UNIVERSIDADE FEDERAL DO CEARÁ CENTRO DE TECNOLOGIA
DEPARTAMENTO DE ENGENHARIA ELÉTRICA CURSO DE GRADUAÇÃO EM ENGENHARIA ELÉTRICA
FILIPE RIBEIRO PARENTE GARCIA
ANÁLISE DOS POTENCIAIS ELÉTRICOS E AVALIAÇÃO DOS RISCOS RELACIONADOS ÀS TENSÕES DE TOQUE E DE PASSO DEVIDOS À INCIDÊNCIA DE UMA DESCARGA ATMOSFÉRICA EM UMA EDIFICAÇÃO
FORTALEZA 2016
FILIPE RIBEIRO PARENTE GARCIA
ANÁLISE DOS POTENCIAIS ELÉTRICOS E AVALIAÇÃO DOS RISCOS RELACIONADOS ÀS TENSÕES DE TOQUE E DE PASSO DEVIDOS À INCIDÊNCIA DE UMA DESCARGA ATMOSFÉRICA EM UMA EDIFICAÇÃO
Trabalho Final de Curso apresentado ao Programa de Graduação em Engenharia Elétrica da Universidade Federal do Ceará, como requisito parcial à obtenção do título de Graduado em Engenharia Elétrica.
Orientador: Prof. Dr.-Ing Tobias Rafael Fernandes Neto
Coorientador: M.Sc. Ednardo Moreira Rodrigues
FORTALEZA 2016
Dedico este trabalho primeiramente a Deus. Aos meus queridos pais Severino e Edna. À minha amada Bárbara. Aos meus avôs Huygens e Sandoval. À memória do Eng. Eletricista Gilson Albuquerque.
AGRADECIMENTOS
Agradeço a Deus por me dar saúde e força para alcançar todos os meus objetivos na vida.
Agradeço aos meus familiares: ao Engenheiro Eletricista Severino Garcia, meu pai, ao qual tenho como referência por servir de exemplo de profissionalismo e competência, me motivando a ser um excelente profissional. À minha incansável mãe, Edna Ribeiro, por estar sempre presente e me apoiar em todas as minhas escolhas, sendo a minha maior incentivadora para concluir a graduação. Aos meus avôs Huygens Garcia e Sandoval Ribeiro, por me servirem de inspiração. Ao Eng. Eletricista Dr. Fernando Garcia, meu padrinho, pelo carinho e amizade, sendo também uma referência profissional para mim.
À minha namorada Bárbara pela compreensão, paciência e incentivo durante a realização deste trabalho e ao longo do curso de graduação.
Ao Eng. Gilson Albuquerque (in memorian), pois foi o responsável por eu começar a estudar e trabalhar na área de aterramento e SPDA.
Ao professor Dr.-Ing. Tobias Fernandes pela orientação, ensinamentos, confiança e por acreditar no meu potencial para a conclusão deste Trabalho Final de Curso (TFC), propondo sempre novos desafios e mostrando os caminhos para se chegar às soluções.
Agradeço ao meu co-orientador Ednardo Rodrigues pela amizade, paciência, dedicação e principalmente pelo tempo disponibilizado para me orientar, sendo o maior colaborador deste trabalho, contribuindo, principalmente, nas simulações para que fosse possível o prosseguimento do estudo.
Ao professor Dr. Raphael Amaral por participar da banca examinadora, colaborando com críticas e sugestões, objetivando a melhoria deste trabalho.
Ao professor Dr. Ricardo Thé pela atenção e incentivo, fornecendo o projeto civil estrutural, ao qual, foi utilizado para a elaboração dos pilares, sapatas e vigas baldrame da edificação nas simulações.
A todos os integrantes do Lamotriz pelo companheirismo e boa convivência durante o tempo em que fiquei no laboratório. Ao colega Alan por ajudar na edição de algumas figuras utilizadas neste trabalho.
Aos meus grandes amigos Caio Ribeiro e Daniel Menezes pelo apoio e parceria durante todo o curso. Especificamente ao Daniel por me ajudar na elaboração do Abstract deste TFC.
RESUMO
Este trabalho realiza uma análise, a partir de simulações utilizando o método dos elementos finitos, da elevação dos potenciais elétricos gerados em uma edificação, para diferentes sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA), devido à incidência de um raio na estrutura, avaliando os riscos relacionados às tensões de toque e de passo aos quais as pessoas, no interior da edificação, podem estar submetidas. São apresentados, inicialmente, os conceitos básicos para a classificação das descargas atmosféricas e os mecanismos de estabelecimento de uma descarga do tipo negativa descendente que ocorre da nuvem para o solo, sendo, também, apresentados os principais parâmetros físicos associados a essas correntes de descargas. Um resumo das quatro partes da norma NBR 5419:2015 é realizado, explanando os principais aspectos de projeto de proteção contra descargas atmosféricas. Os principais métodos de proteção utilizados em edificações são descritos, assim como a utilização de componentes naturais da estrutura como partes integrantes do sistema de proteção. Através de um estudo sobre os principais parâmetros da corrente e do corpo humano que influenciam nos efeitos de um choque elétrico, como a fibrilação ventricular e a morte imediata, são analisados os riscos associados às tensões de toque e de passo. Por fim, foi aplicado o método dos elementos finitos na determinação dos potenciais elétricos em uma edificação padrão para simulações realizadas com três diferentes tipos de SPDA, sendo analisados os resultados e obtendo qual a melhor configuração do sistema de proteção.
Palavras-chave: Descarga Atmosférica. SPDA. Tensão de toque e de passo. Elementos Finitos.
ABSTRACT
This work makes an analysis, through simulations using the finite element method, of the increase of electrical potentials generated in a building, for different lightning protection systems (LPS) due to a lightning strike to the structure, evaluating the risks related to touch and step voltages to which people inside the building can be submitted. There are presented, initially, the basic concepts for the classification of lightning and the establishing mechanisms for a discharge of descending negative type that occurs from the cloud to the ground, and it is also presented the main physical parameters associated with these discharge currents. A summary of the four parts of the standard NBR 5419:2015 is done, showing the main aspects of lightning protection system’s design. The main protection methods used in buildings are described, as well as the use of natural components of the structure as integral parts of the protection system. Through a study of the main parameters of the electric current and the human body that influence the effects of an electric shock, such as ventricular fibrillation and immediate death, the risks associated with touch and step voltages are analyzed. Finally, the finite element method was applied to determine the electrical potentials in a standard building on simulations with three different types of LPS, the results were analyzed and the best setting of the protection system was obtained.
