ANÁLISE E PROPOSTA DE ADEQUAÇÃO DA PROTEÇÃO CONTRA
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS DO IFBA – CAMPUS DE PAULO
AFONSO CONFORME A NORMA ABNT NBR 5419:2015
ADAILTON LUCAS GALINDO DE ANDRADE
Paulo Afonso 2017
INSTITUTO FEDERAL DE EDUCAÇÃO, CIÊNCIA E TECNLOGIA DA BAHIA DEPARTAMENTO DE ENSINO
ADAILTON LUCAS GALINDO DE ANDRADE
ANÁLISE E PROPOSTA DE ADEQUAÇÃO DA PROTEÇÃO CONTRA
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS DO IFBA – CAMPUS DE PAULO
AFONSO CONFORME A NORMA ABNT NBR 5419:2015
Trabalho de Conclusão de Curso (TCC) apresentado ao Instituto Federal da Bahia - IFBA, como requisito para a obtenção do título de Bacharel em Engenharia Elétrica. Orientadora: Prof.º MSc. Danielle Bandeira de M. Delgado
Paulo Afonso 2017
BIBLIOTECA CENTRAL DA FASETE – Paulo Afonso - BA A565a Andrade, Adailton Lucas Galindo de.
Análise e proposta de adequação da proteção contra descargas atmosféricas do IFBA-Campus de Paulo Afonso conforme a norma ABNT NBR 5419:2015.
/Adailton Lucas Galindo de Andrade. Paulo Afonso – BA: 2017. 91f. il.
Orientadora: MSc. Danielle Bandeira de M. Delgado. Monografia (Graduação) – Instituto Federal da Bahia/IFBA.
Curso: Bacharelado em Engenharia Elétrica.
1. Gerenciamento de risco 2. PDA 3. Descargas atmosféricas 4. Danos físicos I. Título
TERMO DE APROVAÇÃO
ADAILTON LUCAS GALINDO DE ANDRADE
ANÁLISE E PROPOSTA DE ADEQUAÇÃO DA PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS DO IFBA – CAMPUS DE PAULO AFONSO
CONFORME A NORMA ABNT NBR 5419:2015
Monografia apresentada ao curso de Engenharia Elétrica, do Instituto Federal da Bahia, como requisito à obtenção do título de graduação.
Aprovada em _____ de __________________ de 2017.
BANCA EXAMINADORA:
_________________________________________________ Prof.ª MSc. Danielle Bandeira de M. Delgado
_________________________________________________ Prof.° MSc. Lucas Tenório de Souza Silva
_________________________________________________ Prof.° Esp. Saulo Farias Alves
AGRADECIMENTOS
Primeiramente sou grato a Deus por sempre me fortalecer e ter me concebido a determinação suficiente para conquistar os meus sonhos e objetivos.
Agradeço à minha orientadora, Danielle Bandeira de M. Delgado, pela paciência e ensinamentos transmitidos, além dos puxões de orelha quando o prazo do trabalho apertava.
Também agradeço ao professor Lucas Tenório de Souza Silva pela disposição e comprometimento durante este trabalho.
Sou grato à minha família, que além de terem moldado os meus valores, confiam e incentivam as minhas decisões.
Agradeço aos meus amigos, em especial à Patrícia, Bruna, Arthur, Eduardo e Sávio, que sempre estiveram ao meu lado, e fizeram toda essa fase da minha vida mais divertida.
Não poderia esquecer-me da minha namorada, Bárbara Lima Tavares, ou carinhosamente, Binha, que me acompanhou, acalmou e incentivou durante esse tempo, me fazendo sentir especial e recuperar a motivação quando o cansaço e a frustração me perseguiam.
Agradeço aos funcionários e professores do campus pela disposição para auxiliar no trabalho.
E finalmente, gostaria de agradecer aos meus colegas e amigos de curso, que me acompanharam durante estes anos. Em especial, agradeço ao meu amigo e mestre dos mestres, Francisco Jadilson, que me auxiliou durante todo este trabalho, principalmente durante a coleta de dados e informações, e ao meu colega e amigo, Fabiano Almeida, que me ajudou com a escrita do abstract deste trabalho.
RESUMO
A extensão territorial, assim como algumas peculiaridades físicas e climatológicas fazem do Brasil um dos países com maior incidência de descargas atmosféricas, tendo seu território atingido por aproximadamente 100 milhões de raios anualmente. Tais eventualidades têm como consequências danos físicos as pessoas e estruturas das edificações. Como exemplo, podem ser citados: incêndios em florestas e residências, morte de pessoas e animais, e danos a sistemas, ocasionando: colapsos nas redes de transmissão e distribuição de energia elétrica, prejuízos nos sistemas de telefonia e telecomunicações, dentre outras perdas. Este trabalho objetiva avaliar a Proteção contra Descargas Atmosféricas (PDA) do IFBA - Campus de Paulo Afonso, utilizando uma ferramenta desenvolvida para otimizar os cálculos do gerenciamento de risco e tendo como base bibliográfica a norma ABNT NBR 5419:2015, cuja atualização ocorreu depois da execução do projeto existente. Para a composição da metodologia, os dados utilizados foram coletados a partir da observação direta intensiva acerca da localização, estrutura física, instalações elétricas, entre outros, necessários para o projeto e cadastramento da proteção, sendo estes aplicados à planilha para obter o resultado da análise de risco. Além da existência de não conformidades no Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas atual, o resultado do gerenciamento de risco comprovou que a PDA da estrutura precisa ser atualizada, tanto no que se refere à eliminação das irregularidades, quanto na adoção de um sistema coordenado de Dispositivos de Proteção contra Surtos (DPS) para reduzir o risco a um valor tolerável.
Palavras-chave: Gerenciamento de risco, PDA, Descargas atmosféricas, Danos
ABSTRACT
Territorial extension and some other physical and climatological peculiarities makes Brazil one of the countries with highest atmospheric discharges incidence, having its territory reached by approximately 100 million lightning annually. Such eventualities bring as consequence physical damage to people and buildings structures. As example it can be considered: forest and residential fires, people and animals death and damage to systems, leading to: transmission and distribution networks collapsing, telephone and telecommunications systems losses, inter alia. This work aims to evaluate the Protection against Atmospheric Discharge (PAD) used in IFBA - Campus of Paulo Afonso, using a tool developed to optimize risk management calculations based on ABNT NBR 5419: 2015 standard, which was updated after the existing project execution. Methodology composition was based on the data collected at an intensive and direct observation of the location, physical structure, electrical installations, inter alia, that were necessary to the project analysis and registration of the protection, being applied on the worksheet to structure the risk analysis result. In addition to nonconformities existence in the installed Atmospheric Discharge Protection System, the risk management analysis proved that the structure PAD needs to be updated, both regarding to irregularities elimination, and in the adoption of a coordinated system of Surge Protective Device (SPD) to reduce the risk to a tolerable value.
