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Programa de Formação Técnica Continuada

Proteção contra descargas Atmosféricas

Índice

descargas atmosféricas2
2.Os parâmetros dos Raios4
3.Classificação das instalações4
4.Técnicas de aterramento6
5.Blindagem das instalações8

1. Origem e formação das Descargas Atmosféricas

O termo descarga atmosférica designa genericamente as descargas que ocorrem dentro das nuvens (as intra-nuvens) entre duas nuvens próximas (as internuvens), e as entre nuvens e terra. Já se tentou na década de 50, normalizar uma nomenclatura brasileira, chamando de relâmpago as descargas dentro ou entre nuvens e de raios as descargas para terra. Como isto não foi conseguido o uso da expressão "descarga atmosférica" parece ser uma solução razoável. Na literatura encontram-se as três designações como equivalentes. O termo "faisca" parece ter sido reservado a pequenas descargas simultâneas com os raios e relâmpagos ou parte deles. É interessante observar que os aparelhos ou dispositivos usados para proteção contra os efeitos das descargas atmosféricas são designados por páraraios sugerindo que deveríamos usar o termo "raios" para as descargas entre nuvem e terra que são aquelas para as quais são construídos esses aparelhos e dispositivos.

Há várias representações e teorias para representar e explicar a formação das cargas e o modelo das nuvens.

A representação mais comum entre os eletricistas é a representação bi-polar: a nuvem seria representada por um enorme bipolo com as cargas positivas na parte superior e as negativas na inferior. Esse bipolo teria uma altura de 10 a 15 km e extensão

Por esse modelo a diferença de temperatura entre a base e o teto da nuvem (65 a 70 graus Celsius) provoca a formação de correntes ascendentes no centro da nuvem e descendentes nas bordas. Essas correntes de ar deslocando as partículas provocaria o atrito e conseqüente carregamento, formando assim o bipolo. A diferença de velocidade entre os ventos transversais na base e no teto da nuvem pode causar uma deformação da nuvem que assume o aspecto de "bigorna ".

A existência de uma base carregada negativamente induz a separação das cargas na terra, formando-se uma área com cargas positivas sob a nuvem e com cargas negativas em regiões afastadas.

Quando há uma descarga terra - nuvem que neutraliza a base da nuvem, as cargas positivas do topo da nuvem vão neutralizar as cargas negativas da terra fechando o circuito elétrico. Enquanto a descarga ascendente tem uma secção muito pequena e alta densidade ( alguns kA/cm2) a corrente descendente ocupa uma secção muito grande e a densidade é muito baixa ( fração de A/m2).

A descarga terra nuvem no modelo usado pelos eletricistas é a descarga de retorno : inicialmente temse uma descarga dentro da nuvem e em seguida a ela uma descarga descendente nuvem - terra (é denominada líder) de intensidade baixa.

Quando essa descarga se aproxima da terra, as cargas desta vão se agrupando, aumentando o campo elétrico e dando origem a pequenas descargas ascendentes (lideres ascendentes). O encontro de um ou mais desses lideres ascendentes com o líder descendente (que tem alguns ramos ou braços) forma um caminho ionizado entre a nuvem e a terra pelo

qual escoará uma corrente de alta intensidade denominada corrente de retorno.

Essa descarga de retorno, sendo de grande densidade causa aquecimento do ar e a sua expansão produzindo um ruído (trovão) ouvido a 20 ou mais km de distância. A temperatura no centro do canal do raio atinge dezenas de milhares de graus Celsius e a intensidade da corrente atinge dezenas ou mesmo centenas de kilo-amperes.

As descargas que, como as descritas acima, se originam da parte da nuvem com cargas negativas são chamadas raios negativos, acreditando-se que 90% das descargas à terra são desse tipo. Quando as nuvens são mais baixas podem ocorrer descargas originadas na parte superior que contem as cargas positivas das nuvens. Estas descargas são, regra geral, de maior intensidade que as anteriores e são denominados raios positivos.

Nas montanhas e nas estruturas altas (como torres de telecomunicações) o líder que dá origem à descarga pode ser ascendente e a descarga de retorno será então da nuvem à terra, podendo ser negativa ou positiva.

Os raios negativos terra - nuvem, pela sua maior freqüência, são os mais estudados e os modelos existentes para proteção de estruturas ou linhas de transmissão consideram somente essas descargas.

Para se dimensionar os componentes dos sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) das estruturas, no entanto, são considerados ambos os tipos de descarga (positiva e negativa) de modo que se a distribuição não for a considerada acima (90 e 10%) não será necessário alterar as normas quanto ao dimensionamento dos componentes.

É possível que se consiga, algum dia, modelar também as descargas positivas e nesse caso poderia sim, ser necessário aumentar o número de captores

(proteção pelo Modelo Eletro-Geométrico ou pelo método de Franklin) ou diminuir o espaçamento entre os condutores (método das malhas ou gaiolas). Como as estatísticas de falhas admitidas para os SPDA têm concordado com a teoria em que foram baseadas, não há, num futuro previsível necessidade de alteração dos dimensionamentos das proteções. Quanto à intensidade e duração das correntes dos raios são considerados dois tipos básicos: alta intensidade (dezenas de kA) e curta duração (dezenas de ns) e baixa intensidade (dezenas de A) e longa duração (dezenas ou centenas de ms).