LISTADEILUSTRAÇÕES
Figura 1 - Gráfico do Nº de mortes por ano no Brasil devido às descargas
atmosféricas ... 12
Figura 2 - Ilustração das circunstâncias das fatalidades. ... 13
Figura 3 - Ilustração dos tipos de descargas existentes na natureza. ... 15
Figura 4 - Gráfico da corrente impulsiva representada pela curva do tipo dupla exponencial. ... 19
Figura 5 - Ilustração das conexões entre as partes da ABNT NBR 5419:2015. ... 21
Figura 6 - Diagrama do procedimento para decisão da necessidade da proteção e para selecionar as medidas de proteção. ... 24
Figura 7 - Diagrama de uma MPS usando um sistema coordenado de DPS por zonas de proteção. ... 28
Figura 8 – Ilustração do volume de proteção provido por um mastro. ... 30
Figura 9 - Ilustração da utilização do método da esfera rolante na análise do posicionamento da malha captora. ... 32
Figura 10 - Gráfico da impedância transitória de aterramento de um eletrodo horizontal. ... 34
Figura 11 - Gráfico da Resistência de aterramento R e impedância impulsiva Z em função do comprimento do eletrodo em solos de resistividade diferente. ... 35
Figura 12 - Ilustração de uma pessoa submetida à Tensão de Toque. ... 37
Figura 13 - Ilustração da tensão de passo originada pela incidência de um raio no solo. . 38 Figura 14 - Ilustração do corpo humano representado por um circuito elétrico. ... 41
Figura 15 - Gráfico da impedância do corpo em função da tensão aplicada. ... 42
Figura 16 – Ilustração do percentual da resistência interna para os diferentes percursos da corrente. ... 43
Figura 17 - Gráfico da curva de corrente impulsiva do capacitor em função do tempo. .. 44
Figura 18 - Gráfico da forma de onda impulsiva. ... 48
Figura 19 - Ilustração no plano X-Y da edificação e do piso de concreto no solo. ... 51
Figura 20 - Ilustração do SPDA estrutural da Simulação 1. ... 52
Figura 21 - Ilustração do SPDA híbrido da Simulação 2. ... 53
Figura 22 - Ilustração do SPDA convencional da Simulação 3. ... 54
Figura 23 - Ilustração dos potenciais elétricos obtidos na estrutura após a Simulação 1 (vista superior). ... 55
Figura 24 - Ilustração dos potenciais elétricos obtidos na estrutura após a Simulação 1
(vista lateral). ... 55
Figura 25 - Ilustração dos potenciais elétricos obtidos na estrutura após a Simulação 1 (vista inferior). ... 56
Figura 26 - Gráfico da Tensão x Distância para a Simulação 1. ... 56
Figura 27 - Ilustração da diagonal traçado sobre o piso para analisar a tensão pela distância. ... 57
Figura 28 - Gráfico da elevação de potencial sobre o aterramento estrutural da Simulação 1. ... 58
Figura 29 - Ilustração das posições de Passo 1 e Passo 2. ... 59
Figura 30 - Ilustração das posições de Toque 1 e Toque 2. ... 60
Figura 31 - Ilustração dos potenciais elétricos obtidos na estrutura após a Simulação 2 (vista superior). ... 62
Figura 32 - Ilustração dos potenciais elétricos obtidos na estrutura após a Simulação 2 (vista lateral). ... 63
Figura 33 - Ilustração dos potenciais elétricos obtidos na estrutura após a Simulação 2 (vista inferior). ... 63
Figura 34 - Gráfico da Tensão x Distância para a Simulação 2. ... 64
Figura 35 - Gráfico da elevação de potencial sobre o aterramento da Simulação 2. ... 65
Figura 36 - Ilustração dos potenciais elétricos obtidos na estrutura após a Simulação 3 (vista superior). ... 67
Figura 37 - Ilustração dos potenciais elétricos obtidos na estrutura após a Simulação 3 (vista lateral). ... 68
Figura 38 - Ilustração dos potenciais elétricos obtidos na estrutura após a Simulação 3 (vista inferior). ... 68
Figura 39 - Condutores de descida espaçados da estrutura por isolador. ... 69
Figura 40 - Gráfico da Tensão x Distância para a Simulação 3. ... 70
LISTADETABELAS
Tabela 1 - Valores da probabilidade P em função da corrente I da descarga atmosférica.
... 49
Tabela 2 - Valores de tensão para pontos de distância da Simulação 1. ... 58
Tabela 3 - Energia específica de fibrilação, energia térmica e potência média dissipadas no corpo para a Simulação 1. ... 60
Tabela 4 - Valores limites de referência. ... 61
Tabela 5 - Valores limites de energia e potência pelo peso. ... 61
Tabela 6 - Valores de tensão para pontos de distância da Simulação 2. ... 65
Tabela 7 - Energia específica de fibrilação, energia térmica e potência média dissipadas no corpo para a Simulação 2. ... 66
Tabela 8 - Valores de tensão para pontos de distância das Simulações 1,2 e 3. ... 71
Tabela 9 - Atenuação da tensão do subsistema de aterramento para o centro do piso. ... 72
Tabela 10 -Energia específica de fibrilação, energia térmica e potência média dissipadas no corpo para a Simulação 3... 72
LISTADEQUADROS
Quadro 1 - Efeito da corrente no corpo humano. ... 40 Quadro 2 - Resumo dos riscos analisados. ... 73
SUMÁRIO 1 INTRODUÇÃO ... 12 1.1 Contextualização ... 12 1.2 Objetivos ... 13 1.3 Estrutura do Trabalho ... 13 2 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ... 15
2.1 Tipificação e formação das descargas atmosféricas ... 15
2.2 Parâmetros da corrente das descargas atmosféricas... 17
2.2.1 Amplitude da corrente de descarga ... 17
2.2.2 Carga transferida por descarga ... 17
2.2.3 Os parâmetros de tempo típicos da onda de descarga ... 18
2.2.4 Forma de onda da corrente de descarga ... 18
3 PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ... 20
3.1 A NBR 5419:2015 ... 20
3.1.1 Parte 1: Princípios Gerais ... 21
3.1.2 Parte 2: Gerenciamento de risco ... 22
3.1.3 Parte 3: Danos físicos às estruturas e perigos à vida ... 25
3.1.4 Parte 4: Sistemas elétricos e eletrônicos internos na estrutura ... 26
3.2 Métodos de proteção ... 28
3.2.1 Método “Franklin” ... 29
3.2.2 Método da “Gaiola de Faraday” ... 30
3.3 Componentes naturais do SPDA ... 32
3.4 Aterramento sob solicitações impulsivas ... 33
4 DANOS CAUSADOS PELAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS NOS SERES HUMANOS ... 36
4.1 Acidentes típicos associados às descargas atmosféricas ... 36
4.1.2 Tensão de passo ... 38
4.2 Critérios de segurança ... 39
4.2.1 A impedância do corpo humano ... 41
4.2.2 Energia por unidade de resistência ... 43
4.2.3 Medidas de proteção contra acidentes devido às tensões de toque e de passo ... 45
5 SIMULAÇÕES E RESULTADOS ... 46
5.1 Método de simulação ... 46
5.1.1 Método dos Elementos Finitos (FEM) ... 46
5.1.2 O software COMSOL ... 46
5.1.3 Simulações realizadas ... 47
5.1.4 Condições de contorno ... 50
5.2 Simulação 1: SPDA estrutural ... 54
5.3 Simulação 2: SPDA híbrido ... 62
5.4 Simulação 3: SPDA convencional ... 67
6 CONCLUSÃO ... 74
1 INTRODUÇÃO
Este capítulo tem a finalidade de apresentar a contextualização do tema abordado no presente trabalho, bem como os objetivos almejados e a estrutura com o qual o trabalho será apresentado.
1.1 Contextualização
Todo ano, cerca de 3 bilhões de raios ocorrem pelo mundo (COORAY et al., 2007). De acordo com dados do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), o Brasil é o país com a maior incidência de raios no mundo com cerca de 50 milhões de descargas por ano, obtendo uma média de 137 mil ocorrências por dia (ELAT, 2014). Em conjunto com o INPE, o Grupo de Eletricidade Atmosférica (ELAT), criado oficialmente em 1995, é o primeiro grupo de pesquisa sobre raios formado no Brasil, sendo considerado uma referência mundial nas pesquisas sobre eletricidade atmosférica (ELAT, 2014). A Figura 1 apresenta um gráfico do levantamento dos dados, feito pelo ELAT, sobre as mortes registradas por raios no Brasil entre os anos de 2000 e 2014. A Figura 2 ilustra, em porcentagem, as circunstâncias das fatalidades nas quais se encontravam as pessoas. Verifica-se uma média de, aproximadamente, 119 mortes por ano no país, onde 19 % das mortes aconteceram com as pessoas dentro de suas casas. Além da trágica perda de vida, há várias outras ocasiões em que não há o óbito, mas o acidente causa danos permanentes no organismo humano.
Figura 1 - Gráfico do Nº de mortes por ano no Brasil devido às descargas atmosféricas
Fonte: adaptado de ELAT (2014). 140 193 137 106 93 113 123 125 160 121 88 82 113 99 97 0 50 100 150 200 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 Nº ANO Nº de Mortes
Figura 2 – Ilustração das circunstâncias das fatalidades
Fonte: adaptado de ELAT (2014).
Pelos dados do Grupo de Eletricidade Atmosférica e pelos efeitos nocivos causados ao corpo por essas descargas, é justificada a preocupação com a segurança dos seres humanos em relação às incidências de raios.