LISTA DE FIGURAS
Figura 1 - Distribuição de cargas elétricas no interior de uma nuvem. ... 14
Figura 2 - Formação de uma descarga atmosférica. ... 14
Figura 3 - Morte de animais próximos a uma árvore que foi atingida por raio. ... 17
Figura 4 - Danos à estrutura de uma mansão após a incidência direta de um raio... 17
Figura 5 - Ruptura de tentos em cabos OPGW devido a incidência de descarga. .... 18
Figura 6 - Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas. ... 23
Figura 7 - Componentes do subsistema de Captação: (a) captor Franklin com mastro; e (b) condutor em malha. ... 24
Figura 8- Ângulo de proteção correspondente à classe de SPDA. ... 25
Figura 9 - Volume de proteção provido por um mastro. ... 26
Figura 10 - Projeto do subsistema de captação conforme o método da esfera rolante. ... 27
Figura 11 - Volume de proteção de um captor vertical quando a altura do captor é: (a) menor que o raio R da esfera rolante; (b) maior que o raio R da esfera rolante. ... 27
Figura 12 - Subsistema de captação método da gaiola de Faraday. ... 28
Figura 13 - Componentes do subsistema de Descida. ... 29
Figura 14 - Componentes do subsistema de aterramento: (a) Haste com cabo de cobre e grampo em caixa de inspeção; (b) condutores de cobre formando uma malha de aterramento. ... 30
Figura 15 - Esquemas de aterramento conforme a ABNT NBR 5410:2004: (a) TN-S; (b) TN-C-S; (c) TN-C; (d) TT; (e) TT; (f) IT A; (g) IT B; (h) IT B.1; (i) IT B.2; (j) IT B.3. ... 31
Figura 16 - Comprimento mínimo l1 do eletrodo de aterramento de acordo com a classe do SPDA... 33
Figura 17 - Rede de equipotencialização interligada com o subsistema de aterramento. ... 36
Figura 18 - Diagrama básico de ligação de um DPS trifásico. ... 37
Figura 19 - Coordenação entre DPS Classe I, Classe II e Classe III. ... 39
Figura 20 - Áreas de exposição equivalentes (AD, AM, AI, AL) ... 51
Figura 21 - Tabela B.2 da norma ABNT NBR 5419:2015: (a) original; e (b) após a modificação. ... 52
Figura 22 - Layout inicial com as primeiras informações solicitadas. ... 53
Figura 23 – Opção quanto a existência de uma estrutura Adjacente. ... 54
Figura 24– Opção quanto a quantidade de linhas conectadas à estrutura ou à zona. ... 54
Figura 25 - Opção quanto a necessidade de calcular os riscos R3 e R4. ... 55
Figura 26 - Relação entre a opção quanto a presença de animais na estrutura e o risco R4. ... 55
Figura 27 – Relação entre a opção quanto ao risco de explosão ou de uma falha dos sistemas internos imediatamente colocar em perigo a vida humana e o risco R1. .... 56
Figura 28 – Comentários para auxiliar o projetista na inserção das informações. .... 56
Figura 29 - Memorial de cálculo. ... 57
Figura 30 - Resultado do Gerenciamento de Risco e quantidade de zonas. ... 58
Figura 31 - Estrutura completa do IFBA - Campus de Paulo Afonso. ... 59
Figura 32 - Zona 1: Prédio principal. ... 59
Figura 33 – (a) Zona 2: Laboratório de química; (b) Zona 3: Biblioteca. ... 60
Figura 34 - Zona 4: Prédio da cantina. ... 61
Figura 35 - Zona 5: Prédio anexo. ... 62
Figura 36 - Zona 6: Casa de bombas. ... 62
Figura 37 - Zona 7: Quadra poliesportiva. ... 63
Figura 38 - Cadastramento do SPDA atual. ... 67
Figura 39 - Área de exposição equivalente por zona da estrutura. ... 69
Figura 40 - Raio do volume de proteção de acordo com o NP IV para o método do ângulo de proteção. ... 69
Figura 41 - Linhas que adentram a estrutura do IFBA: (a) energia elétrica; (b) sinal e telefonia. ... 70
Figura 42 - Resultado do Gerenciamento de Risco. ... 71
Figura 43 - Componentes de risco que mais influenciaram no valor do gerenciamento de risco para: (a) Z1; (b) Z5. ... 73
Figura 44 - Resultado do Gerenciamento de Risco com as novas MPS. ... 74
Figura 45 - Não conformidades existentes no atual SPDA. ... 75
LISTA DE QUADROS
Quadro 1 - Valores máximos dos raios da esfera rolante, tamanho da malha e ângulo
de proteção correspondente a classe do SPDA. ... 25
Quadro 2 - Valores típicos de distância entre os condutores de descida e entre os anéis condutores de acordo com a classe de SPDA. ... 29
Quadro 3 – Informações gerais da estrutura ... 63
Quadro 4 – Informações da zona ... 64
Quadro 5 - Informações da linha ... 64
Quadro 6 - Dados gerais da estrutura do IFBA ... 84
Quadro 7 - Dados gerais de Z1 - Prédio principal. ... 84
Quadro 8 - Dados das linhas de Z1 - Prédio principal. ... 85
Quadro 9 - Dados gerais de Z2 - Laboratório de química. ... 86
Quadro 10 - Dados das linhas de Z2 - Laboratório de química. ... 86
Quadro 11 - Dados gerais de Z3 - Biblioteca. ... 87
Quadro 12 - Dados das linhas de Z3 - Biblioteca. ... 87
Quadro 13 - Dados gerais de Z4 - Prédio da cantina. ... 88
Quadro 14 - Dados das linhas de Z4 – Prédio da cantina. ... 88
Quadro 15 - Dados gerais de Z5 - Prédio anexo. ... 89
Quadro 16 - Dados das linhas de Z5 – Prédio anexo. ... 89
Quadro 17 - Dados gerais de Z6 - Casa de bombas. ... 90
Quadro 18 - Dados da linha de Z6 – Casa de bombas. ... 90
Quadro 19 - Dados gerais de Z7 - Quadra poliesportiva. ... 91
SUMÁRIO
1. INTRODUÇÃO ... 11
2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA ... 13
2.1 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS ... 13
2.1.1 Formação dos raios ... 13
2.1.2 Efeitos nocivos ... 15
2.2 NORMAS E LEGISLAÇÃO VIGENTE ... 18
2.2.1 ABNT NBR 5419:2015 ... 19
2.2.1.1 Atualização e principais modificações na norma ... 19
2.2.2 ABNT NBR 5410:2004 ... 21
2.2.3 NR 10 ... 21
2.3 PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS (PDA) ... 22
2.3.1 Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) ... 22
2.3.1.1 Subsistema de captação ... 23
2.3.1.2 Subsistema de descida ... 28
2.3.1.3 Subsistema de aterramento ... 30
2.3.1.4 Componentes naturais de SPDA ... 33
2.3.2 Medidas de Proteção contra Surtos causados por LEMP (MPS) ... 34
2.3.2.1 Aterramento e equipotencialização... 35
2.3.2.2 Blindagem magnética e roteamento das linhas ... 36
2.3.2.3 Coordenação de DPS ... 37
2.3.2.4 Interfaces isolantes ... 39
3. MATERIAIS E MÉTODOS ... 39
3.1 METODOLOGIA ADOTADA ... 39
3.2 PLANILHA DE GERENCIAMENTO DE RISCO ... 41
3.3.2 Construção ... 51
3.3.3 Divisão do campus em zonas ... 58
3.3.4 Coleta de dados ... 63
4. RESULTADOS E DISCUSSÕES ... 65
4.1 CADASTRAMENTO DO ATUAL PROJETO DO CAMPUS ... 65
4.2 RESULTADO DO GERENCIAMENTO DE RISCO DO IFBA – CAMPUS DE PAULO AFONSO ... 68
4.3 PROPOSTA DE PROJETO A PARTIR DO RESULTADO DO GERENCIAMENTO DE RISCO ... 72
4.3.1 Modificações que atendem à norma ... 72
4.3.2 Simulação de projeto após as alterações ... 76
5. CONSIDERAÇÕESFINAIS ... 78
REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS ... 80
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1. INTRODUÇÃO
A extensão territorial, assim como algumas peculiaridades físicas e climatológicas fazem do Brasil um dos países com maior incidência de descargas atmosféricas, tendo seu território atingido por aproximadamente 100 milhões de raios anualmente. Tais eventualidades tem como consequência danos físicos às pessoas e estruturas, podendo ser citados os incêndios em florestas e residências ou até mesmo a morte de pessoas e animais, assim como danos a sistemas, como, por exemplo, colapsos nas redes de transmissão e distribuição de energia elétrica, prejuízos nos sistemas de telefonia e telecomunicações, entre outros (DE SOUSA et al., 2012).
Segundo a norma ABNT NBR 5419:2015, não existem dispositivos ou métodos capazes de modificar os fenômenos climáticos naturais a ponto de se prevenir a ocorrência de descargas atmosféricas, porém os riscos associados às mesmas podem ser reduzidos ou praticamente extinguidos a partir da adoção de medidas de proteção. Esta norma é utilizada no país para avaliar a necessidade de proteção contra descargas atmosféricas e estabelecer as condições mínimas que devem ser atendidas pelas estruturas e seus sistemas internos.
Todos os normativos passam e devem passar por atualizações constantes, de modo a manter o seu conteúdo o mais completo, técnico e atualizado possível com a tecnologia atualmente disponível. Desta forma, a norma ABNT NBR 5419:2005 foi atualizada no ano de 2015 e quando comparados os seus textos, o “grau de complexidade relacionado às diferenças não se restringe apenas aos cálculos, mas também aos conceitos, à utilização e ao posicionamento de novos materiais” (MODENA, 2015).
