Instalações Elétricas Prediais e Industriais – I (TE344)
Aula 26 – SPDA – Sistema de proteção de descargas atmosféricas
P R O F. D R . S E B A S T I Ã O R I B E I R O J Ú N I O R
SPDA
É um Sistema de Proteção contra Descargas Elétricas, popularmente chamado de para-raios.
A instalação dos Sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) é uma exigência do Corpo de Bombeiros, regulamentada pela ABNT segundo a Norma NBR 5419, e tem como objetivo evitar e/ou minimizar o impacto dos efeitos das descargas atmosféricas, que podem ocasionar incêndios, explosões, danos materiais e, até mesmo, risco à vida de pessoas e animais.
NBR 5424 e 5287
Definições
Descarga atmosférica: é definida na NBR 5419 como uma descarga elétrica de origem
atmosférica entre uma nuvem e a terra ou entre nuvens, consistindo em um ou mais impulsos de vários kA.
Raio: é uma descarga elétrica de grande intensidade que ocorre entre superfícies carregadas eletricamente opostas, pode ocorrer na atmosfera ou entre a atmosfera e a terra.
Relâmpago: clarão resultante de descarga elétrica que se produz entre duas nuvens ou entre uma nuvem e a terra.
Trovão: é o som gerado pela onda de choque provocada pelo aquecimento e subsequente expansão supersônica do ar atravessado por uma descarga eléctrica.
“NBR 5419 - Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas”
Formação do raio
Acúmulo de cargas elétricas nas nuvens:
Dipolo elétrico: é a explicação mais comum, onde as cargas elétricas positivas se concentram na parte superior e as cargas negativas na parte inferior da nuvem e que a origem das cargas é o atrito interno nas nuvens.
Atualmente uma explicação bem aceita no mundo científico é: Que a diferença de potencial térmico provoca grandes deslocamentos de ar, água e gelo, internamente na nuvem, ocorrendo choque entre as partículas de gelo, provocando o deslocamento de cargas elétricas em função de suas características físico-químicas.
Uma vez a nuvem carregada, suas cargas provocam os fenômenos de atração e repulsão de cargas em seu contorno, seja internamente na nuvem, entre nuvens ou entre a nuvem e a terra.
Formação do raio
Comportamento da formação de cargas internamente em uma nuvem.
INPE
Formação do raio
Raios entre nuvem e terra
Raios entre nuvens
Raios intra nuvem
Prof. Luís Nodari UTFPR
Formação do raio
Raio negativo: Partículas com carga elétrica negativa (elétrons) correm por uma trilha invisível em direção ao solo. Pouco antes de tocarem o chão, atraem partículas elétricas de carga
positiva. A carga positiva salta em direção ao céu e fecha o circuito elétrico, que aparece na forma de raio luminoso.
Raio positivo: As partículas de carga positiva correm em direção ao solo e atraem as partículas negativas.
Formação do raio
Raio Negativo Raio Positivo
Formação do raio
Características dos Raios
• a descarga de retorno chega a velocidade de 100.000 km/h;
• um raio dura de 0,1 a 2 segundos;
• 80% dos raios são nuvem-nuvem ou intranuvem;
• 20% dos raios são nuvem-solo;
• 90% dos raios são negativos;
• 80% dos raios são múltiplos, possuem mais de uma descarga de retorno;
• em média um raio possui de 3 a 6 descargas de retorno, há registro de um único raio com 26 descargas.
• a intensidade média varia de 20 a 200 kA, o de maior intensidade registrada chegou a 280 kA;
Descargas Atmosféricas Diretas
e Próximas à Rede de Distribuição
https://www.youtube.com/watch?
v=By1wj0YHw6w
Raios caindo e destruindo coisas
Descargas Atmosféricas Diretas
e Próximas à Rede de Distribuição
SPDA - Convencional
Materiais complementares
• Proteção contra descargas atmosféricas – SPDA – CREA-PR;
• Laudo de avaliação de sistema de aterramento – BRASKEN
SPDA - Convencional
1) Subsistema captação (por cima) 2) Subsistema captação (lateral) 3) Subsistema descida
4) Subsistema de anéis
5) Subsistema de malha de aterramento
6) Subsistema de equalização de potencial
Projeto do SPDA
Classes de proteção do SPDA
As características de um SPDA são determinadas pelas características da estrutura a ser protegida e pelo nível de proteção considerado para descargas atmosféricas
Projeto do SPDA
Indicação de Nível de Proteção
Projeto do SPDA
Indicação de Nível de Proteção
Projeto do SPDA
Indicação de Nível de Proteção
Projeto do SPDA
Indicação de Nível de Proteção
Projeto do SPDA
Cada classe de SPDA é caracterizada pelas seguintes características:
a) dados dependentes da classe de SPDA:
- parâmetros da descarga atmosférica
- raio da esfera rolante, tamanho da malha e ângulo de proteção - distâncias típicas entre condutores de descida e intermediários - distância de segurança contra centelhamento perigoso;
- comprimento mínimo dos eletrodos de terra.