1.2 Objetivos
Este trabalho tem como objetivos analisar, a partir de simulações utilizando o método dos elementos finitos, a elevação dos potenciais elétricos gerados em uma edificação, com diferentes sistemas de proteção contra descargas atmosféricas, devido à incidência de um raio na estrutura e avaliar os riscos relacionados às tensões de toque e de passo aos quais as pessoas, no interior da edificação, poderão estar sendo submetidas.
1.3 Estrutura do Trabalho
O Capítulo 1, este introdutório, apresenta a contextualização do principal tema abordado no trabalho, os objetivos desejados e a estrutura com o qual o trabalho será apresentado.
O Capítulo 2 apresenta os conceitos básicos para a classificação das descargas atmosféricas, explicando os mecanismos de estabelecimento de uma descarga do tipo negativa descendente que ocorre da nuvem para o solo. Também são vistos os principais parâmetros físicos da corrente das descargas impulsivas.
No Capítulo 3, é feito um resumo das quatro partes da norma NBR 5419:2015, explanando os principais aspectos de projeto de proteção contra descargas atmosféricas. São descritos os principais métodos de proteção utilizados em edificações, abordando a utilização de componentes naturais da estrutura como partes integrantes do sistema de proteção. São feitas análises em relação à resposta do sistema de aterramento sob solicitações impulsivas das correntes de descargas atmosféricas.
No Capítulo 4, são apresentadas as principais maneiras que uma pessoa pode ser afetada por uma descarga atmosférica, dando ênfase nos riscos associados às tensões de toque e de passo. É realizado um estudo sobre os principais parâmetros da corrente e do corpo humano que influenciam nos efeitos de um choque elétrico. São referenciadas as principais normas e estudos que tratam das condições de segurança e dos limites de corrente elétrica suportados pelo corpo humano sem provocar a fibrilação ventricular e a morte. Por fim, medidas de proteção contra acidentes devido às tensões de toque e de passo são apresentadas.
O Capítulo 5 apresenta as análises e resultados das simulações realizadas nos três diferentes tipos de sistema de proteção contra descargas atmosféricas implementados na edificação padrão. É feito uma introdução ao software utilizado na aplicação do método dos elementos finitos e descritas todas as condições de contorno utilizadas nas simulações.
No Capítulo 6, será feito a conclusão do trabalho, avaliando qual sistema de proteção contra descargas atmosféricas apresentou melhores resultados em relação aos níveis de tensões de toque e de passo, bem como a motivação para novos projetos.
2 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Neste capítulo, são apresentados os conceitos básicos para a classificação das descargas atmosféricas (DAs), explicando os mecanismos de estabelecimento de uma descarga do tipo negativa descendente que ocorre da nuvem para o solo. Também são vistos os principais parâmetros físicos da corrente das descargas impulsivas.
2.1 Tipificação e formação das descargas atmosféricas
A classificação dos tipos de descargas atmosféricas pode ser feita segundo o percurso da descarga, ou seja, pela sua origem e destino, e a polaridade das cargas transferidas da nuvem (SHIGIHARA, 2005). A Figura 3 ilustra os diferentes tipos de DAs existentes na natureza, sendo classificadas como (ROMERO, 2007):
a) Descargas nuvem-solo negativas: ocorrem da nuvem para o solo, transferindo cargas negativas de uma região carregada de dentro da nuvem para o solo; b) Descargas nuvem-solo positivas: se originam na nuvem e partem para o solo,
ocorrendo a transferência de elétrons do solo para a nuvem, equivalendo ao transporte de cargas positivas de dentro da nuvem para o solo;
c) Descargas solo-nuvem negativas: se iniciando no solo e partindo para a nuvem, transferindo cargas negativas da nuvem para o solo, equivalendo ao transporte de cargas positivas do solo para a nuvem;
d) Descargas solo-nuvem positivas: se originam no solo e partem para a nuvem, transferindo cargas negativas do solo para a nuvem, equivalendo ao transporte de cargas positivas da nuvem para o solo;
e) Descargas intranuvens: ocorrem dentro das nuvens;
f) Descargas no ar: ocorrem da nuvem para outro ponto na atmosfera; g) Descargas entre nuvens: ocorrem entre nuvens.
As descargas intranuvens são as mais comuns, representando cerca de 80 % do total dentre os diversos tipos de descargas atmosféricas (PINTO; PINTO, 2000). Devido à maior dimensão dos problemas que podem provocar, as descargas tipo nuvem-solo são, para a engenharia elétrica de proteção, as mais importantes a serem estudadas (SHIGIHARA, 2005). Os raios negativos são os mais frequentes, correspondendo em cerca de 90 % das descargas nuvem-solo (PINTO; PINTO, 2000).
Figura 3 – Ilustração dos tipos de descargas existentes na natureza. a) Nuvem-solo descendente negativa; b) Nuvem-solo descendente positiva; c) Nuvem-solo ascendente negativa; d) Nuvem-solo ascendente positiva; e) intranuvens; f) Descarga para o ar; g) Entre nuvens
Fonte: adaptado de Romero (2007).
Para entender o fenômeno da formação das descargas atmosféricas, descreveremos, como exemplo, os mecanismos básicos de estabelecimento de uma descarga do tipo negativa descendente que ocorre da nuvem para o solo.
Para ocorrer a descarga atmosférica, é necessário que a nuvem esteja carregada com cargas elétricas positivas e negativas, sendo localizadas em seu topo e base respectivamente (SUETA, 2005). Não há consenso, entre os pesquisadores, de como ocorre o processo de eletrificação das nuvens, existindo uma explicação pela a teoria da precipitação, em que as partículas pesadas descem na nuvem e interagem com as partículas mais leves que são transportadas para cima e, com esta interação, as partículas pesadas são carregadas negativamente e as mais leves positivamente, ocorrendo uma separação das cargas e a formação de um dipolo devido à gravidade e as correntes de ar ascendentes (SUETA, 2005).
As cargas negativas na base da nuvem são capazes de induzir cargas positivas no solo, produzindo, entre essa região, um campo elétrico grande o suficiente para que ocorra o rompimento da rigidez dielétrica do ar (VISACRO, 2005). Primeiramente se forma o líder escalonado (“stepped leader”) próximo à base da nuvem devido à quebra da rigidez dielétrica pelo campo elétrico local na faixa de 100 a 400 kV/m (SHIGIHARA, 2005). Com passos de duração aproximada de 1 us e comprimentos de 30 a 100 m, tendo uma pausa entre os passos de aproximadamente 50 us, esse líder se desloca em direção ao solo (SHIGIHARA, 2005).
Ao se aproximar da terra, o líder escalonado gera um campo elétrico muito intenso em objetos pontiagudos ou em irregularidades no solo, onde atingindo valores que excedam a rigidez dielétrica do ar nas redondezas, uma ou mais descargas ascendentes podem acontecer nestes pontos, unindo-se ao líder escalonado e iniciando o processo de junção (“attachment”) (SUETA, 2005). No momento em que ocorre a junção, é estabelecida uma onda de corrente de alta intensidade, denominada descarga ou corrente de retorno (“return
stroke current”) (VISACRO, 2005).
A descarga de retorno é o componente mais importante da descarga atmosférica, pois seus parâmetros são fundamentais para os estudos de proteção em edificações, linhas de transmissão e distribuição de energia elétrica (SUETA, 2005).
2.2 Parâmetros da corrente das descargas atmosféricas
2.2.1 Amplitude da corrente de descarga
Referida também como valor de pico ou de crista da onda impulsiva, a amplitude da corrente de descarga corresponde ao valor máximo alcançado pela corrente (VISACRO, 2005). Os valores medianos de amplitude das ondas das descargas positiva e da negativa única são aproximadamente 30 kA de acordo com as curvas de distribuição de probabilidade acumulada apresentadas pelas medições de Berger (COORAY et al., 2007).