O IFBA – campus de Paulo Afonso possui, de fato e fisicamente instalado, um Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA), mas não realizou a atualização de seu prontuário elétrico no que se refere às instalações elétricas para Proteção Contra Descargas Atmosféricas (PDA), o que dificulta a identificação e manutenção dos seus componentes. Nesse contexto, possíveis não conformidades, tendo como referência a norma atualizada, podem existir nas instalações elétricas do campus, e desta forma, podem colocar em risco a vida das pessoas e o patrimônio institucional.
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Este trabalho consiste na avaliação da Proteção Contra Descargas Atmosféricas do instituto, usando uma ferramenta desenvolvida para este fim, que auxiliará os cálculos do gerenciamento de risco baseado na atualização da norma ABNT NBR 5419:2015. Buscando-se alcançar isto, os seguintes objetivos foram criados:
Estudar a norma ABNT NBR 5419:2015, principalmente a Parte 2, que trata do gerenciamento de risco;
Coletar informações gerais e dados da atual Proteção Contra Descargas Atmosféricas do IFBA - Campus de Paulo Afonso;
Cadastrar o atual Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas e as Medidas de Proteção Contra Surtos causados por LEMP (MPS);
Desenvolver uma planilha eletrônica que realize os cálculos do gerenciamento de risco, a partir da análise dos riscos existentes.
Realizar a análise e o gerenciamento do risco de descargas, tendo como auxílio a planilha eletrônica desenvolvida.
Projetar o SPDA e/ou as MPS para reduzir o risco a um valor menor ou igual ao risco tolerável (RT);
Elaborar o projeto elétrico de adequação, que atenda aos requisitos da norma; Comparar a proteção existente com a projetada.
Por ser uma instituição educacional e que promove a formação técnica e superior na área de Engenharia Elétrica, o instituto deve preocupar-se em atender as prerrogativas previstas nas normas de segurança elétrica, principalmente para garantir a segurança dos seus usuários. Tendo este trabalho sua relevância assegurada pela elaboração da planilha que realiza os cálculos do gerenciamento de risco, pela confecção do projeto de PDA em meio eletrônico e por último e mais importante, pela avaliação da segurança dos usuários e dos equipamentos próximos e internos à estrutura do campus.
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2. FUNDAMENTAÇÃO TEÓRICA
2.1 DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
A descarga atmosférica, também denominada raio, é o fenômeno climático composto pelo relâmpago, que é uma corrente elétrica muito intensa, com típica duração de meio segundo e trajetória com comprimento de 5 a 10 km (considerado raio, quando o mesmo encontra-se com o solo), e o trovão, som gerado devido ao deslocamento repentino do ar em função da elevação de temperatura e consequente aumento de volume. Quando o raio tem seu início no solo e sobe em direção à nuvem, é classificado como ascendente, já o percurso contrário, ou seja, uma descarga atmosférica, da nuvem para o solo é classificado como descendente (ELAT, 2014).
2.1.1 Formação dos raios
A origem dos raios é concebida a partir da troca de cargas elétricas causada pela fricção entre as partículas de água que formam as nuvens, que ocorre durante a ascensão da água à atmosfera por meio dos processos de evaporação, condensação e precipitação (DE SOUSA et al., 2012).
Os fortes ventos ascendentes são responsáveis por separar as partículas de cargas opostas, sendo normalmente observado de forma experimental que as cargas elétricas positivas tendem a ocupar a parte superior da nuvem, enquanto que as cargas negativas ficam concentradas na parte inferior. Em resposta a esta concentração de cargas na parte inferior da nuvem, ocorre o acúmulo de cargas de polaridade opostas à da nuvem na superfície da Terra (sendo as cargas na nuvem de polaridade negativa, as cargas na superfície serão positivas) (MAMEDE FILHO, 2017). A Figura 1 a seguir apresenta a forma como as cargas se distribuem durante esse processo.
14 Figura 1 - Distribuição de cargas elétricas no interior de uma nuvem.
Fonte: De Sousa et al., 2012, p.30.
Analisando a Figura 1 acima é possível constatar que existirá uma diferença de potencial entre a superfície terrestre e a nuvem, devido à grande concentração de cargas de polaridades opostas. Se essa diferença de potencial aumentar (denominado gradiente de tensão) até alcançar um valor superior à rigidez dielétrica do ar existente entre a nuvem e a terra, cerca de 1 kV/mm, os átomos deste irão se ionizar e então as cargas elétricas irão migrar tortuosamente e com ramificações em direção à superfície (descarga atmosférica descendente) (MAMEDE FILHO, 2017).
Na Figura 2 são ilustradas as etapas de formação de uma descarga atmosférica.
Figura 2 - Formação de uma descarga atmosférica.
Fonte: Mamede Filho, 2017, p.1022.
Após o acúmulo das cargas e um consequente valor de campo elétrico na base da nuvem superior ao valor de rigidez dielétrica do ar, ocorre uma descarga elétrica intensa, que constitui um canal ionizado de plasma, cujo comprimento se estende por várias dezenas de metros. Em seguida as cargas negativas provenientes da região
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próxima à nuvem acumulam-se nesse canal condutor (devido à propriedade física conhecida como poder das pontas, que é a tendência das cargas elétricas se concentrarem nas extremidades dos corpos), gerando descargas consecutivas e semelhantes à primeira (porém com comprimento de 50 metros cada), configurando uma longa coluna de plasma que desloca-se em direção ao solo. O caminho estabelecido por essa sucessão de descargas é chamado canal precursor de descarga e essa descarga preliminar é denominada piloto (VISACRO FILHO, 2005). Segundo De Souza et al. (2012), alguns autores supõem que antes da descarga piloto atingir o solo, esta dá início a um movimento ascendente de cargas de polaridade opostas em resposta ao elevado campo elétrico existente entre a ponta da descarga piloto e a superfície terrestre, conforme a segunda etapa da Figura 2, podendo essa descarga ascendente se encontrar com a piloto em algum ponto acima do solo e então dar início à descarga de retorno.
A corrente da descarga de retorno flui pelo canal ionizado em direção à nuvem e é caracterizada pelo descarregamento do canal de descarga, constituindo um campo eletromagnético intenso que se propaga e interage com o ambiente ao seu redor e origina as tensões induzidas (SILVEIRA, 2006).
Na última etapa mostrada na Figura 2 ocorre a descarga principal que possui uma grande intensidade e percorre o canal de forma direta e descendente (da nuvem para a Terra). Se após a descarga principal ainda existir uma enorme quantidade de cargas na nuvem, outras descargas são iniciadas, com características parecidas com a anterior e denominadas descargas reflexivas ou múltiplas (MAMEDE FILHO, 2017).
2.1.2 Efeitos nocivos
A descarga atmosférica é um fenômeno físico de caráter aleatório que possui efeitos destrutivos para a sociedade. Estima-se que anualmente no país mais de uma centena de pessoas venham a óbito devido à incidência de descargas atmosféricas e que as perdas econômicas sejam de centenas de milhões de reais. Esses efeitos destrutivos asseguram a necessidade e a importância do tema tanto na divulgação de
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informações, quanto no desenvolvimento e adoção de práticas eficientes para minimizá-los (VISACRO FILHO, 2005).
Algumas características das estruturas possuem uma forte relação com os efeitos das descargas atmosféricas nestas, sendo as principais: a construção, quanto aos materiais que constituem a estrutura; a função, que constitui a finalidade de utilização da estrutura; os ocupantes e o conteúdo, que abrange a presença de pessoas, animais, sistemas elétricos e eletrônicos, materiais combustíveis ou explosivos; as linhas elétricas e as tubulações metálicas que adentram a estrutura; as medidas de proteção, existência de SPDA e/ou MPS; e a dimensão do risco, devido à dificuldade de evacuação ou ao perigo que a estrutura pode oferecer a meios externos (ABNT, 2015).