As descargas ascendentes não conseguem, na maioria dos casos, neutralizar toda a carga da nuvem e podem ocorrer no mesmo canal (ou canais derivados dele) outras descargas formando o que se convencionou chamar de raio múltiplo que pode ter até 30 ou 40 descargas, mas têm uma média de 3 ou 4 descargas. Em língua inglesa uma descarga à terra é denominada "stroke" e um conjunto de strokes da mesma descarga é denominado "flash". Entre os strokes e após o último stroke tem-se uma corrente de baixa intensidade e de longa duração.

É interessante observar que a primeira descarga de retorno (stroke) tem maior intensidade que a segunda, mas esta tem uma taxa di/dt maior que aquela.

2. Os parâmetros dos raios

Para o dimensionamento dos componentes dos SPDA assim como das alturas e afastamentos de captores verticais e horizontais devem ser consideradas ainda a carga total em coulombs ( de um flash) que o SPDA deve receber e conduzir para terra.

Baseando-se em levantamentos feitos em vários laboratórios espalhados pelo hemisfério norte e um no hemisfério sul (na África do Sul) foram construídos gráficos e tabelas através dos quais é possível exprimir cada parâmetro dos raios em função da grandeza e da respectiva probabilidade.

No projeto 81 (Secretariat) 57.1993 da IEC que deverá ser discutido pela comissão 81.1 da ABNT foram adotados os seguintes valores para os parâmetros do primeiro stroke E: a) Corrente (valor de crista) Para o Nível I: 200 kA Para o Nível I: 150 kA Para os Níveis I e IV: 100 kA b) Tempos de frente t1 e de cauda t2 válidos para todos os níveis t1 = 10 ms t2 = 350 ms c) Carga em Coulombs de um "stroke " de curta duração Para o nível I = 100 C Para o nível I = 75 C Para os níveis I e IV = 50 C d) Para a energia especifica W/R total (do flash) dada em MJ/Ω Para o nível I = 10 MJ/Ω Para o nível I = 5,6 MJ/Ω Para os níveis I e IV = 2,5 MJ/Ω

Para o stroke subsequente foram adotados: a) Valor de crista da corrente Para o nível I : 50 kA Para o nível I : 37,5 kA Para o níveis I e IV : 25 kA b) Tempos de frente e de cauda t1 = 0,25 ms e t2 = 100 ms para todos os níveis c) inclinação média (entre 30% e 90%) Para o nível I : 200 kA/ms Para o nível I : 150 kA/ms Para os níveis I e IV : 100 kA/ms

Nota-se que por esses levantamentos a corrente média é de 35kA e que nos levantamentos feitos pela CEMIG é de 45kA, aproximadamente, mas os valores mais altos coincidem em todas as pesquisas. Só recentemente têm sido registrados casos muito raros de correntes acima de 300kA que são denominados super-raios. É preciso ainda verificar se as corrente são mesmo tão elevadas ou se são erros de medição.

Para as descargas de longa duração foram adotados: a) Carga Q1 Para o nível I : 200 C Para o nível I : 150 C Para os níveis I e IV : 100 C b) Duração (tempo durante o qual a corrente fica acima de 10% do valor de crista) Para todos os níveis: 0,5s.

3. Classificação das Instalações. 3.1 Segundo a norma ANSI C62.41-1991

Inicialmente a referida norma divide os ambientes das instalações em que podem estar os equipamentos em Categorias de Localização: A, B e C com solicitações crescentes de A para C. Basicamente o ambiente A é dos ramais, o B é dos quadros de distribuição e C é das entradas.

Além de localização é considerada também a exposição aos surtos: baixa, média e alta e as categorias passam a ser denominadas com um índice adicional. Exemplo: A1, A2, A3. A exposição é considerada alta quando o índice cerâunico da região é elevado, a estrutura está em situação isolada e as linhas são expostas (não correm entre prédios de concreto mais altos ou se subterrâneas estão em dutos não metálicos).

É considerada baixa se o índice cerâunico é baixo, a estrutura está entre outras mais altas e as linhas estão blindadas pelas estruturas vizinhas. Um exemplo de alta exposição é o de um edifício isolado em zona rural situado no alto de um morro em zona de índice cerâunico maior que 80.

Para cada situação, com base em levantamentos estatísticos, são dadas estimativas das tensões e correntes com formas de onda padronizadas.

As duas ondas padronizadas são:

1. Onda amortecida (ring wave) 0,5 ms - 100 kHz: É uma onda senoidal exponencialmente amortecida que atinge o valor de crista em 0,5ms e depois oscila com a freqüência de 100 kHz.

2. Onda combinada (combo wave): 1,2/50 ms - 8/20 ms: É a onda produzida por um gerador de impulso que em vazio fornece um impulso de tensão com a forma 1,2/50 e em curto circuito fornece uma onda de corrente da forma 8/20. Nos USA é denominado gerador Combo e na Europa é conhecido como gerador híbrido.