b) fatores não dependentes da classe do SPDA:
- equipotencialização para descargas atmosféricas;
- espessura mínima de placas ou tubulações metálicas nos sistemas de captação;
- materiais do SPDA e condições de uso;
- materiais, configuração e dimensões mínimas para captores, descidas e eletrodos de aterramento;
- dimensões mínimas dos condutores de conexão
Projeto do SPDA
Subsistema de captação
Subsistemas de captação podem ser compostos por qualquer combinação dos seguintes elementos:
- hastes (incluindo mastros);
- condutores suspensos;
- condutores em malha.
Projeto do SPDA
Componentes naturais
a) chapas metálicas cobrindo a estrutura a ser protegida(interligadas ao sistema de decida, entre si e com respeito a espessura mínima);
b) componentes metálicos da construção da cobertura (treliças, ganchos de ancoragem,
armadura de aço da estrutura etc.), abaixo de cobertura não metálica, desde que esta possa ser excluída do volume de proteção;
c) partes metálicas, como as ornamentações, grades, tubulações, coberturas de parapeitos etc., que estejam instaladas de forma permanente;
d) tubulações metálicas e tanques na cobertura, desde que eles sejam construídos de material com espessuras e seções transversais de acordo com a Tabela 6.
Projeto do SPDA
Características de materiais aplicados como componentes naturais
Projeto do SPDA
Subsistemas de condutores de descida Componentes naturais
As seguintes partes da estrutura podem ser consideradas como condutores naturais de descida:
a) as instalações metálicas, desde que:
- a continuidade elétrica entre as várias partes seja feita de forma durável de acordo com;
- suas dimensões sejam no mínimo iguais ao especificado na Tabela 6 para condutores de descida normalizados, item (5.6.2).
Projeto do SPDA
b) as armaduras das estruturas de concreto armado sejam eletricamente contínuas;
c) o vigamento de aço interconectado da estrutura;
d) elementos da fachada, perfis e subconstruções metálicas das fachadas, desde que:
- suas dimensões estejam conforme aos requisitos para condutores de descidas (ver 5.6.2) e que, para folhas metálicas ou tubulações metálicas, as espessuras não sejam inferiores a t´ (ver Tabela 3);
- sua continuidade elétrica na direção vertical respeite os requisitos de 5.5.2.
Não são permitidas emendas em cabos de descida, exceto o conector para ensaios, o qual é obrigatório, a ser instalado próximo do solo (a altura sugerida é 1,5 m a partir do piso) de modo a proporcionar fácil acesso para realização de ensaios.
Projeto do SPDA
Subsistema de aterramento
- o aproveitamento das armaduras das fundações,
- na impossibilidade do aproveitamento das armaduras das fundações, arranjo a ser utilizado consiste em condutor em anel, externo à estrutura a ser protegida, em contato com o solo por pelo menos 80 % do seu comprimento total,
- elemento condutor interligando as armaduras descontínuas da fundação (sapatas). Estes eletrodos de aterramento podem também ser do tipo malha de aterramento.
Eletrodos de aterramento naturais
- As armaduras de aço interconectadas nas fundações de concreto, ou outras estruturas metálicas subterrâneas disponíveis, podem ser utilizadas como eletrodos de aterramento, desde que sua continuidade elétrica seja garantida.
Projeto do SPDA
Para aterramento em anel ou interligando a fundação descontínua, o raio médio re da área abrangida pelos eletrodos não pode ser inferior ao valor l1:
Projeto do SPDA
A fixação dos condutores do SPDA deve ser realizada em distância máxima assim compreendida:
a) até 1,0 m para condutores flexíveis (cabos e cordoalhas) na horizontal;
b) até 1,5 m para condutores flexíveis (cabos e cordoalhas) na vertical ou inclinado;
c) até 1,0 m para condutores rígidos (fitas e barras) na horizontal;
d) até 1,5 m para condutores rígidos (fitas e barras) na vertical ou inclinado.