De acordo com a Parte 1 da norma ABNT NBR 5419 (2015, p.11) as fontes de danos a uma estrutura são classificadas em função da posição do ponto de impacto da corrente da descarga atmosférica, podendo esta atingir diretamente ou próximo à estrutura ou a uma linha conectada a esta. E como consequência podem ser causados os três tipos básicos de danos: danos às pessoas devido a choque elétrico; danos físicos devido aos efeitos das correntes das descargas atmosféricas; e falhas de sistemas internos consequentes de pulso eletromagnético, ou lightning
electromagnetic impulse (LEMP), devido às descargas atmosféricas.
Normalmente a maior causa de mortes e ferimentos de seres vivos não é ocasionada devido a incidência direta da descarga atmosférica, mas sim dos efeitos indiretos, como incêndios e quedas de linhas de energia. Os principais efeitos da corrente elétrica do raio no corpo são queimaduras, danos ao coração, aos pulmões e ao sistema nervoso central, ocasionados pelo aquecimento e reações eletroquímicas, tendo sua gravidade influenciada diretamente pela intensidade da corrente, pela parte do corpo afetada e condições físicas da vítima e pelas condições específicas do acidente (RINDAT, 2005).
A Figura 3 a seguir ilustra o quanto devastadores para os seres vivos podem ser os danos causados pelos efeitos de uma descarga atmosférica, e nesta ocorrência em questão, levando vários animais à morte devido à tensão de passo ocasionada por um raio que atingiu a árvore próxima a estes.
17 Figura 3 - Morte de animais próximos a uma árvore que foi atingida por raio.
Fonte: Isaias, 2013.
As estruturas e componentes de sistemas elétricos também são prejudicadas pela potência dissipada devido a corrente de descarga, como mostrado na Figura 4, onde uma mansão em Campos do Jordão (SP) foi parcialmente destruída ao ser atingida por um raio. As edificações de madeira (típicas dos países de regiões temperadas) e as florestas estão sujeitas à incêndios consequentes das descargas atmosféricas diretas, enquanto que as edificações de alvenaria e concreto são alvos de destruição, principalmente em quinas de edifícios altos (VISACRO FILHO, 2005).
Figura 4 - Danos à estrutura de uma mansão após a incidência direta de um raio.
Fonte: Teodora, 2013.
Nas redes aéreas de transmissão e distribuição podem ser induzidos surtos de até centenas de kV, devido a incidência de uma descarga atmosférica na linha, devendo estas serem protegidas por cabos guarda e seus equipamentos elétricos por
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para-raios a resistor não linear. Tais surtos também oferecem perigo para a rede de baixa tensão, na qual durante um evento desta natureza, uma parte da corrente de surto transferida pelo sistema de distribuição pode promover sobretensão na carga do consumidor e até mesmo danificá-la (VISACRO FILHO, 2005; MAMEDE FILHO, 2017).
Figura 5 - Ruptura de tentos em cabos OPGW devido a incidência de descarga.
Fonte: Visacro Filho, 2005.
Na Figura 5, é possível observar o dano causado em um cabo OPGW após ser atingido por uma descarga atmosférica. Além de exercer sua função principal de transferência de dados, esse tipo de cabo também é utilizado para blindar os cabos de fase quanto a incidência dos raios.
2.2 NORMAS E LEGISLAÇÃO VIGENTE
De modo geral, as leis e as normas ditam as regras que os indivíduos de uma determinada sociedade devem seguir para viver em harmonia. Analogamente, em qualquer área ou atividade, existem normativos a serem seguidos, que visam a correta aplicação e realização de um determinado procedimento, de modo que para manter um nível aceitável de segurança, deve-se atentar para a legislação vigente.
O art. 39 do Código de defesa do consumidor de 1990 estabelece que é vedado ao fornecedor de produtos ou serviços, dentre outras práticas abusivas:
VIII - colocar, no mercado de consumo, qualquer produto ou serviço em desacordo com as normas expedidas pelos órgãos oficiais competentes
19 ou, se normas específicas não existirem, pela Associação Brasileira de Normas Técnicas ou outra entidade credenciada pelo Conselho Nacional de Metrologia, Normalização e Qualidade Industrial (Conmetro).
Para este trabalho, ou para qualquer outro que envolva a proteção contra descargas atmosféricas, é imprescindível a utilização da norma ABNT NBR 5419:2015, que trata especificamente do assunto, devendo ser auxiliada a partir da norma ABNT NBR 5410:2004 com o título Instalações elétricas de baixa tensão e da norma regulamentadora NR 10 cujo título é Segurança em instalações e serviços em eletricidade.
2.2.1 ABNT NBR 5419:2015
A ABNT NBR 5419:2015 é a norma que estabelece todos os métodos e requisitos necessários para a realização de um projeto de Proteção contra Descargas Atmosféricas. Sua versão atualmente em vigor foi dividida nas seguintes partes: Parte 1 – Princípios gerais, que estabelece os requisitos, subsídios e restrições para a aplicação em projetos de proteção contra descargas atmosféricas; Parte 2 – Gerenciamento de risco, na qual são definidos os requisitos para análise de risco em uma estrutura devido às descargas atmosféricas para a terra e o procedimento para avaliar tais riscos, a partir de um limite superior tolerável; Parte 3 – Danos físicos a estruturas e perigos à vida, que institui os requisitos para proteção de uma estrutura contra danos físicos por meio de um SPDA e contra lesões causadas pelas tensões de toque e passo; e Parte 4 – Sistemas elétricos e eletrônicos internos na estrutura, a partir da qual são fornecidas informações para o projeto, instalação, manutenção e ensaio das MPS (ABNT, 2015).
2.2.1.1 Atualização e principais modificações na norma
Com a atualização da norma ABNT NBR 5419:2005 ocorrida no ano de 2015 e comparando seus textos, o “grau de complexidade relacionado às diferenças não se restringe apenas aos cálculos, mas também aos conceitos, à utilização e ao posicionamento de novos materiais” (MODENA, 2015).
20
Diferente da versão de 2005, a primeira parte da ABNT NBR 5419:2015 traz uma breve introdução às quatro partes da série e uma definição mais abrangente para a proteção contra descargas atmosféricas, na qual o SPDA é uma das duas partes que o compõe. Nesta seção foram introduzidos diversos novos termos e definições devido à sua grande relação com o fenômeno físico da descarga atmosférica (SILVA, 2015).
A mudança mais significativa, quando comparada com a versão anterior da norma, foi a parte do gerenciamento de risco. No instrumento antecedente, realizava-se apenas um simples estudo com poucos índices e variáveis para verificar a necessidade e o método de instalação do SPDA. A versão atual trata o gerenciamento de risco a partir da avaliação de diversos parâmetros da estrutura, dos arredores desta e das linhas elétricas ligadas a mesma, indicando as medidas de proteção necessárias para minimizar os riscos dos efeitos nocivos das descargas atmosféricas (SUETA, 2015).
A terceira parte do documento normativo é a que mais se assemelha com o texto compreendido pela versão de 2005, possuindo algumas alterações das quais podemos citar: determinação da bitola de 35 mm² para cabos de cobre a serem utilizados nos subsistemas de captação e descidas; a retirada de um anexo informativo referente ao guia para projeto, construção, manutenção e inspeção do SPDA; as dimensões de cada malha serão menores no método de Faraday; no método de Franklin, curvas para cada nível de proteção em função da altura da edificação substituíram a tabela que existia na versão precedente, o que poderá revitalizar comercialmente a utilização desse método; aumento da quantidade de descidas para os níveis II, III e IV, devido a aproximação entre os condutores de descida; o valor de 10Ω não é mais utilizado como indicativo principal para um bom aterramento. Todas essas mudanças aumentam a eficiência dos subsistemas de captação, descida e aterramento, e consequentemente os custos para atender às exigências mínimas da revisão (MOREIRA, 2014).
A última parte deste normativo promove ações para proteger de uma descarga atmosférica, direta ou indireta, os equipamentos e sistemas elétricos e eletrônicos internos à estrutura, permitindo que estes funcionem durante e após a sua ocorrência. Mesmo sendo uma parte que foi totalmente acrescentada à norma, suas prescrições não são novas, estando algumas descritas ou fundamentadas em outras normas, a
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exemplo da ABNT NBR 5410:2004, e outras superficialmente na versão anterior. Entre os principais temas abordados, temos: definições dos termos que serão utilizados; Medidas de Proteção contra Surtos (MPS), Zonas de Proteção contra Raios (ZPR); conceitos de aterramentos e equipotencialização; blindagem dos cabos; roteamento das linhas elétricas; e aplicação dos Dispositivos de Proteção contra Surtos (DPS) (SANTOS, 2015).