Para a engenharia de proteção contra descargas atmosféricas, este é o parâmetro físico da corrente de descarga de maior importância, pois determina os níveis máximos de sobretensões a que estão submetidos os componentes do sistema elétrico, como os isoladores de uma linha de transmissão e as malhas de aterramento, e as edificações (VISACRO, 2005).
2.2.2 Carga transferida por descarga
A carga elétrica transferida para a terra pela corrente de retorno pode ser determinada a partir da integração desta corrente impulsiva no tempo (VISACRO, 2005). Esse parâmetro está relacionado com os efeitos térmicos associados à transferência da carga acumulada ao longo do canal precursor de descarga para a terra (ABNT, 2015, Parte 1; VISACRO, 2005).
2.2.3 Os parâmetros de tempo típicos da onda de descarga
Os parâmetros de tempo típicos da onda de descarga são divididos em: “tempo de
frente de onda”, “tempo de meia onda” e “tempo de duração total de uma descarga”
(VISACRO, 2005).
O tempo de frente de onda corresponde ao intervalo de tempo entre o início da onda impulsiva até o primeiro pico da onda (VISACRO, 2005). O tempo de frente da corrente influencia na amplitude das tensões induzidas, pois dependendo do formato côncavo da frente de onda, a derivada máxima (𝑑𝑖/𝑑𝑡) que ocorre próximo ao primeiro pico, alcança valores maiores (COORAY et al., 2007). Na perspectiva de aplicação, esse parâmetro se relaciona ao comportamento dos isolamentos dos sistemas elétricos e eletrônicos, referentes à suportabilidade quanto à sobretensões geradas pelas descargas atmosféricas.
O tempo de meia onda é definido como o intervalo de tempo entre o início da onda impulsiva e o instante em que a corrente, após ter passado pelo valor de pico, tem sua intensidade reduzida em torno de 50 % deste valor (VISACRO, 2005).
O tempo de duração total de descarga é conceituado como o intervalo de tempo entre o início da onda impulsiva e seu término ao se anular (VISACRO, 2005).
2.2.4 Forma de onda da corrente de descarga
O formato da onda de corrente ou tensão da descarga atmosférica define as características da descarga elétrica, traduzindo muitos de seus parâmetros. Atualmente, duas formas de onda são as mais aceitas nos meios científicos para representar a corrente de descarga atmosférica, sendo estas as seguintes (VISACRO, 2005):
Forma de onda pela curva do tipo dupla exponencial; Forma de onda pela curva de Heidler;
Por necessitar de mais dados sobre a corrente de descarga para a elaboração do equacionamento da forma de onda representada pela curva de Heidler, neste trabalho, serão utilizadas apenas formas de onda baseadas na curva do tipo dupla exponencial, podendo o leitor, caso haja interesse, pesquisar sobre a curva de Heidler nos trabalhos de Guedes (2004) e Khaled (2010).
Pela representação por uma curva de dupla exponencial, a onda impulsiva constitui-se na soma de duas ondas exponenciais de sinais contrários, de tal maneira que nos instantes iniciais as duas ondas têm a mesma amplitude, resultando em valor nulo para a soma
(VISACRO, 2005). Enquanto a onda positiva é atenuada lentamente no tempo, a onda negativa é rapidamente atenuada, resultando em uma soma com um aspecto de um pulso (VISACRO, 2005).
A descarga atmosférica pode ser representada por meio de uma onda do tipo dupla exponencial modelada utilizando as equações a seguir (AHMAD et al., 2008):
𝐴𝑠(𝑘∆𝑡) =𝐴0[𝑒−𝛼𝑘∆𝑡−𝑒−𝛽𝑘∆𝑡] 𝑒−𝛼𝑤−𝑒−𝛽𝑤 (2.1) 𝑤 =[ln ( 𝛼 𝛽) ] 𝛼 − 𝛽 (2.2) Onde:
𝐴𝑠 é a corrente da descarga no instante de tempo t (A); 𝐴0 é o valor de pico da corrente (A);
∆𝑡 é o passo de tempo (s); 𝑘 é o número do passo de tempo; 𝑇1 é o tempo de frente de onda (s); 𝑇2 é o tempo de meia onda (s);
𝛼 é o inverso do tempo de meia onda (1/ 𝑇2); 𝛽 é o inverso do tempo de frente de onda (1/𝑇1);
A Figura 4 exemplifica uma descarga atmosférica de valor de pico de 32 kA, tempo de frente de onda de 8 us e tempo de meia onda de 20 us.
Figura 4 – Gráfico da corrente impulsiva representada pela curva do tipo dupla exponencial
3 PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
Neste capítulo, é feito um resumo das quatro partes da norma NBR 5419:2015, explanando os principais aspectos de projeto de proteção contra descargas atmosféricas. São descritos os métodos de proteção por captores “Franklin” e pela gaiola de “Faraday”, abordando a utilização de componentes naturais da estrutura como partes integrantes do sistema de proteção. São feitas análises em relação à resposta do sistema de aterramento sob solicitações impulsivas das correntes de descargas atmosféricas.
3.1 A NBR 5419:2015
Desde o final de 2005, o texto da NBR 5419:2005, que trata da proteção contra descargas atmosféricas, vem sendo revisado no sentido de dar um maior detalhamento e recomendações para aprimorar a proteção. Baseando-se nos textos da segunda versão da norma IEC 62305 – Lightning Protection 1 a 4, a norma NBR 5419:2015 resultou em um texto mais elaborado tecnicamente, onde foram acrescentados vários assuntos, inexistentes na antiga versão.
Nos mesmos moldes que a IEC 62305, a NBR 5419:2015 está dividida em quatro partes, sendo elas denominadas da seguinte forma:
Parte 1: Princípios gerais; Parte 2: Gerenciamento de risco;
Parte 3: Danos físicos às estruturas e perigo à vida;
Parte 4: Sistemas elétricos e eletrônicos internos na estrutura;
A proteção contra descargas atmosféricas é formada por várias medidas de proteção. Por razões práticas, os critérios para projeto, instalação e manutenção das medidas de proteção são considerados em dois grupos (ABNT, 2015, Parte 1):
1) O primeiro grupo se refere às medidas de proteção para reduzir danos físicos e riscos à vida dentro de uma estrutura e está contido na ABNT NBR 5419-3; 2) O segundo grupo se refere às medidas de proteção para reduzir falhas de
sistemas elétricos e eletrônicos em uma estrutura e está contido no ABNT NBR 5419-4;
Na Figura 5, são ilustradas as conexões entre as partes da NBR 5419:2015. Serão feitas explanações resumidas sobre as quatro partes da norma em análise nas subseções que se seguem.
Figura 5 - Ilustração das conexões entre as partes da ABNT NBR 5419:2015
Fonte: adaptado de ABNT – Parte 1 (2015).
3.1.1 Parte 1: Princípios Gerais
A NBR 5419-1:2015 trata, em oito capítulos e cinco anexos, de forma genérica como deve ser feita a proteção contra descargas atmosféricas. Este segmento está vinculado ao desenvolvimento de conceitos e apresentação da teoria envolvida que é necessário para melhorar a compreensão do assunto, facilitando a confecção de estudos, projetos e análises técnicas. Para fins de proteção e suas distribuições estatísticas, na norma, são definidos os parâmetros mais relevantes das correntes das descargas, através das quais podemos estimar probabilidades de ocorrências de descargas, níveis de proteção do sistema e interações com a estrutura em função de vários parâmetros, como: valor de pico, carga elétrica, energia específica, taxas de subida e durações dos impulsos de corrente.
Essa primeira parte descreve os principais danos devido às descargas atmosféricas e seus efeitos. As fontes de danos a uma estrutura são classificadas de acordo com o ponto de impacto das descargas, podendo ser diretamente ou nas proximidades da estrutura, das linhas de serviços (tipicamente rede elétrica e telecomunicações) e tubulações metálicas que entram na estrutura.