Projeto do SPDA
No projeto dos captores, podem-se utilizar os seguintes métodos, conforme o caso:
a) ângulo de proteção (método Franklin); e/ou
b) esfera rolante ou fictícia (modelo eletrogeométrico); e/ou
c) condutores em malha ou gaiola (método Faraday).
Projeto do SPDA
Posicionamento do subsistema de captação Método do ângulo de proteção
A - topo do captor
B - plano de referência
O-C - raio da base do cone de proteção
h1 - altura de um mastro acima do plano de referência α - ângulo de proteção conforme Tabela 2
Projeto do SPDA
Os valores para o ângulo de proteção, raio da esfera rolante e tamanho da malha para cada classe de SPDA
NOTA 1 Não aplicável além dos valores marcados com •. Somente os métodos da esfera rolante e das malhas são aplicáveis nestes casos.
NOTA 2 H é a altura do captor acima do plano de referência da área a ser protegida.
NOTA 3O ângulo não será alterado para valores de H abaixo de 2 m.
Tabela 2 - Distâncias e ângulo de proteção para cada classe de proteção do SPDA
Projeto do SPDA
Ângulo de proteção provido por um mastro para duas alturas diferentes
O ângulo de proteção α1 corresponde à altura h1 do mastro, sendo esta a altura acima da superfície da cobertura da estrutura a ser protegida;
O ângulo de proteção α2 corresponde à altura h2 = h1 + H, com o solo sendo o plano de referência;
α1 está relacionado com h1, e α2 está relacionado com h2.
Projeto do SPDA
Volume de proteção provido por um mastro para duas alturas
A - topo do captor
B - plano de referência
O-C - raio da base do cone de proteção
h1 - altura de um mastro acima do plano de referência α - ângulo de proteção conforme Tabela 2
Projeto do SPDA
Projeto do SPDA
Posicionamento do subsistema de captação utilizando o método da esfera rolante
Projeto do SPDA
Posicionamento do subsistema de captação utilizando o método das malhas a) condutores captores deverão ser instalados:
- na periferia da cobertura da estrutura;
- nas saliências da cobertura da estrutura;
- nas cumeeiras dos telhados, se o declive deste exceder 1/10;
b) as dimensões de malha não podem ser maiores que os valores encontrados na Tabela 2;
c) o conjunto de condutores do subsistema de captação deve ser construído de tal modo que a corrente elétrica da descarga atmosférica sempre encontre pelo menos duas rotas condutoras distintas para o subsistema de aterramento;
d) nenhuma instalação metálica deve ultrapassar o volume de proteção formado pela malha do subsistema de captação;
e) os condutores da malha devem seguir o caminho mais curto e retilíneo possível da instalação.
SPDA - Convencional
SPDA - Convencional
Captor do tipo de Franklin O captador "Franklin" é constituído por uma haste
metálica , sendo a extremidade superior é pontiaguda para
ter um maior poder de acúmulo de cargas.
Este sistema é o mais barato mas o menos eficiente.
SPDA - Convencional
Captor de avanço à Ignição
O captor de avanço à Ignição consiste na capacidade do para-raios antecipar a descarga atmosférica e definir o percurso do raio.
Este sistema é barato e apresenta elevada eficiência, embora decresça com o aumento da distância do captor.
SPDA - Convencional
Gaiola de Faraday
A gaiola de Faraday é um sistema de vários receptores colocados de modo a envolver o topo da
estrutura e várias baixadas. A gaiola apresenta a elevada eficiência, contudo, é de custos mais
elevado.
SPDA - Convencional
Divisão da corrente da descarga atmosférica entre os condutores de descida
O coeficiente de divisão kc da corrente da descarga atmosférica entre os condutores de descida depende do número total de condutores de descida n e das suas posições, dos condutores em anel de interligação, do tipo do subsistema de captação e do tipo do subsistema de aterramento
SPDA - Convencional
Divisão da corrente da descarga atmosférica entre os condutores de descida
𝐾𝑐 = ℎ + 𝑐 2ℎ + 𝑐
SPDA - Convencional
Divisão da corrente da descarga atmosférica entre os condutores de descida
𝐾𝑐 = 1
2𝑛 + 0,1 + 0,2 . 3 𝑐 ℎ
Onde:
n - número total de condutores de descidas;
n - distância de um condutor de descida ao próximo condutor de descida;
h - espaçamento (ou altura) entre os condutores em anel.