2.2.2 ABNT NBR 5410:2004
A norma ABNT NBR 5410:2004 determina as condições mínimas que as instalações elétricas de baixa tensão devem atender para garantir a segurança de pessoas e animais, assim como o correto funcionamento da instalação e a preservação dos bens. Tem sua principal aplicação nas instalações elétricas de edificações (independente do seu uso), destinando-se também às instalações elétricas: em áreas descobertas; de reboques de acampamento; locais de acampamento, marinas e instalações análogas; e instalações temporárias (ABNT, 2004).
No que se refere à proteção contra descargas atmosféricas, esta norma traz informações importantes a respeito dos tipos de aterramento, dos dispositivos de proteção contra surtos e da equipotencialização.
2.2.3 NR 10
A norma regulamentadora, NR 10 - Segurança em instalações e serviços em eletricidade, tem como objetivo garantir a segurança e a saúde dos trabalhadores que interajam direta ou indiretamente em instalações elétricas e serviços com eletricidade, nas fases de geração, transmissão, distribuição e consumo (independentemente da etapa do trabalho e em quaisquer trabalhos realizados nas proximidades), a partir da adoção de medidas de controle e sistemas preventivos (BRASIL, 2004).
Entre os principais pontos citados na NR 10 que a associam à proteção contra descargas atmosféricas, podemos citar: 10.2.3 que trata da obrigatoriedade da
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existência de especificações a respeito do aterramento e demais dispositivos e equipamentos de proteção nos esquemas unifilares das empresas; 10.2.4 b) que exige a existência de documentação das inspeções e medições do sistema de proteção contra descargas atmosféricas e aterramentos elétricos, para estabelecimentos com carga instalada superior a 75 kW; e 10.2.8.3 segundo o qual o aterramento das instalações elétricas deve ser executado conforme a regulamentação estabelecida pelo órgãos competentes (BRASIL, 2004).
2.3 PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS (PDA)
Segundo a norma ABNT NBR 5419:2015 não existem dispositivos ou métodos capazes de modificar os fenômenos climáticos naturais a ponto de se prevenir a ocorrência de descargas atmosféricas, porém os riscos associados às mesmas podem ser reduzidos a partir da adoção de medidas de proteção. A norma define o conjunto de todas estas medidas como sendo o sistema completo para proteção de estruturas contra as descargas atmosféricas, denominado Proteção contra Descargas Atmosféricas (PDA), e que pode ser dividida em Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) e Medidas de Proteção contra Surtos (MPS) causados por pulso eletromagnético devido às descargas atmosféricas (ABNT, 2015).
2.3.1 Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA)
O Sistema de Proteção contra descargas atmosféricas tem como função reduzir os danos devido à incidência de raios em uma estrutura, oferecendo um caminho de baixa resistência elétrica para a corrente da descarga. Este pode ser dividido em um sistema interno e outro externo, no qual o primeiro é responsável pela condução da corrente de elevada intensidade do ponto de impacto à terra e o segundo pela redução dos efeitos elétricos e magnéticos da corrente dentro do volume a proteger, a partir da utilização da equipotencialização e isolação elétrica (ABNT, 2015; DE SOUSA et al., 2012).
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O SPDA é composto basicamente por três subsistemas com elementos condutivos (captores, condutores e um sistema de aterramento), mostrados na Figura 6. Este sistema deve estar em conformidade com norma ABNT NBR 5419:2015 e é um dos itens inspecionados em edificações públicas e privadas, em áreas de risco e de aglomeração de público, para obtenção do atestado de conformidade das instalações elétricas e emissão do Auto de Vistoria do Corpo de Bombeiros – AVCB (CBMBA, 2017).
Figura 6 - Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas.
Fonte: IPT Engenharia, 2017.
A ABNT NBR 5419:2015 considera quatro níveis de proteção (NP) contra descargas atmosféricas, onde para cada um destes (I a IV), é estabelecida uma série de valores para os parâmetros das correntes das descargas atmosféricas, apresentados nas tabelas 3, 4 e 5 da Parte 1 da norma. Este nível de proteção está relacionado à classe do SPDA que influenciará em dados como: parâmetros da descarga atmosférica; raio da esfera rolante, tamanho da malha e ângulo de proteção; distâncias típicas entre condutores de descida e dos condutores em anel; distância de segurança contra centelhamento perigoso; e comprimento mínimo dos eletrodos de aterramento.
2.3.1.1 Subsistema de captação
O subsistema de captação tem por função limitar a probabilidade de penetração da corrente da descarga atmosférica na estrutura, e é composto por qualquer
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combinação entre hastes (incluindo mastros), condutores suspensos e condutores em malha. A Figura 7 apresenta os principais componentes desse subsistema (ABNT, 2015).
Figura 7 - Componentes do subsistema de Captação: (a) captor Franklin com mastro; e (b) condutor em malha.
Fonte: (a) Ideal Brasil, 2015; (b) Canal Eletro.
O volume de proteção da estrutura é determinado pelo correto posicionamento dos elementos captores e do subsistema de captação. Desta forma, tais componentes devem ser posicionados nos cantos salientes, pontas expostas e nas beiradas, utilizando-se os métodos do ângulo de proteção (método de Franklin), da esfera rolante (método Eletrogeométrico) e das malhas (método da Gaiola de Faraday) (ABNT, 2015; DE SOUSA et al., 2012).
A partir do Quadro 1 e da Figura 8 a seguir, é possível determinar o ângulo de proteção, o raio da esfera rolante e o tamanho da malha para cada classe de SPDA. Os métodos da esfera rolante e das malhas são adequados em todos os casos, enquanto o método do ângulo de proteção é adequado para edificações simples e não pode ser utilizado para valores de altura H acima dos valores finais de cada curva da Figura 8 (ABNT, 2015).
25 Quadro 1 - Valores máximos dos raios da esfera rolante, tamanho da malha e ângulo de proteção
correspondente a classe do SPDA.
Classe do SPDA Método de proteção Raio da esfera rolante – R (m) Máximo afastamento dos condutores da malha (m) Ângulo de Proteção αº I 20 5 x 5 Ver Figura 8 II 30 10 x 10 III 45 15 x 15 IV 60 20 x 20
Fonte: Adaptado de ABNT, 2015.
Figura 8- Ângulo de proteção correspondente à classe de SPDA.
Fonte: ABNT, 2015.
No método do ângulo de proteção a abrangência do volume de proteção é determinada pelo cone formado em torno do eixo vertical de um mastro, conforme a Figura 9. Este volume de proteção pode ser expandido a partir da utilização de um condutor suspenso entre mastros.
26 Figura 9 - Volume de proteção provido por um mastro.
Fonte: ABNT, 2015.
A partir das dimensões e o nível de proteção requerido pela edificação, o raio da base do cone da Figura 9 será:
𝑟 = 𝑡𝑔 𝛼 ∗ ℎ1 (1)
Onde: α é o ângulo de proteção cujo valor é dado na Figura 8 e h1 é a altura
de um mastro acima de plano de referência.
O método da esfera rolante é adequado para estruturas de formas arquitetônicas complexas e é constituído por hastes, cabos ou uma combinação de ambos. Para este método deverá ser considerada uma esfera fictícia rolando ao redor e no topo da estrutura em todas as direções possíveis, de modo que a esfera não entre em contato com nenhum ponto da estrutura a ser protegida, tocando apenas o subsistema de captação. Este método é apresentado na Figura 10 a seguir (ABNT, 2015; DE SOUSA et al., 2012).
27 Figura 10 - Projeto do subsistema de captação conforme o método da esfera rolante.
Fonte: ABNT, 2015.
Segundo Mamede Filho (2017) existem dois casos contemplados pelo método da esfera rolante,Figura 11. No primeiro caso a altura do captor é menor do que o raio da esfera rolante, fazendo com que toda a estrutura esteja dentro do volume formado pela região hachurada e, portanto, esteja protegida. Já no segundo caso, em que a altura do captor é maior do que o raio da esfera rolante, parte da estrutura excederá o volume de proteção podendo ser atingida por descargas laterais. Desta forma, a medida que a altura da haste captora aumenta a partir do valor Hc ≥ Re o SPDA perderá
eficiência.
