). No território brasileiro, ocorre cerca 50 milhões de descargas atmosféricas anualmente. De acordo com Silva (2014), entre os anos 2000 e 2012, foram registradas 1.601 mortes causadas por descargas atmosféricas. Durante o curto período de tempo de formação de uma descarga atmosférica, podem ser destacados três partes, conforme figura 7 (LIMA, 2009):
tempo de subida ou de frente: tempo para que o raio atinja o valor máximo;
tempo de meia onda ou de meio valor: tempo necessário para que o raio atinja 50% do valor de pico;
cauda da onda: tempo a partir do tempo de subida, seguido por um período mais longo e suave, no qual a corrente decai até desaparecer.
Uma descarga atmosférica pode atingir valores expressivos de tensão entre a nuvem e o solo ou outro ponto qualquer atingido, conforme quadro 1, proporcionando o fluxo de corrente impulsiva de alta intensidade e curta duração. Esta tensão dependerá principalmente da intensidade de corrente do raio e da impedância existente entre o percurso da descarga (LIMA, 2009).
Devido a variação da intensidade de corrente elétrica ocorrer de uma forma muito rápida, conforme figura 7, este fenômeno torna-se um importante causador de distúrbios eletromagnéticos com capacidade de gerar danos e interferências em sistemas elétricos e eletrônicos, bem como induzir altas tensões em partes metálicas com grande risco de acidente envolvendo a estrutura e os ocupantes. As descargas atmosféricas podem ser dissipadas conforme dois tipos distintos de efeitos: descargas diretas e descargas indiretas (INPE/ELAT, 2018).
Figura 7 – Parâmetros de um impulso de corrente
Fonte: ABNT NBR 5419-1:2015
No quadro 1 são apresentados alguns parâmetros das descargas atmosféricas.
Quadro 1 – Características das descargas atmosféricas
Fonte: (KINDERMANN, 2002).
2.3.1. Descargas Diretas
As descargas diretas acontecem quando o canal principal ou um dos ramos que forma os raios, incidem diretamente sobre determinado objeto. Estas descargas são as responsáveis pelos efeitos destrutivos mais severos. A incidência direta de descarga atmosféricas sobre seres vivos, prédios, estruturas e sistemas elétricos podem gerar destruição através de incêndios,
explosões, fundição de materiais metálicos, danos a circuitos elétricos e eletrônicos de sistemas de telecomunicações, etc, causando possivelmente até a morte (VISACRO, 2005)
2.3.2. Descargas Indiretas
As descargas indiretas causam efeitos sobre as estruturas ou seres vivos distantes do ponto de queda do raio. Quando o canal líder descendente se encontra com o canal líder ascendente o circuito é fechado, ocasionando uma descarga de grande intensidade que faz com que o canal ionizante alcance altas temperaturas; fortes campos eletromagnéticos são induzidos em torno deste canal principal, conforme figura 8, e espalhados de forma radial pelo local até que a tensão induzida chegue a zero. No solo, o espalhamento radial ocorre a partir do ponto de impacto, onde linhas de corrente se propagam, e então surgem os riscos inerentes às tensões de toque, tensão de passo e tensões induzidas em condutores próximos e interferência eletromagnéticas, também conhecida em inglês como Eletromagnetic Interference ou apenas EMI (VISACRO, 2005).
Figura 8 – Onda eletromagnética irradiada pela corrente de retorno
Fonte: (VISACRO, 2005)
2.3.3. Tensões Induzidas
As correntes induzidas são correntes de retorno fluindo pelo canal ionizado, constituído entre nuvem e solo, que promovem tensões induzidas em corpos próximos ao ponto de incidência. Estas tensões induzidas são as principais causadoras de danos nas linhas de
distribuição de energia e em circuitos de baixa tensão em geral, incluindo as redes de telecomunicações.
Ainda, são as principais fontes de interferência eletromagnética em sistemas e equipamentos, que em muitos casos, resultam na perda de dados transmitidos em sistemas de comunicação através de sistemas elétricos (BURATTO, 2011).
2.3.4. Interferência Eletromagnética
Além dos efeitos gerados pelos campos eletromagnéticos causarem danos aos seres vivos por meio das tensões induzidas, suas influências são ainda maiores em equipamentos eletrônicos e sistemas de comunicações (LIMA, 2009).