NOTA Se existirem condutores de descida internos, recomenda-se que eles sejam levados em consideração na avaliação de kc
SPDA - Convencional
SPDA - Convencional
SPDA - Convencional
SPDA - Integrado com Concreto Armado
Integração com concreto armado:
Injeção de Imin = 1 A R descida < 1 Ω
SPDA - Integrado com Concreto Armado
Conexão de cabo de
aterramento de cobre 50 mm² com armadura do baldrame (solda
exotérmica):
Barra de equalização (BEL) interligada ao baldrame:
SPDA - Integrado com Concreto Armado
Interligações com solda
exotérmica:
SPDA - Integrado com Concreto Armado
Armaduras das fundações preparadas para
interligação das ferragens dos pilares:
Gaiola de Faraday formada pela enorme qtde de ferragens de estruturas premoldadas interligadas:
SPDA - Integrado com Concreto Armado
Medição com
microohmímetro:
Equalização - Malha de referência de sinais interligada com as ferragens do piso.
Captação via armaduras:
SPDA - Integrado com Concreto Armado
Utilização de estrutura
totalmente metálica como descidas naturais:
Jamais a estrutura
metálica deve ser usada como condutor de
proteção.
Jamais deve ser
aproveitada a estrutura metálica como neutro de tomadas ou função similar.
Problemas em sistemas de aterramento e soluções
Referencias
[1] ABNT NBR 15749, “MEDIÇÃO DE RESISTÊNCIA DE ATERRAMENTO E DE POTENCIAIS NA SUPERFÍCIE DO SOLO EM SISTEMAS DE ATERRAMENTO”, PRIMEIRA EDIÇÃO, AGO. 2009.
[2] ABNT NBR 15751, “SISTEMAS DE ATERRAMENTO DE SUBESTAÇÕES -REQUISITOS”, PRIMEIRA EDIÇÃO, AGO. 2009.
[3] ABNT NBR 5419, “PROTEÇÃO DE ESTRUTURAS CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS”, SEGUNDA EDIÇÃO, JUL. 2005.
[4] NR 10 “SEGURANÇA EM INSTALAÇÕES E SERVIÇOS EM ELETRICIDADE”, DEZ. 2004. IEEE STD. 80. “IEEE GUIDE FOR SAFETY IN AC SUBSTATION GROUNDING”. FOURTH EDITION, AUG. 2000.
[5] GAMBOA, L., “AVALIAÇÃO DE MALHAS DE ATERRAMENTO EM SUBESTAÇÕES > 69 KV”, IN COMISSÃO DE ATERRAMENTOS DO COBEI, SET. 2007.
[6] NONATO, G.; SOTILLE, C., “PROTÓTIPO DE MEDIÇÃO DE MALHA DE TERRA EM SUBESTAÇÕES ENERGIZADAS”, IN XVIII SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, CURITIBA, OUT. 2005.
[7] BACHEGA R.; GAMBOA, L.; GUERRA, F.; RIBAS, R., “UTILIZAÇÃO DE ALGORITMO GENÉTICO PARA CÁLCULO DA ESTRATIFICAÇÃO DO SOLO”, IN XX SNPTEE SEMINÁRIO NACIONAL DE PRODUÇÃO E TRANSMISSÃO DE ENERGIA ELÉTRICA, RECIFE, NOV. 2009.
[8] DAHLKE, D.; SALAMANCA, H.; GAMBOA, L.; BLOCK, P.; SHIONO, O.; RIBAS, R.; KOWALSKI, E., “CASE STUDY – COMPARISON OF HIGH AND LOW FREQUENCY GROUND RESISTANCE TESTERS FOR MEASUREMENT OF GROUND RESISTANCE TRANSMISSION TOWER”, IN GROUND 2012 AND 15TH LPE, BONITO, NOV. 2012.
[9] SALAMANCA, H.; DAHLKE, D.; DOMINGUES, H.; GAMBOA, L.; SOTILLE, C.; KOWALSKI, E.; SHIONO, O.; RIBAS, R.,
“INSPECTION OF GROUNDING SYSTEM CONNECTIONS IN ENERGIZED SUBSTATION - SOFTWARE FOR ON LINE ANALYSES OF GROUNDING SYSTEMS OF ENERGIZED SUBESTATION USING HIGH FREQUENCY METHODS”, IN GROUND 2012 AND 15TH LPE, BONITO, NOV. 2012.
[10] SHIONO, O.; DAHLKE, D.; SALAMANCA, H.; BLOCK, P.; KOWALSKI, E, “SOFTWARE FOR ON LINE ANALYSES OF
GROUNDING SYSTEMS OF ENERGIZED SUBESTATION USING HIGH FREQUENCY METHODS”, IN GROUND 2012 AND 15TH LPE, BONITO, NOV. 2012.