Figura 11 - Volume de proteção de um captor vertical quando a altura do captor é: (a) menor que o raio R da esfera rolante; (b) maior que o raio R da esfera rolante.
Fonte: Mamede Filho, 2017.
O terceiro método de captação é o das malhas, que pode ser bem empregado em superfícies planas, devendo ter seus captores instalados na periferia e nas
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saliências da cobertura da estrutura e nas cumeeiras dos telhados, se o declive deste exceder 1/10. Este método também deve atender outros requisitos: as dimensões da malha não devem exceder os valores estabelecidos no Quadro 1; o conjunto de condutores do subsistema de captação deve ser construído de forma que a corrente possa percorrer duas rotas condutoras até o aterramento; nenhuma instalação metálica que não tenha função de captor ultrapasse o volume de proteção; e os condutores da malha devem seguir o caminho mais curto e retilíneo possível da instalação. Este método está representado na Figura 12 a seguir (ABNT, 2015).
Figura 12 - Subsistema de captação método da gaiola de Faraday.
Fonte: Saber Elétrica, 2015.
2.3.1.2 Subsistema de descida
O subsistema que tem como função conduzir a descarga atmosférica do subsistema de captação ao subsistema de aterramento, é denominado subsistema de descida. Para reduzir a probabilidade de danos devido à corrente de alta intensidade, os condutores de descida devem prover diversos caminhos paralelos com o menor comprimento possível.
A Figura 13 apresenta um subsistema de descida com alguns dos seus componentes mais comuns, sendo eles: cabo de cobre nu, tudo de PVC, caixa de inspeção PVC suspensa e abraçadeiras.
29 Figura 13 - Componentes do subsistema de Descida.
Fonte: Mamede Filho, 2017.
Para um SPDA isolado as descidas devem ser posicionadas de modo que: se os captores forem hastes em mastros separados não metálicos nem interconectados às armaduras, é necessário pelo menos um condutor de descida para cada mastro; para condutores suspensos em catenária como elemento captor, pelo menos um condutor de descida é necessário em cada suporte da estrutura; e se os captores formam uma rede de condutores, é necessário pelo menos um condutor de descida em cada suporte de terminação dos condutores. Já para um SPDA não isolado, o número de condutores de descida não pode ser inferior a dois (ABNT, 2015).
O Quadro 2 apresenta as distâncias máximas entre os condutores de descida e entre os anéis condutores com base na classe do SPDA. Devendo ser, preferencialmente, instalados condutores de descida em cada canto saliente da estrutura.
Quadro 2 - Valores típicos de distância entre os condutores de descida e entre os anéis condutores de acordo com a classe de SPDA.
Classe do SPDA Distâncias (m)
I 10
II 10
III 15
IV 20
NOTA: É aceitável que o espaçamento dos condutores de descidas tenha no máximo 20% além dos valores acima.
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2.3.1.3 Subsistema de aterramento
O subsistema de aterramento de um SPDA é a parte responsável por conduzir e dispersar a corrente da descarga atmosférica na terra, no qual para essa dispersão o método mais importante para atenuar sobretensões perigosas é estudar e aprimorar a geometria e as dimensões deste subsistema, obtendo assim, a menor resistência de aterramento possível (ABNT, 2015).
A norma ABNT NBR 5419:2015 estabelece a preferência por uma única infraestrutura de aterramento integrada, ou seja, que o eletrodo seja comum e atenda à proteção contra descargas atmosféricas, sistemas de energia elétrica e sinal. Na Figura 14 são apresentados alguns componentes de um subsistema de aterramento (haste ou eletrodo de aterramento, cabo de cobre nu de 50 mm², grampo estanhado para conexão dos cabos com a haste, e caixa de inspeção PVC com tampa), e também a sua disposição, onde em (a) temos uma haste vertical de aterramento e em (b) a representação de uma malha de aterramento formada por condutores de cobre nus.
Figura 14 - Componentes do subsistema de aterramento: (a) Haste com cabo de cobre e grampo em caixa de inspeção; (b) condutores de cobre formando uma malha de aterramento.
Fonte: (a) Gomes, 2013; (b) SV Elétrica, 2015.
A Figura 15 apresenta os esquemas de aterramento definidos pela norma ABNT NBR 5410:2004, e suas possíveis disposições.
31 Figura 15 - Esquemas de aterramento conforme a ABNT NBR 5410:2004: (a) TN-S; (b) TN-C-S; (c)
TN-C; (d) TT; (e) TT; (f) IT A; (g) IT B; (h) IT B.1; (i) IT B.2; (j) IT B.3.
Fonte: ABNT, 2004.
No esquema de aterramento TN, mostrado nos detalhes “a”, “b” e “c” da Figura 15, o neutro é diretamente aterrado e as massas são conectadas a este, existindo três classificações distintas para esse tipo de esquema. O primeiro esquema, mostrado no
(a) (b)
(c) (d)
(e) (f)
(g) (h)
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detalhe “a” da Figura 15, denominado TN-S, é caracterizado pela utilização de cabos distintos para as funções de neutro e proteção. Já no detalhe “b” está representado o esquema TN-C-S, no qual em uma parte da instalação o mesmo condutor tem a função de neutro e de proteção, enquanto em outra eles são distintos. E o detalhe “c” apresenta o esquema TN-C, em que um mesmo condutor (PEN) combina a função de neutro e proteção.
O esquema de aterramento TT é apresentado nos detalhes “d” e “e” da Figura 15. Neste tipo de aterramento o condutor neutro e o condutor de proteção estão conectados diretamente à terra, porém não existe ligação física entre estes condutores. No detalhe “d” as massas possuem uma proteção em comum, enquanto no detalhe “e” elas são aterradas separadamente.
Por último, no esquema de aterramento IT, representado pelos detalhes “f”, “g”, “h”, “i”, e “j” da Figura 15 é utilizada uma caixa de resistência para aterrar o condutor neutro com a finalidade de reduzir a corrente de falta e evitar o seccionamento automático da alimentação quando da ocorrência da primeira falta, exceto no detalhe “f”. A diferença entre as variações do esquema IT é que no detalhe “f” o neutro não é aterrado, em “g” o neutro é aterrado a partir de impedância, em “h” as massas são aterradas em eletrodos separados e independentes do eletrodo de aterramento da alimentação, em “i” as massas são aterradas em um mesmo eletrodo independente do eletrodo de aterramento da alimentação, e em “j” as massas são aterradas no mesmo eletrodo da alimentação.
Os condutores em anel só devem ser utilizados na impossibilidade do aproveitamento das armaduras das fundações. Estes condutores devem ser dispostos externos à estrutura (afastados aproximadamente 1 metro ao redor das paredes) a ser protegida e em contato com o solo por pelo menos 80% do seu comprimento, além de atender a condição de que o raio médio re da área abrangida pelos eletrodos não
pode ser inferior ao comprimento l1 do eletrodo de aterramento. A Figura 16 a seguir,
apresenta o comprimento mínimo do eletrodo de aterramento de acordo com o nível do SPDA e a resistividade do solo (ABNT, 2015).
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Figura 16 - Comprimento mínimo l1 do eletrodo de aterramento de acordo com a classe do SPDA.
Fonte: ABNT, 2015.
2.3.1.4 Componentes naturais de SPDA
A ABNT NBR 5419:2015 deixa claro a preferência pela utilização das partes metálicas da estrutura como componentes naturais de SPDA, afirmando e comprovando que essa coordenação entre os demais projetos das estruturas a serem protegidas e do Sistema de Proteção contra Descargas atmosféricas garantirão não apenas uma otimização de custos, como também será a melhor solução técnica, o que pode ser constado no gerenciamento de risco, pois os componentes naturais possuem valores de risco menores do que os artificias.