São definidas as perdas em função das fontes e tipos de danos, associando as perdas e danos com os riscos. Esta primeira parte estabelece que a necessidade ou não de proteção contra descargas atmosféricas deve ser avaliada segundo a ABNT NBR 5419-2:2015, tendo em vista os riscos associados de perdas ou danos de valor social (vidas humanas, serviços ao público e patrimônio cultural) e econômico. Logo, a proteção contra descargas atmosféricas é necessária se o risco calculado for maior que o risco tolerado de referência da norma.
3.1.2 Parte 2: Gerenciamento de risco
A Parte 2 da ABNT NBR 5419:2015 traz o estudo de diversos parâmetros sobre a estrutura, seus arredores e das linhas elétricas que adentram a instalação, indicando as medidas de proteção da estrutura, das pessoas e dos equipamentos contra os efeitos perigosos das descargas atmosféricas fazendo com que os riscos fiquem dentro de valores toleráveis. Para saber se a estrutura necessita ou não de um Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA), o estudo é bem complexo e abrangente, iniciando pelas fontes de danos em que são consideradas as descargas que atingem diretamente a estrutura e as linhas elétricas interligadas com elas e também as descargas que atingem áreas próximas às estruturas e às linhas que entram na instalação. São considerados três tipos de danos: os ferimentos aos seres vivos, os danos físicos às estruturas e as falhas nos sistemas elétricos e eletrônicos (ABNT, 2015, Parte 2). Com isso, são considerados os seguintes tipos de perdas: perda de vidas humanas; perda de instalação de serviço ao público; perda de memória cultural; e perda de valor econômico (ABNT, 2015, Parte 2). Dessa forma, os riscos a serem avaliados em uma estrutura são (ABNT, 2015, Parte 2):
a) R1 - risco de perda de vida humana;
b) R2 - risco de perda de instalação de serviço ao público; c) R3 - risco de perda de memória cultural;
d) R4 - risco de perda de valor econômico;
Entende-se como risco, o valor de uma provável perda média anual de vida e bens devido às descargas atmosféricas, em relação ao valor total dos objetos a serem protegidos. Riscos esses que têm dependência do valor do número anual de descargas atmosféricas que influenciam a estrutura, da probabilidade de dano causado por uma das descargas atmosféricas que podem influenciar nesta estrutura e da quantidade média das consequentes perdas.
Ao se calcular estes riscos, os valores são comparados aos valores típicos toleráveis indicados na norma: perda de vida humana ou ferimentos permanentes (10–5 ); perda de serviço ao público (10–3 ) e perda de patrimônio cultural (10–4) (ABNT, 2015, Parte 2). Caso algum valor de risco ultrapasse o valor de referência tolerável, medidas de proteção adequadas devem ser implementadas para diminuir o valor do risco até que fique dentro do valor tolerável.
Para o cálculo de um determinado risco, vários componentes de risco devem ser avaliados (ABNT, 2015, Parte 2):
RA - componente relativo a ferimentos aos seres vivos causados por choque elétrico devido a tensões de passo e de toque em distâncias de até 3 m do lado de fora da estrutura;
RB - componente relativo a danos físicos causados por centelhamentos perigosos dentro da estrutura iniciando incêndio ou explosão, os quais podem também colocar em perigo o meio ambiente;
RC - componente devido à falha de sistemas internos causados por LEMPs (pulsos eletromagnéticos devido aos raios) por conta de descargas que atingem a estrutura;
RM - Falha de sistemas internos causada por LEMP devido às descargas que atingem áreas perto da estrutura;
RU - componente relativo a ferimentos aos seres vivos causados por choque elétrico por causa das tensões de toque e passo dentro da estrutura ocasionadas por descargas que atingiram a linha elétrica conectada a estrutura;
RV - Componente relativo a danos físicos (incêndio ou explosão iniciados por centelhamentos perigosos entre instalações externas e partes metálicas geralmente no ponto de entrada da linha na estrutura) devido à corrente da descarga atmosférica transmitida ao longo das linhas;
RW – Componente relativo a falhas de sistemas internos causados por sobretensões induzidas nas linhas que entram na estrutura e transmitidas a esta; RZ – Componente relativo a falhas de sistemas internos causados por sobretensões induzidas nas linhas que entram na estrutura e transmitidas a esta, geralmente em estrutura com risco de explosão, hospitais e outras com riscos de vida por falha de sistemas internos.
𝑅𝑥= 𝑁𝑥 × 𝑃𝑥 × 𝐿𝑥 , (3.1)
onde 𝑁𝑥 é o número de eventos perigosos. O 𝑁𝑥 é afetado pela densidade de descargas atmosféricas para a terra (Ng) e pelas características físicas da estrutura a ser protegida, da sua vizinhança, das linhas conectadas e do solo. 𝑃𝑥 é a probabilidade de dano e é afetada pelas características da estrutura a ser protegida, das linhas conectadas e das medidas de proteção existentes. Já a perda consequente 𝐿𝑥, é afetada pelo uso para o qual a estrutura foi projetada, a frequência das pessoas, o tipo de serviço fornecido ao público, o valor dos bens afetados pelos danos e as medidas providenciadas para limitar a quantidade de perdas (ABNT, 2015, Parte 2).
A Figura 6 descreve o processo realizado para decidir se há a necessidade da proteção e qual medida de proteção deverá ser selecionada:
Figura 6 - Diagrama do procedimento para decisão da necessidade da proteção e para selecionar as medidas de proteção
Dessa forma, as medidas de proteção, tais como a classe do SPDA instalado (I, II, III ou IV), as classes dos DPSs (Dispositivos de Proteção contra Surtos, classe 1, 2 ou 3), as formas de medidas de combate ao incêndio, as medidas para redução de tensões de toque e de passo e as formas de cabeamento e blindagens eletromagnéticas serão definidas de acordo com a análise de risco da estrutura sob estudo.
3.1.3 Parte 3: Danos físicos às estruturas e perigos à vida
Esta Parte da ABNT NBR 5419 trata da proteção, no interior e ao redor de uma estrutura, contra danos físicos e contra lesões a seres vivos devido às tensões de toque e de passo (ABNT, 2015, Parte 3). Considera-se que a principal e mais eficaz medida de proteção contra danos físicos é o SPDA (Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas) (ABNT, 2015, Parte 3). O SPDA é composto por dois sistemas de proteção: sistema externo e sistema interno.
O SPDA externo é destinado a (ABNT, 2015, Parte 3):
a) interceptar uma descarga atmosférica para a estrutura (por meio do subsistema de captação);
b) conduzir a corrente da descarga atmosférica para a terra de forma segura (por meio do subsistema de descida);
c) dispersar a corrente da descarga atmosférica na terra (por meio do subsistema de aterramento);
Já o SPDA interno é destinado a reduzir os riscos com centelhamentos perigosos dentro do volume a se proteger pelo SPDA externo, utilizando ligações equipotenciais ou distâncias de seguranças entre os componentes do SPDA externo e outros elementos eletricamente condutores internos à estrutura (ABNT, 2015, Parte 3).
Portanto, a norma trata da padronização das dimensões, dos tipos de materiais e de instalação, dos métodos de cálculo e de tudo o que envolve o SPDA externo, bem como parte do SPDA interno. Como exemplos, seguem outras informações abordadas por esta parte da ABNT NBR 5419-3:2015 para a realização de um bom projeto de proteção contra descargas atmosféricas:
Classe do SPDA;
Parâmetros que definem se os elementos da estrutura (elementos naturais) podem ou não fazer parte do sistema de proteção;
Métodos utilizados na determinação do posicionamento dos captores: método do ângulo de proteção, método da esfera rolante e método das malhas;
Valores típicos de distância entre os condutores de descida e entre os anéis condutores de acordo com a classe de SPDA;
Especificações de instalação e requisitos mínimos dos materiais para o subsistema de aterramento;
Parâmetros para equipotencialização entre os sistemas da instalação para evitar os centelhamentos perigosos;
Critérios para a Manutenção, Inspeção e documentação de um SPDA; Medidas de proteção contra tensões de toque e de passo;
3.1.4 Parte 4: Sistemas elétricos e eletrônicos internos na estrutura
A descarga atmosférica conduz uma corrente extremamente alta, liberando centenas de megajoules que podem ser suficientes para causar danos aos equipamentos eletrônicos existentes nas estruturas (ABNT, 2015, Parte 4). Para proteger esses equipamentos mais sensíveis aos surtos causados pelas descargas, medidas adicionais de proteção são necessárias.