2.4. DESCARGAS ATMOSFÉRICAS EM TORRES E ANTENAS
Para reduzir as perdas e a baixa eficiência de transmissão de dados, é necessário manter a torre da antena o mais próximo possível do edifício que abriga os equipamentos de comunicação. No entanto, esta prática é contrária à concepção de um sistema de proteção contra os efeitos de uma descarga atmosférica. A distância mínima considerada entre os equipamentos de telecomunicações no interior do edifício que os abriga e a antena na torre, conforme figura 9, para que os efeitos da descarga atmosférica não danifiquem os equipamentos, é de 9m (IEEE, 2011). Na impossibilidade de implantação desta distância mínima, deverá ser instalado no interior e no exterior da estrutura uma malha de condutores formando uma gaiola de Faraday (LIMA, 2009).
Figura 9 – Sistema de aterramento integrado
Fonte: (LOCK, 2011)
Os sistemas de aterramento da torre e da estrutura devem estar conectados à mesma malha de aterramento, a distância adotada entre as duas massas protegidas irá reduzir significativamente o aumento de potencial de terra, impossibilitando a interferências entre os equipamentos internos com a estrutura. Uma proteção contra descargas atmosféricas efetivamente projetada para torres e telecomunicações devem atender de forma integrada ao maior número dos seguintes fatores (LOCK, 2011):
∙ proteção contra descargas diretas;
∙ rede de aterramento capaz de dispersar a corrente do raio; ∙ integrar a rede de energia ao sistema de proteção;
∙ sistema de equipotencialização eficaz; ∙ reduzir aumentos de potencial;
∙ previnir sobretensões em equipamentos no interior da cabine;
∙ mitigação de efeitos provocados impulsos eletromagnéticos (LEMP).
Nos condutores dos equipamentos podem ocorrer correntes induzidas pelo campo magnético gerado pela malha de proteção da estrutura, para prevenir possíveis danos, é necessário que estes equipamentos sejam aterrados de forma adequado e protegidos por sistemas coordenados através de dispositivos de proteção contra surtos, os DSPs. (COORAY, 2010).
2.5. PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
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).
3.1. DEFINIÇÃO DAS NOVAS PARTES
A norma ABNT NBR 5419:2015 segue a mesma estrutura organizacional da IEC 62305/2010, composta por quatro documentos normativos e seus anexos, conforme sendo:
parte 1 - Princípios Gerais;
parte 2 - Gerenciamento de Risco;
parte 3 - Danos Físicos às Estruturas e Perigo à Vida; parte 4 - Proteção de Sistemas Elétricos e Eletrônicos.
A figura 13 mostra a conexão entre as partes que compõem a nova norma. As medidas de proteção contra descargas atmosféricas integram a proteção contra descargas atmosféricas, colocando em segurança os ocupantes, os equipamentos presentes no interior da estrutura e a própria estrutura. A principal mudança, é a quantidade de páginas que regem a atual norma, passando de quarenta e duas páginas da ABNT, 2005 para trezentos e cinquenta e três. A maior parte do texto da nova norma sobre proteção contra descargas atmosféricas foi fiel ao texto da IEC 62305/2010, especialmente as partes 1 e 4 (MOREIRA, 2014).
Figura 13 – Conexões entre as partes da ABNT NBR 5419
Fonte: NBR 5419-1:2015
3.2. PRINCIPAIS MUDANÇAS ENTRE AS VERSÕES ABNT NBR 5419:2005 E A ABNT NBR 5419:2015
3.2.1. Parte 1
A Parte 1 do texto do documento trata exclusivamente sobre o fenômeno da descarga atmosférica, definindo parâmetros das correntes das descargas que são utilizados como a base das regras de medidas de proteção e dimensionamento de componentes, sendo uma das partes com a tradução mais próxima da IEC 62305-1. Tais parâmetros são considerados para detalhamento das medidas de proteção (MPS (ABNT, 2015d)). Tais considerações e parâmetros não eram tratados de forma explicita e foram abordados na norma ABNT NBR 5419:2005, no Anexo C (normativo), apresentando parâmetros do valor de crista da corrente da descarga, utilizado para o cálculo do raio da esfera rolante (Modelo Eletrogeométrico) e determinação do nível de proteção (ABNT, 2015).