Os captores naturais são geralmente constituídos por partes integrantes da edificação que se quer proteger e que possuem elementos condutores expostos. Entre os elementos que podem ser atingidos por descargas atmosféricas e que podem ser utilizados como captores naturais, temos: coberturas metálicas de edificações; mastros ou outros elementos metálicos cuja extremidade se sobressai à cobertura; calhas metálicas instaladas na periferia das edificações; estruturas metálicas de suporte de fachadas envidraçadas construídas acima de 60 m do solo; tubulações metálicas e tanques contendo misturas explosivas ou combustíveis fabricados com material de espessura não inferior aos valores indicados na Tabela 3 da Parte 3 da
34
norma (que trata da espessura mínima de chapas metálicas ou tubulações metálicas em sistemas de captação), desde que todas as suas partes constituintes sejam equipotencializadas; e chapas metálicas da cobertura de galpões (MAMEDE FILHO, 2017).
Outras informações e condições acerca dos captores naturais são tratadas na seção 5.2.5 da Parte 3 da norma ABNT NBR 5419:2015. E o material, configuração e área da seção mínima dos condutores de captação, hastes captoras e condutores de descidas são dados na Tabela 6 desta mesma parte da norma.
Os subsistemas de descidas naturais são elementos condutores que fazem parte da estrutura e que permitem escoar para o subsistema de aterramento as correntes elétricas resultantes das descargas atmosféricas. São exemplos de subsistemas de descida naturais os elementos metálicos eletricamente contínuos que interligam o subsistema de captores à malha de aterramento na base da edificação, as estruturas metálicas, tais como postes, torres e similares, e as armaduras de aço dos pilares de concreto da edificação que têm continuidade até a armadura da base. Estes componentes devem obedecer às exigências das seções 4.3 e 5.3 (mais especificamente da seção 5.3.5) da Parte 3 da norma 5419 (ABNT, 2015; MAMEDE FILHO, 2017).
Elementos metálicos embutidos nas fundações das edificações e parte integrante destas formam os subsistemas de aterramento naturais. Como subsistemas de aterramento naturais, podemos citar: a armação das fundações de concreto armado das edificações, a armação das bases de torre de aerogeradores, as estruturas de concreto armado enterradas, estruturas metálicas subterrâneas contidas na área da edificação e outros meios equivalentes. Devendo todos estes elementos atender as prescrições da seção 5.4.4 da parte 3 da norma ABNT NBR 5419:2015 (MAMEDE FILHO, 2017).
2.3.2 Medidas de Proteção contra Surtos causados por LEMP (MPS)
A incidência de descargas atmosféricas causa impulsos eletromagnéticos (LEMP) que podem danificar os sistemas internos de uma estrutura, sendo necessária a adoção de Medidas de Proteção contra Surtos (MPS). Esta proteção é baseada no
35
conceito de zonas de proteção contra raios (ZPR) que teoricamente são associadas à parte do espaço ou de um sistema interno e que caracterizam a severidade do LEMP (ABNT, 2015).
O LEMP pode causar danos permanentes em sistemas elétricos e eletrônicos por meio surtos conduzidos e induzidos, transmitidos através da conexão por condutores metálicos, cujo a proteção deverá ser realizada a partir da utilização de um sistema coordenado de Dispositivos de Proteção contra Surtos (DPS). Outra causa de danos são os efeitos de campos eletromagnéticos irradiados diretamente para os próprios equipamentos, que exigem a adoção de MPS como blindagens espaciais e/ou condutores blindados, combinados com a blindagem dos invólucros dos equipamentos (ABNT, 2015).
As subseções a seguir tratam das MPS básicas estabelecidas pela Parte 4 da norma ABNT NBR 5419:2015 em sua seção 4.4. De acordo com a norma, estas medidas básicas são: aterramento e equipotencialização; blindagem magnética e roteamento das linhas; coordenação de DPS; e interfaces isolantes.
2.3.2.1 Aterramento e equipotencialização
Uma importante Medida de Proteção contra Surtos consiste na combinação entre o subsistema de aterramento que conduz e dispersa as correntes da descarga atmosférica para o solo, e a rede de equipotencialização que minimiza as diferenças de potencial e pode reduzir o campo magnético, conforme exemplificado na Figura 17. Enquanto que para o subsistema de aterramento, devem ser atendidas as prescrições da ABNT NBR 5419-3, estando interligados tanto o eletrodo em forma de anel ao redor da estrutura quanto o eletrodo natural usado nas armaduras do concreto das fundações, para a ligação equipotencial é necessária uma baixa impedância para minimizar diferenças de potencial perigosas entre todos os equipamentos dentro da ZPR, podendo ser realizada por uma malha que interliga elementos condutores da estrutura, ou partes de sistemas internos, e pela ligação de partes metálicas ou serviços condutores no limite de cada ZPR, diretamente ou usando DPS adequados (ABNT,2015).
36 Figura 17 - Rede de equipotencialização interligada com o subsistema de aterramento.
Fonte: ABNT, 2015.
Barras de equipotencialização devem ser instaladas para reduzir a tensão entre: todos os condutores de serviços que adentram uma ZPR; o condutor de proteção PE; componentes metálicos dos sistemas internos; e a blindagem magnética da ZPR na periferia e dentro da estrutura. As regras para eficiência da equipotencialização são estabelecidas nas seções 5.4.2 e 5.5 da Parte 3 da norma, enquanto que os materiais e dimensões dos componentes são dados na seção 5.6 da mesma parte (ABNT, 2015).
2.3.2.2 Blindagem magnética e roteamento das linhas
A ocorrência de falhas permanentes em sistemas internos será reduzida pela adoção de blindagem magnética que poderá minimizar o campo eletromagnético e a intensidade dos surtos induzidos, e por um roteamento adequado das linhas internas que também poderá reduzir estes surtos (ABNT,2015).
A blindagem magnética pode ser dos seguintes tipos: blindagem espacial, que define zonas protegidas, podendo ser em forma de grade, blindagens metálicas contínuas ou compreender os componentes naturais da estrutura; blindagem de linhas
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internas, que podem se restringir ao cabeamento e equipamentos; e blindagem de linhas externas, que inclui a blindagem dos cabos, dutos metálicos fechados e dutos de concreto armado. Já o roteamento de linhas internas roteará os cabos junto aos componentes naturais da estrutura que forem aterrados e/ou roteará as linhas elétricas de energia e sinal juntas (ABNT,2015).
2.3.2.3 Coordenação de DPS
Os Dispositivos de Proteção contra Surtos podem ser constituídos por centelhadores a gás, varistores, ou por uma combinação destes dois. Estes dispositivos foram desenvolvidos com a finalidade de proteger as instalações elétricas e suas cargas contra sobretensões e impulsos de corrente originados por descargas atmosféricas e chaveamentos (DE SOUSA et al., 2012; PRESTES, 2016).
A Figura 18 mostra a ligação de um DPS trifásico para proteção do sistema elétrico. Como é possível observar, a sua ligação é feita entre a linha e o terra, limitando a diferença de potencial durante uma sobretensão. Quando em operação, a alta impedância existente entre a entrada e a saída do DPS será reduzida a valores mínimos, fazendo com que a corrente de surto escorra pelo barramento de equipotencialização para o subsistema de aterramento, voltando ao seu valor de impedância inicial, quando cessado o surto.
Figura 18 - Diagrama básico de ligação de um DPS trifásico.
38
A utilização de um dos esquemas de aterramento, conforme determina a norma ABNT NBR 5410:2004 e mostrado na Figura 15, é imprescindível para a atuação e o correto funcionamento dos DPS. Este tipo de equipamento possui uma vida útil dependente do número de operações e da intensidade das correntes conduzidas durante as descargas, podendo vir a ser danificado até mesmo na sua primeira atuação (DE SOUSA et al.,2012).
Os DPS são classificados segundo três classes, sendo elas: classe I, que é a proteção primária utilizada em ambientes expostos a descargas atmosféricas diretas, como áreas urbanas periféricas ou áreas rurais e instalados nos quadros primários (QGBT) de distribuição, possuindo a capacidade para drenar correntes parciais de uma descarga atmosférica; classe II, cujo os dispositivos são instalados nos quadros de distribuição e têm a capacidade de drenar correntes induzidas que penetram nas edificações, ou seja, os efeitos indiretos de uma descarga atmosférica; classe III, que são utilizados para a proteção direta de equipamentos ligados as linhas elétricas, sendo instalados próximos a estes (CLAMPER, 2016).