Esta Parte da ABNT NBR 5419-4:2015 fornece informações para o projeto, instalação, ensaios, inspeção e manutenção de sistemas de proteção elétricos e eletrônicos que constituem as Medidas de Proteção contra Surtos (MPS) com o intuito de reduzir o risco de danos permanentes internos à estrutura devido aos impulsos eletromagnéticos de descargas atmosféricas que podem ser causados por meio de (ABNT, 2015, Parte 4):
a) Surtos conduzidos ou induzidos transmitidos pelos cabos conectados aos sistemas;
b) Os efeitos dos campos eletromagnéticos irradiados diretamente para os próprios equipamentos;
Esses surtos na estrutura podem se originar de fontes externas ou internas à própria estrutura (ABNT, 2015, Parte 4):
Surtos com origem externa à estrutura são criados por descargas atmosféricas que atingem as linhas entrando na estrutura, ou o solo próximo a elas, e são transmitidos aos sistemas elétricos e eletrônicos dentro da estrutura por meio destas linhas;
surtos com origem interna à estrutura são criados por descargas atmosféricas que atingem a própria estrutura ou o solo próximo a ela;
No impacto direto sobre a estrutura, é constatado tanto o acoplamento magnético, efeito entre um componente do SPDA e um condutor que corre paralelamente a ele, como também o acoplamento resistivo, efeito entre os condutores de proteção e as estruturas metálicas que são interligadas a esses componentes. Os surtos de tensão que ocorrem através de um acoplamento resistivo podem gerar descargas perigosas, pois contêm energia suficiente para iniciar um incêndio ou destruir equipamentos. O acoplamento resistivo entre as partes condutoras também provoca o aparecimento de tensões perigosas de passo e de toque (FINDER, 2012).
No caso do impacto indireto sobre a estrutura, falamos apenas do acoplamento magnético. Os surtos de tensão são gerados pelo campo magnético variante associado a corrente em alta frequência do raio que faz contato com as partes metálicas condutoras do edifício (FINDER, 2012).
Para o impacto direto sobre as linhas que adentram a estrutura, pode-se considerar que a corrente do raio é dividida igualmente em ambas as direções da linha atingida, onde ao passar pelo transformador, gera surtos de tensão no sistema de aterramento. Já para o impacto indireto sobre as linhas, os surtos de tensão induzidos não tem energia suficiente para iniciar um incêndio, mas podem destruir os equipamentos mais sensíveis (FINDER, 2012).
A proteção contra LEMP é baseada na concepção de zonas de proteção contra raios (ZPR). Esta concepção garante uma redução gradual dos estágios de energia e das sobretensões causadas por descargas atmosféricas ou chaveamentos que ocorrem em um sistema desprotegido. Ele consiste em dividir a instalação em diversos volumes: as zonas de proteções. Cada ZPR é caracterizada por um nível máximo de ruído eletromagnético, um nível máximo de sobretensão e um nível máximo de corrente de surto admissível. Estes níveis máximos são especificados de acordo com as características elétricas dos dispositivos presentes nesta zona de proteção. Esta concepção de proteção por zona garante que os efeitos causados pela descarga direta e indireta sejam reduzidos por degraus na mudança entre as zonas de proteção. Para isto, é necessária a instalação de um DPS específico em cada transição de zona, ou seja, cada vez que é instalado um DPS, há a criação de uma nova zona de proteção (ABNT, 2015, Parte 4).
A Figura 7 retrata um exemplo do LEMP causado pelo impacto direto da descarga atmosférica em uma estrutura, mostrando as respectivas zonas de proteção ZPR 0, ZPR 1 e ZPR 2, que são adotadas de acordo com os critérios já mencionados.
Figura 7 - Diagrama de uma MPS usando um sistema coordenado de DPS por zonas de proteção
Fonte: adaptado de Abnt (2015, Parte 4).
O sistema de aterramento é de suma importância nas medidas de proteção contra surtos, pois é necessário para reduzir a diferença de potencial entre as partes metálicas e os sistemas dentro de um ambiente que se deseja proteger contra descargas atmosféricas. Essa redução só é efetiva com a equipotencialização, através de uma ligação de baixa impedância, dos equipamentos, utilizando cabos ou a própria malha de aterramento. Mesmo em casos de descargas atmosféricas diretas, o potencial de toda a instalação será elevado uniformemente, fazendo com que não ocorram diferenças de potenciais significativas dentro da instalação (FINDER, 2012).
3.2 Métodos de proteção
Segundo Visacro (2005), “Fundamentalmente existem duas filosofias distintas de proteção de estruturas, cada qual implementada por uma diferente técnica de proteção: a Proteção através de Captores tipo Franklin e a Proteção por Gaiola de Faraday”.
Qualquer que seja o método de proteção escolhido, um sistema de proteção tem três subsistemas de componentes, a saber:
a) Subsistema de captores: consistem em elementos metálicos que tem a função de receber os raios, reduzindo ao mínimo a probabilidade da estrutura ser atingida diretamente por eles.
b) Subsistema de Descidas: tem a função de conduzir a corrente do raio recebida pelos captores até o aterramento, reduzindo ao mínimo a probabilidade de descargas laterais e de campos eletromagnéticos perigosos no interior da estrutura.
c) Subsistema de Aterramento: eletrodos metálicos enterrados no solo com a função de dispersar a corrente recebida dos condutores de descida, reduzindo ao mínimo a probabilidade de tensões de toque e de passo perigosas.
Esses componentes metálicos dos subsistemas citados devem ter a capacidade térmica e mecânica suficiente para suportar o aquecimento produzido pela passagem da corrente, bem como os esforços eletromecânicos resultantes e, principalmente, devem ter uma boa suportabilidade à corrosão.
A principal diferença entre os dois tipos de sistemas de proteção é o princípio de atuação, determinando diferentes topologias para a instalação de seus componentes. Para a escolha de qual tipo de sistema adotar, é levado em consideração, principalmente, a geometria da edificação, pois esta fornece as características quanto as dificuldades de implementação de cada sistema, quanto à eficiência e custo deste (VISACRO, 2005).
3.2.1 Método “Franklin”
Este método é baseado na interceptação das descargas descendentes que se aproximam da estrutura pelas descargas ascendentes iniciadas a partir dos captores instalados no sistema de proteção (VISACRO, 2005). Esses captores devem ser metálicos, podendo ser compostos por hastes, mastros ou outros componentes com geometrias semelhantes, devendo ser instalados na posição vertical ou inclinados, na parte superior das estruturas, de tal forma a garantir uma zona de proteção para a edificação. A proposta inicial, feita por Benjamin Franklin, de um terminal pontiagudo ser o melhor captor por aproveitar o efeito das pontas não está correta, sendo um arredondado mais eficaz, contudo a diferença da forma do terminal é desprezível em termos práticos, importando mais o posicionamento do captor (LEITE et al., 2001). No caso da incidência de uma descarga atmosférica, os condutores de descida que estão conectados aos captores distribuem e direcionam a corrente de descarga para os eletrodos do subsistema de aterramento.
A zona de proteção pode ser determinada por dois métodos: método do ângulo de proteção e método da esfera rolante. O primeiro se baseia em ângulos dados por norma em que é criado um volume de proteção propiciado por um cone, cujo ângulo da geratriz com a vertical muda de acordo com o nível de proteção estabelecido no gerenciamento de risco. A Figura 8 demonstra o volume de proteção que é definido pela forma de um cone circular, cujo vértice está posicionado no eixo do mastro. O método da esfera rolante será descrito na subseção 3.2.2, onde trataremos da metodologia de proteção da “Gaiola de Faraday”.
Figura 8 – Ilustração do volume de proteção provido por um mastro
Fonte: adaptada de Abnt (2015, Parte 3).