3.2.2. Parte 2
A segunda parte traz mudanças na área de proteção de estruturas contra as descargas atmosféricas. É apresentada de forma detalhada a definição de diversos parâmetros da estrutura,
dos danos às estruturas decorrentes das descargas atmosféricas, sendo consideradas quatro fontes de danos distintas pelo ponto de impacto da descarga, sendo definidas como:
𝑆1 - descarga na estrutura; 𝑆2 - descarga perto da estrutura; 𝑆3 - descarga na linha;
𝑆4 - descarga perto da linha.
Define-se também tipos de danos (𝐷𝑋) como consequência das descargas atmosféricas, sendo:
𝐷1 - ferimentos a seres vivos; 𝐷2 - danos físicos;
𝐷3 - falhas de sistemas eletroeletrônicos.
Cada um destes danos, sozinhos ou combinados, refletem em diferentes tipos de perdas (𝐿𝑋) à estrutura, definidas como:
𝐿1 - perda da vida humana; 𝐿2 - perda de serviços públicos; 𝐿3 - perda de patrimônio cultural; 𝐿4 - perda de valores econômicos.
O quadro 3 ilustra cada uma destas situações de forma simplificada para melhor compreensão (ABNT, 2015).
Quadro 3 – Fontes de danos, tipos de danos e tipos de perdas de acordo com o ponto de impacto
Fonte: NBR 5419-2:2015
Torna-se necessária a realização de cálculos referentes aos riscos existentes em uma estrutura (associados aos tipos de perdas). Cada tipo de risco depende do número médio anual de descargas atmosféricas que incidem diretamente ou próximo a estrutura, da probabilidade do dano possível a ser causado por descargas atmosféricas à estrutura (ABNT, 2015).
Cada uma das componentes de risco que são avaliadas na composição de cada risco podem ser calculadas por meio de uma expressão geral:
𝑅𝑋 = 𝑁𝑋 · 𝑃𝑋 · 𝐿𝑋 (3.1)
onde:
𝑁𝑋: é o número de eventos perigosos por ano; 𝑃𝑋: é a probabilidade de danos à estrutura; 𝐿𝑋: é a perda consequente.
De acordo com ABNT NBR 5419-1, os riscos 𝑅1, 𝑅2 e 𝑅3 devem ser considerados na avaliação da necessidade da proteção contra as descargas atmosféricas e os parâmetros relevantes aos cálculos podem ser obtidos ou calculados a partir dos anexos presentes na parte
2 da Norma, que serão abordados e discutidos no capítulo seguinte. Na NBR 5419:2005 é apresentado um estudo simplificado com informações e procedimentos para o cálculo necessário para a determinação da área de exposição de uma estrutura, e se esta estrutura necessita ou não de um SPDA (ABNT, 2015).
Realizava-se o cálculo da área de exposição equivalente (𝐴𝑒), que foi alterada na versão atual, verificava-se o índice ceraúnico da região, que é o número de incidência de descargas atmosférica na região (𝑇𝑑), que é necessário para determinar a densidade das descargas atmosféricas diretamente para a terra (𝑁𝑔), também aplicava-se fatores ponderantes, como o tipo de ocupação, tipo de construção, o tipo de conteúdo e equipamentos abrigados pela estrutura, os efeitos indiretos das descargas, a localização e a topografia da região, e finalemnte realizava-se uma avaliação final da frequência média anual ponderada das descargas atmosféricas (𝑁𝑑𝑐) prevista para a estrutura.
Desta forma:
∙ se 𝑁𝑑𝑐 = 10^(−3), a estrutura requer um SPDA;
∙ se 10^(−3) 𝑁𝑑𝑐 10^(−5), facultativo, sendo determinado por especialista a necessidade ou não de se instalar um SPDA;
∙ se 𝑁𝑑𝑐 = 10^(−5), dispensa-se o uso de um SPDA.