A onda amortecida 0,5 us - 100 kHz representa o deslocamento ao longo da fiação de um impulso unidirecional de tensão aplicado na entrada da instalação.

Por esse motivo ela não é especificada para a categoria C. Por outro lado, o impulso unidirecional não é especificado para a categoria A porque ao passar pela fiação sofre modificação pelas indutâncias e capacitâncias da fiação, tonando-se uma ring wave.

A onda amortecida tem os seguintes valores definidos para tensão, corrente e impedância efetiva (tabela 1).

A onda combinada tem os seguintes valores especificados:(tabela 2) Os valores de tensão e corrente (de crista) são os esperados em cada uma das localizações.

3.2 Segundo as Normas IEC

A IEC 664-1 divide as instalações em quatro categorias I, I, II e IV, desde a entrada (I), quadro de distribuição (I) e ramais (II). A categoria IV é dos equipamentos que serão ligados após a categoria I e que deverão ter uma proteção adicional, com redução da tensão por um dispositivo de proteção contra surtos. A IEC 664-1 fornece tabelas com os valores das tensões mais comumente utilizadas e as tensões que deverão ser suportadas pelos equipamentos nas diversas categorias.

A tendência dentro do Comité 81 da IEC é introduzir o conceito de zonas de proteção da compatibilidade eletromagnética ou também chamada proteção topológica Em cada interface entre as zonas deverão ser instalados dispositivos de proteção contra surtos (SPD, conservando a abreviação em inglês) a serem dimensionados de acordo com a tensão e corrente que podem chegar a essa interface. Para isso, os fabricantes de SPD's deverão fornecer não só a tensão residual (ou de grampeamento) mas também a corrente que poderá passar para o SPD seguinte ou para o equipamento protegido.

Nas entradas das instalações deverão, por essa filosofia, ser instalados pára-raios de grande capacidade de escoar correntes de impulso e que serão denominados pára-raios de corrente; os demais serão denominados pára-raios de tensão ou supressores de surtos. Uma das dificuldades é a determinação da capacidade desses pára-raios de corrente: se compararmos as correntes dos raios para o nível I (100 kA) com a capacidade atual pedida para os pára-raios de baixa tensão (5kA), vemos que é muito grande a diferença entre esses dois valores. Quando cai um raio em uma edificação considera-se que 50% da corrente vai para o sistema de aterramento e que o restante sai pelas tubulações metálicas e fiações que penetram na estrutura. Se a proteção for de acordo com o nível I ( as correntes de projeto são de 200 kA) as tubulações forem de plástico e o circuito for monofásico, sairão pelos condutores correntes da ordem de 100kA; este é um caso extremo que alguns consideram exagerado e impossível de acontecer enquanto outros consideram que o pior caso é que deve ser considerado.

Os equipamentos, por sua vez deverão ser especificados pelas tensões e correntes suportáveis e não só pelas tensões como atualmente. Os protetores serão considerados quadripolos caixas pretas, que recebendo uma tensão e uma corrente, deixarão passar uma tensão e uma corrente menores. Estes valores serão comparados com as características dos SPD seguintes ou com as características suportáveis dos equipamentos.

Essa filosofia ainda demorará algum tempo para ser implantada pois dependerá do de acordo de várias comissões de diferentes comités como os de proteção (81), coordenação de isolamento (28) instalações (64) e para raios (37). Foi formado um grupo de estudo com representantes dos vários comités que deverá elaborar um documento a ser aprovado independentemente por cada um deles. Estima-se em 2 a 3 anos o tempo necessário para se chegar a um consenso e elaborar um documento geral a ser submetido à aprovação dos diferentes países o que não deverá acontecer antes do ano 2.0. A ABNT tem adotado como procedimento básico seguir as normas da IEC mas neste caso, enquanto não for publicado o documento final da IEC poderia ser elaborado um documento baseado na norma ANSI acima referida sob a forma de um guia para não ficarmos no vazio. Baseando-nos nesta norma apresentamos a seguir as recomendações para proteção dos circuitos de força e de telefonia.

4. Técnicas de Aterramento 4.1: A finalidade

A finalidade do aterramento nas instalações de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) é dissipar no solo as correntes dos raios recebidas pelos captores e conduzidas pelas descidas. Quando da dissipação devem ser satisfeitas as seguintes condições: n Não devem surgir diferenças de potencial entre equipamentos ou partes de um mesmo equipamento; n Não devem surgir no solo diferenças de potencial que causem tensões de passo perigosas às pessoas; n Não devem surgir entre as partes metálicas e o solo diferenças de potencial que causem tensões de toque ou descargas laterais às pessoas.

Para serem satisfeitas essas condições procura-se, equalizar os referenciais de potencial das diferentes entradas (força e telefone, por exemplo) de modo que não surjam diferenças de potencial perigosas aos equipamentos. É preciso que as massas dos equipamentos sejam também mantidas ao mesmo potencial das alimentações e dos prédios para que não surjam diferenças de potencial perigosas às pessoas que estiverem em contato com os equipamentos.

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