Tanto a Parte 4 da norma ABNT NBR 5419:2015 em seu ANEXO C subseção C.3.4, quanto a ABNT NBR 5410:2004 em sua subseção 6.3.5 (neste caso, abrange informações técnicas gerais a respeito dos DPS) tratam da coordenação entre os DPS que protegem os sistemas eletroeletrônicos de uma estrutura. Na Figura 19 é apresentada a utilização, em conjunto, das três classes de DPS existentes, proporcionando assim uma maior segurança aos sistemas internos durante a ocorrência de um surto. Desta forma a eficiência do sistema coordenado de DPS dependerá não somente da sua apropriada seleção, como também de sua correta instalação (ABNT, 2004, 2015).
39 Figura 19 - Coordenação entre DPS Classe I, Classe II e Classe III.
Fonte: FINDER, 2012.
2.3.2.4 Interfaces isolantes
Segundo a ABNT NBR 5419-3 as interfaces isolantes são dispositivos capazes de reduzir os efeitos dos LEMP nas linhas que adentram as zonas de proteção contra raios. Caso haja a necessidade de proteção dessas interfaces, a mesma será provida por DPS. A IEC 60664-1 determina as categorias de sobretensões cujo o valor deve ser coordenado com a suportabilidade das interfaces isolantes e o nível de proteção do DPS (ABNT, 2015).
3. MATERIAIS E MÉTODOS
3.1 METODOLOGIA ADOTADA
O presente trabalho, quanto aos objetivos, trata-se de uma pesquisa exploratória, já que busca proporcionar maior familiaridade e explicitar um determinado problema que ocorre no IFBA - Campus de Paulo Afonso. Quanto aos
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procedimentos técnicos, estão presentes as etapas de Pesquisa Bibliográfica, Pesquisa de Campo, Pesquisa Experimental e Estudo de Caso.
A pesquisa bibliográfica foi adotada principalmente para análise do conteúdo previsto na ABNT NBR 5419:2015, com o objetivo de embasar a criação da ferramenta de cálculo para o gerenciamento do risco e a confecção do projeto de PDA. Outras referências bibliográficas como artigos, dissertações, teses e legislação vigente no estado da Bahia foram úteis para interpretação da norma e também para confecção do projeto que propõe adequações para a Proteção contra Descargas Atmosféricas na instalação.
A pesquisa de campo foi necessária na etapa de recolhimento de todas as informações acerca da localização, estrutura física, instalações elétricas e outras que foram necessárias para o projeto e cadastramento da Proteção contra Descargas Atmosféricas do Campus.
O estudo de caso, baseado na definição de GIL (2008), consistiu no estudo profundo e exaustivo de outros trabalhos acadêmicos referentes à interpretação e aplicação da norma, que permitiu fazer uma análise detalhada do SPDA do Campus de Paulo Afonso e consequente confecção do projeto de PDA.
A pesquisa experimental se configurou, já que alguns dados técnicos do Instituto estudado foram medidos e analisados, com o uso de equipamentos de medição.
Dentro dos tipos de pesquisas apresentados e, para fins didáticos, o trabalho foi dividido basicamente nas seguintes etapas:
● Levantamento das informações atualizadas sobre a arquitetura do IFBA – Campus de Paulo Afonso: etapa necessária para conhecer a fundo a instalação que se pretende analisar;
● Elaboração da planilha eletrônica do gerenciamento de risco, a partir do uso do
software Excel versão de 2013;
● Cálculo do Gerenciamento de Risco utilizando ferramenta de cálculo própria: nesta etapa foram utilizados todos os parâmetros previstos na norma ABNT NBR 5419:2015 para: construir a planilha de cálculo, verificar a necessidade do PDA na instalação, bem como identificar o método que melhor se aplica a mesma;
41
● Escolha do método adequado para elaboração do PDA: após a etapa do gerenciamento do risco, foram avaliados os métodos disponíveis na doutrina: Método de Franklin, Método de Faraday e Método Eletrogeométrico para indicar o mais adequado para o Campus;
● Construção e digitalização dos projetos (atual e proposto) do Instituto, baseada nas informações obtidas nas etapas anteriores: foi utilizado o software AutoCAD 2014 (versão educacional) para confecção dos projetos elétricos.
3.2 PLANILHA DE GERENCIAMENTO DE RISCO
Apesar de possuir operações simples e pouco rebuscadas, como será apresentado a seguir na seção 3.3.1, o cálculo do gerenciamento de risco é um processo demorado e minucioso, tanto durante a fase de coleta de dados, quanto na utilização destes para encontrar os componentes de risco e posteriormente os valores de risco.
A planilha eletrônica criada e utilizada neste trabalho tem como principal função, otimizar o gerenciamento de risco, reduzindo o tempo e os possíveis erros que o projetista pode cometer durante os numerosos e exaustivos cálculos manuais que este procedimento exige. Além disso, sendo constatada a necessidade da adoção de PDA, as medidas poderão ser simuladas na planilha, de modo a reduzir o risco até um valor aceitável.
3.3.1 Parâmetros
Segundo a ABNT (2015) para a realização do gerenciamento de risco, deve ser seguido um procedimento básico que conta com as seguintes etapas:
Identificação da estrutura a ser protegida e suas características;
Identificação de todos os tipos de perdas na estrutura e os correspondentes riscos relevantes R (R1 a R4);
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Avaliação da necessidade de proteção, por meio da comparação dos riscos R1, R2 e R3 com os riscos toleráveis (RT);
Avaliação da eficiência do custo da proteção pela comparação do custo total das perdas com ou sem as medidas de proteção.
De forma análoga, a norma estabelece o procedimento específico para avaliar a necessidade de proteção, tendo como base os valores dos riscos R1, R2 e R3, e
sendo realizado para cada um destes conforme descrito abaixo: Identificação dos componentes RX que compõe o risco;
Cálculo dos componentes de risco identificados RX;
Cálculo do risco total R;
Identificação dos riscos toleráveis RT;
Comparação do risco R com o valor do risco tolerável RT. Se o valor de
R for maior do que o de RT, medidas de proteção devem ser adotadas
para reduzir todos os riscos aos quais a estrutura está sujeita.
Como já mencionado em 2.1.2, e segundo estabelecido em ABNT (2015), existem três tipos básicos de danos que ocorrem em consequência das descargas atmosféricas. Estes danos causam perdas que podem ser classificadas em quatro categorias:
L1: perda de vida humana (incluindo ferimentos permanentes); L2: perda de serviço ao público;
L3: perda de patrimônio cultural; L4: perda de valores econômicos.
Segundo a ABNT (2015) para cada tipo de perda que possa aparecer na estrutura, deve ser avaliado o risco resultante. Conforme definido na Parte 2 da norma ABNT NBR 5419:2015, o risco (R) é um valor relativo a uma provável perda anual, sendo avaliado e classificado em:
R1: Risco de perda de vida humana (incluindo ferimentos permanentes); R2: Risco de perda de serviço ao púbico;
R3: Risco de perda de patrimônio cultural; R4: Risco de perda de valores econômicos.
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Para calcular o valor dos riscos existentes em uma estrutura é necessário avaliar riscos parciais, denominados componentes de risco (RX). Desta forma, cada
risco R é a soma dos seus componentes de risco. A definição de cada um dos componentes RX (RA, RB, RC, RM, RU, RV, RW e RZ) é apresentada a seguir de acordo
com o ponto de impacto da descarga atmosférica.
De acordo com a ABNT (2015) os componentes de risco para uma estrutura devido às descargas atmosféricas na estrutura são:
RA: componente relativo a ferimentos aos seres vivos causados por
choque elétrico devido às tensões de toque e passo dentro da estrutura e fora nas zonas até 3 m ao redor dos condutores de descidas;
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 relativo a falhas de sistemas internos causados por
LEMP.
Os componentes de risco para uma estrutura devido às descargas atmosféricas perto da estrutura são:
RM: componente relativo a falhas de sistemas internos causados por
LEMP.
Os componentes de risco para uma estrutura devido às descargas atmosféricas em uma linha conectada à estrutura são:
RU: componente relativo a ferimentos aos seres vivos causados por
choque elétrico devido às tensões de toque e passo dentro da 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 ou ao longo das linhas; RW: componente relativo a falhas de sistemas internos causados por
sobretensões induzidas nas linhas que entram na estrutura e transmitida a esta.