Então, podia-se utilizar uma tabela fornecida pela norma em função da classificação das estruturas ou da curva de eficiência do SPDA para a definição do nível de proteção do SPDA. A forma de obtenção de 𝑁𝑔 tem sido questionada (SUETA et al., 2013) e tal dado, recomendado pela IEC, sugere o uso 𝑁𝑔 mapeado a partir da rede LLS (por exemplo RINDAT,BrasilDat) elaborado pelo ELAT e, na falta destes, recomenda que adote a seguinte aproximação (ABNT, 2015):
𝑁𝑔 ≈ 0, 1𝑇𝑑 (3.2)
Onde 𝑇𝑑 é o número de dias de trovoadas por ano.
A atual ABNT NBR 5419, no Anexo F, possui um mapa de 𝑁𝐺 para as cinco regiões do Brasil, preparados no INPE pelo ELAT, para que este dado seja consultado, podendo
também ser obtido através da web page do ELAT.
Além de um procedimento detalhado para que seja avaliado e determinado a necessidade de um SPDA, esta parte da Norma dispõe de um procedimento para que seja avaliado o custo da eficiência da proteção no sentido de que sejam reduzidas as perdas econômicas 𝐿4. Avaliando-se as componentes de risco 𝑅4, é possível que seja avaliado os custos das perdas econômicas com ou sem medidas de proteção, devendo ser avaliado de acordo com o que consta no Anexo D (ABNT, 2015).
Dois fluxogramas, um referente ao procedimento para avaliar a necessidade de proteção, outro para que seja avaliado a eficiência do custo da proteção são mostrados respectivamente, no Anexo A, retirados diretamente da própia Norma. Dessa forma, as medidas de proteção, tais como o nível de proteção (I, II, III ou IV), as classes dos DPSs (Classe 1, 2 ou 3), as formas para redução do risco de incêndio, as medidas para redução de tensões de toque e passo, as formas de cabeamento e blindagens serão definidas pela análise de risco da estrutura sob estudo. (SUETA, 2016)
3.2.3. Parte 3
A terceira parte do documento normativo é a que mais tem correspondência com o texto compreendido pela versão em vigor. Este é o trecho que mais conta com alterações (MOREIRA, 2014).
Define-se a finalidade de se utilizar um SPDA externo e interno, bem como ao que estará destinado a proteger dentro das estruturas sem limitação de altura. Garantindo que a descarga seja captada pelo SPDA da estrutura, conduzida pelos condutores e dispersada na terra de forma eficaz e segura, reduzindo os riscos de centelhamento perigosos no interior da estrutura sem expor os ocupantes e outros elementos eletricamente condutores ao risco da descarga atmosférica (ABNT, 2015).
Nesta parte da norma também apresenta mudanças referente ao tipo de materiais de condutores de captação e descida, procedimentos nos testes de continuidade e arquitetura de interligação dos condutores de descida. O método do ângulo de proteção. também conhecido como método Franklin teve um aumento significativo em relação ao alcance dos captores. Os ângulos não são mais fixados em função do nível de proteção, passando a ser obtidos em função da altura dos captores conforme a figura 14. A utilização do método das malhas, conhecido como método Faraday, teve suas dimensões de espaçamento entre as malhas diminuídas, tendo um formato mais "quadrado", como mostrado na quadro 4 (ABNT, 2015)..
Quadro 4 – Comparativo da largura máxima da malha de proteção e raio da esfera rolante de acordo com a classe do SPDA
Fonte: ABNT NBR 5419-3:2015
Figura 14 – Ângulo de proteção correspondente à classe de SPDA
Fonte: ABNT NBR 5419-3:2015
O que pode ser notado é que anteriormente, considerava-se que o comprimento da malha, da rede de condutores posicionadas no plano horizontal ou inclinado da estrutura a ser protegida, poderia ter um espaçamento não maior que o dobro da largura máxima da malha. Pela nova norma, essa malha deverá ter seu comprimento sempre igual a medida da sua largura. Pela ABNT NBR 5419:2005 determinava-se o espaçamento médio entre os condutores de descida, demonstrado no quadro 5 e a interligação por meio de condutores horizontais a cada 20 metros de altura (ABNT, 2015).
mostrado no quadro 5, e as interligações horizontais passam a ser admitidas em intervalos de 10 a 20 metros, sendo aceitável que os espaçamentos dos condutores de descidas tenham no máximo 20% além dos valores estipulados (ABNT, 2015).