3.2.2 Método da “Gaiola de Faraday”
Este método, que é um dos mais utilizados atualmente, é baseado nas experiências desenvolvidas por Faraday, nas quais o campo elétrico no interior de uma gaiola metálica é nulo, estando um corpo envolvido por essa gaiola isento do percurso da corrente de descarga (VISACRO, 2005). Porém o campo é considerado nulo somente no centro da gaiola, já nas
proximidades, um campo poderá dar origem a tensões induzidas em condutores das instalações elétricas que estejam paralelos e próximos à gaiola (LEITE et al., 2001).
A proteção consiste na instalação de um sistema de captores formados por condutores horizontais dispostos pelo perímetro e sobre as laterais da superfície superior da estrutura, onde serão feitos reticulados com fechamentos das malhas. Desses captores, são derivadas várias descidas, preferencialmente nas quinas, onde cada descida se conecta ao anel de aterramento no solo ao redor da edificação. As dimensões máximas dos reticulados são definidas pela NBR 5419:2015 de acordo com o nível de proteção desejado. Quanto menor for a distância entre os condutores da malha captora, mais eficaz será a proteção.
A zona de proteção para a “Gaiola de Faraday” pode ser verificada por dois métodos: método da esfera rolante e pelo método das malhas. O primeiro analisa o adequado posicionamento do subsistema de captação ao verificar se nenhum ponto da estrutura a ser protegida entra em contato com uma esfera fictícia rolando ao redor e no topo em todas as direções possíveis da estrutura (ABNT, 2015, Parte 3). O raio dessa esfera é dado pela norma NBR 5419:2015 de acordo com a classe do SPDA instalado. A Figura 9 mostra a utilização do método da esfera rolante na verificação da proteção de estruturas, de tal forma que a esfera ao rolar pela edificação, só poderá tocar no subsistema de captação. Observa-se que para estrutura com uma altura maior que 60 metros, deverá ser instalado um complemento da malha nas laterais da parte superior para que seja evitado a incidência de descargas nesses pontos.
O método das malhas consiste em alguns requisitos que ao serem seguidos, dispensa a necessidade de avaliação pelo método da esfera rolante (ABNT, 2015, Parte 3):
a) Condutores captores deverão ser instalados na periferia e nas saliências da cobertura da estrutura, sendo instalados nas cumeeiras dos telhados se a inclinação exceder 10 % do comprimento;
b) As dimensões de malha não podem ser maiores que os valores encontrados na Tabela 2 de Abnt (2015, Parte 3);
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;
Figura 9 - Ilustração da utilização do método da esfera rolante na análise do posicionamento da malha captora
Fonte: adaptada de Abnt (2015, Parte 3).
3.3 Componentes naturais do SPDA
Para o caso de edificações com estruturas metálicas, como: telhas, colunas, armaduras de aço interconectadas estruturando o concreto armado, vigamentos metálicos, ferragens das fundações da estrutura etc., é recomendável, pela NBR 5419:2015, a utilização dessas próprias partes metálicas na interação com a captação do raio e/ou sua condução à terra, passando a serem chamadas de componentes naturais do SPDA. Lembrando que para tais componentes poderem ser utilizados, devem-se cumprir os requisitos específicos da norma em questão.
Existe a preocupação, entre os engenheiros, em relação à utilização das colunas metálicas como descida natural, devido ao perigo das tensões de toque e ao aquecimento das ferragens estruturais que podem causar a fusão do aço e o afrouxamento das armações. Segundo Leite et al. (2001), a preocupação com as tensões de toque é infundada, visto que a indutância das colunas é muito baixa e por isso os potenciais serão desprezíveis. Em relação ao problema do aquecimento das ferragens, a norma NBR 5419:2015 recomenda o uso de um
cabo ou barra de aço adicional nos pilares da edificação, objetivando concentrar, nesse condutor, a maior parte da parcela da corrente impulsiva (ABNT, 2015, Parte 3). Porém, experimentalmente, essa prática demonstrou não ser muito eficaz devido ao efeito pelicular da descarga em alta frequência, fazendo com que a corrente tenda a fluir pelas ferragens periféricas que constituem os condutores estruturais da edificação (VISACRO, 2005).
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 por meio de ensaios (ABNT, 2015, Parte 3). Devido às suas características higroscópicas, o concreto que encapsula as ferragens das fundações absorve a umidade e por isso possui um valor reduzido de resistividade (da ordem de 300 a 400 Ω.m), caracterizando um aterramento de boa qualidade e por muitas vezes, dependendo da alta resistividade do solo, como uma resistência de aterramento inferior ao anel feito com os cabos de cobre enterrados no solo de um SPDA convencional (VISACRO, 2005).
3.4 Aterramento sob solicitações impulsivas
O aterramento elétrico é de suma importância para manter a integridade física de uma instalação e das pessoas no caso de uma descarga atmosférica direta ou indireta na edificação. Quando solicitado por correntes impulsivas, advindas da incidência de descargas atmosféricas, o aterramento apresenta um comportamento, na maior parte das situações, bastante distinto daquele observado frente a correntes de baixa frequência (VISACRO, 2007). Entre os efeitos de maior interesse do desempenho de um sistema de aterramento, estão os potenciais de passo e de toque produzidos pela incidência das DAs ou correntes de fuga da instalação. Os parâmetros de referência de tais potenciais, calculados para sistemas de aterramento considerando baixas frequências (50 ou 60 Hz), podem ser excedidos no período transitório de um impulso elétrico como na ocorrência de uma descarga atmosférica (GAZZANA et al., 2010).
As respostas transitórias dos eletrodos de aterramentos podem ser definidas por dois períodos básicos (SILVA et al., 2012): Período Dinâmico (PD) e Período Permanente (PP). No PD, os efeitos associados aos fenômenos de alta frequência, como a tensão induzida, são acentuados. Nesse caso, o aterramento é melhor representado por uma impedância (Z) (SILVA et al., 2012). No PP, o comportamento do aterramento é caracterizado pelo parâmetro de baixa frequência R (resistência de aterramento) (SILVA et al., 2012). A Figura 10
apresenta um gráfico de impedância transitória em função do tempo para um eletrodo horizontal de aterramento de 30 m, enterrado a 0,5 m de profundidade em um solo de resistividade de 500 Ω.m e submetido a uma corrente impulsiva, com tempos de frente e de cauda, respectivamente, de 1,2 μs e de 50 μs (SILVA et al., 2012).
Figura 10 - Gráfico da impedância transitória de aterramento de um eletrodo horizontal
Fonte: adaptado de Silva et al. (2012).
Um importante conceito em relação ao aterramento para correntes impulsivas é o Comprimento Efetivo , que corresponde a um comprimento limite do eletrodo de aterramento ao qual o aumento do mesmo não implica na redução da impedância impulsiva (SILVA et al., 2012). Este comportamento é explicado pelo fato de que além deste comprimento, os componentes de alta frequência das correntes (associadas à frente da onda) foram tão atenuados que o comprimento adicional do eletrodo, praticamente não mais contribui para dispersão de corrente para o solo (VISACRO, 2007).
A Figura 11 apresenta os resultados de simulação da impedância impulsiva Z e da resistência de aterramento R de eletrodos horizontais para comprimento L dentro da faixa de 5 a 90 m. São considerados três valores de resistividade: 100, 500 e 1000 Ω.m (SILVA et al., 2012).
Figura 11 - Gráfico da Resistência de aterramento R e impedância impulsiva Z em função do comprimento do eletrodo em solos de resistividade diferente
Fonte: adaptado de Silva et al. (2012).
De acordo com a Figura 11, tanto a resistência como a impedância de aterramento apresentam valores mais elevados para os solos com uma maior resistividade. O aumento do comprimento do eletrodo acarreta uma redução contínua da resistência e uma diminuição da impedância impulsiva até se alcançar o comprimento efetivo. Com isso podemos observar que a impedância impulsiva do aterramento é igual à resistência de aterramento até o comprimento efetivo do eletrodo, sendo a resistência sempre menor para os comprimentos maiores. O Comprimento efetivo depende basicamente do tempo de frente da onda de corrente e da resistividade do solo, crescendo proporcionalmente com o aumento dessas duas grandezas (SILVA et al., 2012).