Quadro 5 – Comparativo entre valores típicos de distância entre os condutores de descida conforme o nível de proteção do SPDA
Fonte: ABNT NBR 5419-3:2015 e Fonte: ABNT NBR 5419:2005
Referente aos condutores utilizados para os sistemas de captação e de descida, materiais como o aço e o alumínio cobreado foram adicionados, houve um aumento nas dimensões mínimas e das tolerâncias permitidas dos condutores de captação, hastes captoras e condutores de descida, que são considerados para a composição do SPDA (TERMOTÉCNICA, 2015).
Por exemplo, o cobre que passa a ser considerado uma área de seção mínima de 35 𝑚𝑚2 para captação tanto quanto para descidas, contra o mínimo de antes que era estipulado de 35 𝑚𝑚2 para captação e 16 𝑚𝑚2 para descidas. A continuidade elétrica das armaduras de concreto armado existentes, apresentada no atual texto da norma, deverão apresentar uma resistência elétrica inferior a 0,2 ohms para que sejam considerados como condutores naturais da corrente da descarga atmosférica, contra até 1,0 ohms na NBR 5419:2005.
Caso este valor não possa ser alcançado, um sistema convencional de proteção deve ser adotado e instalado. Houve a retirada da consideração da medição da resistência ôhmica do aterramento do SPDA, que antes era sugerido o valor de 10 ohms, e da configuração de aterramento conforme o arranjo "A"2 sendo considerado apenas o arranjo "B"3 (ABNT, 2015)..
3.2.4. Parte 4
A quarta parte da norma não existia na versão ABNT NBR 5419:2005. Esta parte é voltada para a proteção de equipamentos eletro-eletrônicos no interior da estrutura utilizando
as chamadas Medidas de Proteção Contra Surtos (MPS’s) e trata basicamente de aspectos gerais ligados à compatibilidade eletromagnética e proteção para equipamentos elétricos e eletrônicos. A base destas medidas são o roteamento dos condutores, suas blindagens e a equipotencialização por meio dos DPS’s dos condutores energizados (SANTOS, 2015).
Sistemas eletroeletrônicos podem sofrer danos permanentes causados por impulsos eletromagnéticos da descarga atmosférica (LEMP) por meio de surtos conduzidos ou induzidos transmitidos pelos cabos conectados aos sistemas ou pelos efeitos dos campos eletromagnéticos irradiados diretamente para os próprios equipamentos havendo ou não um SPDA instalado do lado externo da estrutura. Os campos eletromagnéticos irradiados podem ser gerados a partir da corrente elétrica que flui no canal das descargas atmosféricas diretas e pela corrente parcial da descarga atmosférica fluindo nos condutores (ABNT, 2015).
3.3. BENEFÍCIOS E IMPACTOS DA NORMA VIGENTE ABNT NBR 5419:2015
De acordo com Silva (2015), a ABNT NBR 5419:2015, juntamente com seus anexos, possui dados e informações conceituais úteis que podem servir de subsídios para análises, estudos acadêmicos, simulações, dimensionamento de componentes de proteção, etc.
Para José Cláudio de Oliveira e Silva, membro da CE 03:64.10, a nova versão da norma expõe os critérios básicos para proteção contra descargas atmosféricas, que têm como base os parâmetros das correntes das descargas atmosféricas. As medidas de proteção, na maior parte, dependem dos valores máximos destes parâmetros e, considerando a corrente de pico mínima para o projeto do subsistema de captação do SPDA, mais "fechado" tem que ser o subsistema de captação para interceptar a descarga (SILVA, J. C. d. O).
De acordo com a mudança do ângulo de proteção no método Franklin, o engenheiro eletricista, secretário da Comissão de Estudos (CE) 64.10, Hélio Sueta, colabora dizendo que "essa mudança deverá revitalizar comercialmente o emprego deste método, que até o momento vem sendo deixado de lado pela comunidade técnica em função da pouca flexibilidade na utilização dos ângulos de proteção". E continua dizendo que, a respeito da parte 2, diversos tipos de descargas que possam influenciar a proteção da estrutura são considerados para a determinação da necessidade de se implantar um SPDA na estrutura sobre estudo (SUETA, 2016).