Outro fenômeno importante na análise do aterramento é a ionização do solo. Se o campo elétrico produzido na vizinhança e ao longo do eletrodo de aterramento for superior a certo valor crítico, ocorre a ruptura do dielétrico do solo até uma determinada distância radial (GAZZANA et al., 2010). Quando o valor do campo elétrico crítico é excedido, são criados canais de disrupção no solo, onde nessa região de arcos, a resistividade elétrica diminui de seu valor original, ocasionando a diminuição da impedância de aterramento (GAZZANA et al., 2010).
É importante que os comportamentos do sistema de aterramento, frente a uma descarga atmosférica, sejam simulados por modelos apropriados para fornecerem os dados necessários para a elaboração de projetos de malhas de terra mais eficientes.
4 DANOS CAUSADOS PELAS DESCARGAS ATMOSFÉRICAS NOS SERES HUMANOS
Neste capítulo, são apresentados os principais acidentes associados às tensões de toque e de passo ao qual uma pessoa pode sofrer ao ser afetado por uma descarga atmosférica. É realizado um estudo sobre os principais parâmetros da corrente e do corpo humano que influenciam nos efeitos de um choque elétrico. São referenciadas as principais normas e estudos que tratam das condições de segurança e dos limites de corrente elétrica suportados pelo corpo humano sem provocar a fibrilação ventricular e a morte. Por fim, medidas de proteção contra acidentes devido às tensões de toque e de passo são apresentadas.
4.1 Acidentes típicos associados às descargas atmosféricas
As mortes ou danos causados aos seres humanos, pela incidência das descargas atmosféricas, são caracterizados de acordo de como essas descargas interagem com o corpo devido ao fluxo de corrente induzida. De acordo com Visacro (2005), tais acidentes podem ser de dois tipos: os associados à incidência direta de descargas e aqueles onde a corrente é transmitida por uma tensão induzida de uma incidência próxima. Dentro desses tipos, de forma mais específica, há sete maneiras diferentes que uma pessoa pode ser afetada por descargas atmosféricas: por descarga direta (direct strike), descarga lateral (side flash), tensão de toque (touch voltage), tensão de passo (step voltage), descargas para múltiplos pontos (subsequent stroke), descarga dos líderes de conexão (connecting leaders) e por ondas de choques (shock waves) (COORAY et al., 2007). Neste trabalho, serão analisados os efeitos relacionados às tensões de toque e de passo.
4.1.1 Tensão de toque
Pode ser entendida como a diferença de potencial entre um ponto da estrutura da edificação, situado ao alcance da mão de uma pessoa, e um ponto no piso situado a 1 metro da base da estrutura (KINDERMANN; CAMPAGNOLO, 1995). Por estar em contato direto com uma superfície que constitui um eventual caminho para a corrente impulsiva, uma parte da corrente pode ser drenada para o solo através do corpo da vítima, ficando a severidade do acidente condicionada a intensidade da corrente e o tempo do surto (VISACRO, 2005). A
Figura 12 ilustra o potencial de toque ao qual é submetida uma pessoa e as resistências envolvidas, onde:
𝑅𝑐ℎ - Resistência interna considerada do corpo humano (Ω); 𝑅𝑐 – Resistência de contato com o solo (Ω);
𝐼𝑐ℎ𝑜𝑞𝑢𝑒 – Intensidade da corrente percorrida no corpo (A); 𝑅1 𝑒 𝑅2 – Resistências dos trechos de terra considerados (Ω);
Figura 12 - Ilustração de uma pessoa submetida à Tensão de Toque
Fonte: adaptada de Kindermann; Campagnolo (1995).
Para exemplificar os riscos derivados da tensão de toque induzida nas estruturas durante a ocorrência de um raio, tem-se um caso fatal ocorrido em uma residência na cidade de Belo Horizonte, localizada em meio rural, onde a descarga atingiu o telhado da casa e fluiu pelas paredes ao solo (VICENTE, 2010). Infelizmente, houve uma vítima fatal, pois no momento da incidência do surto, uma senhora se encontrava com uma das mãos sobre a janela do piso superior. A sua morte foi provocada pela corrente impulsiva que circulou pelo seu corpo ao ser submetido pela tensão de toque entre o beiral da janela e o piso (VICENTE, 2010).
4.1.2 Tensão de passo
É a diferença de potencial existente entre os dois pés de uma pessoa em contato com uma superfície (KINDERMANN; CAMPAGNOLO, 1995). Ao incidir uma descarga atmosférica em estruturas ou diretamente no solo, a corrente injetada se distribui no meio, promovendo uma elevação de potencial do solo e formando linhas equipotenciais na sua superfície (VISACRO, 2005; KINDERMANN; CAMPAGNOLO, 1995). A Figura 13 ilustra uma pessoa submetida à tensão de passo após a incidência de um raio no solo, pois os seus pés se encontram em linhas equipotenciais diferentes, podendo ocorrer o circulação de uma corrente elevada pelo seu corpo e, com isso, ocasionar uma parada cardiorrespiratória pela fibrilação do coração (VISACRO, 2005; KINDERMANN; CAMPAGNOLO, 1995). De acordo com Nayel et al. (2006), quanto maior for a resistividade do solo, maiores serão as tensões de passo. Para diminuir as diferenças de potencias em solos muito resistivos, recomenda-se que os eletrodos da malha de aterramento sejam enterrados o mais profundo possível, principalmente se a resistividade da camada inferior do solo for menor (COORAY et
al., 2007).
Figura 13 - Ilustração da tensão de passo originada pela incidência de um raio no solo
Fonte: adaptada de Kindermann; Campagnolo (1995).
4.2 Critérios de segurança
Para análise, dentre os efeitos e sintomas relativos a um choque elétrico pela tensão de toque ou de passo no ser humano, a fibrilação ventricular é o mais importante a ser considerado, pois pode ser letal (KINDERMANN, 1990). As principais normas que tratam das condições de segurança e dos limites de corrente elétrica suportados pelo corpo humano, sem provocar a fibrilação do coração, são a IEEE Std 80 e a IEC série 60479.
Ventrículos são as câmaras do coração responsáveis pelo bombeamento e circulação sistémica do sangue no corpo, formadas por fibras musculares de densidade e espessura diferentes que estão superpostas de maneira estratificada em camadas distintas, onde cada camada tem sua própria frequência mecânica natural de ressonância (KINDERMANN, 1990). Ao passar por essas camadas, a corrente elétrica produz vibrações distintas, ocasionando o estado de tremulação irregular e desritmada das paredes dos ventrículos e a consequente perda da eficiência do bombeamento do sangue para o corpo (KINDERMANN, 1990). Como a fibrilação ventricular é irreversível espontaneamente, caso nenhuma ação de socorro seja tomada dentro de quatro minutos, os danos cerebrais são comprometedores, e passando desse tempo começa a caracterização de uma parada cardíaca e o consequente óbito da pessoa (KINDERMANN, 1990).
Os efeitos das perturbações no organismo humano quando este é percorrido por uma corrente elétrica dependem (KINDERMANN; CAMPAGNOLO, 1995):
Do percurso da corrente elétrica pelo corpo; Da intensidade da corrente elétrica;
Do tempo de duração do choque elétrico; Da forma de onda da corrente elétrica; Da frequência da corrente elétrica; Da tensão elétrica;
Do estado de umidade da pele;
Das condições orgânicas do indivíduo.
Os seres humanos são bastante vulneráveis aos efeitos da corrente elétrica em frequências de 50 e 60 Hz, onde aproximadamente 0,1 A através do corpo pode ser letal (IEEE, 2000). Para frequências mais baixas o corpo humano pode suportar valores maiores de corrente, chegando a tolerar, em corrente contínua, aproximadamente cinco vezes mais do que na frequência industrial (IEEE, 2000). Já para frequências de 3 kHz até 10 kHz, correntes de
