Proteção contra Descargas Atmosféricas: História e Sistemas EletroMagnéticos, Notas de estudo de Cultura

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Proteção contra descargas

atmosféricas

Instrumentação e sensores

Curso de Formação de Eletricistas Especializados – Proteção contra cargas atmosféricas

 SENAI-SP, 2005

Equipe responsável Coordenação Aurélio Ribeiro Seleção de conteúdos Rener Gazano Elaboração de ensaios Rener Gazano Capa José Joaquim Pecegueiro

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1. Descargas Atmosféricas

ORIGEM E CONCEITUAÇÃO

No passado, o homem pensava que os raios e o trovão eram os avisos dos Deuses enfurecidos. Muitas crenças relacionavam os raios e trovões. Benjamim Franklin em 1752 fez os primeiros experimentos sobre as descargas atmosféricas, utilizando uma pipa com um fio metálico para comprovar que as nuvens podiam conter cargas elétricas. Desde aquela época os fenômenos dos raios, ou descargas atmosféricas, vêm sendo estudados. Hoje essas descargas são analisadas como os fenômenos elétricos entre nuvens e a terra.

As tempestades envolvem grandes nuvens chamadas cumulus nimbus. São nuvens pesadas, com uns 10, ou mais, quilômetros de diâmetro na base e uns 10 a 20 quilômetros de altura. A carga elétrica em nuvem de tempestade indica ter uma distribuição de carga semelhante, grosso modo, a da Fig. 1.35. O topo da nuvem é carregado positivamente e a base, negativamente.

Fig. 1.

As cargas negativas concentradas no pé da nuvem induzem cargas positivas no solo, abaixo delas. Entre a nuvem e o solo podem surgir diferenças de potencial elétrico da ordem de milhões de volts. É aí que se dão algumas das descargas elétricas que chamamos de raio.

Imagine uma gota de água no interior de uma nuvem, caindo por gravidade. A Fig 1.36 mostra essa gota com um aumento no tamanho. Como a gota está na presença de nosso conhecido campo elétrico estático criado pelo atrito entre as nuvens, haverá alguma separação de cargas dentro dela. A gota fica polarizada, com a parte de cima negativa e a de baixo, positiva. Na queda, a gota vai

encontrando alguns dos tais íons positivos e negativos que existem na atmosfera. Os íons positivos são repelidos pela frente de ataque da gota em queda, enquanto os íons negativos são atraídos. Desse modo, à medida que cai, a gota vai acumulando cargas negativas e levando-as para a base da nuvem. Por conseqüência, à parte de cima da nuvem fica cada vez mais positiva.

Fig. 1.

Anatomia de um raio

Na linguagem popular, relâmpago é o clarão intenso e raio é a descarga elétrica que causa o clarão. Adotaremos essa terminologia para descrever como é um raio. A maioria dos raios ocorre dentro da própria nuvem ou de uma nuvem para outra. Mas, vamos nos limitar a descrever um raio entre uma nuvem e o solo. Vale informar que este é um assunto de pesquisa em progresso, portanto, inacabado. A presença de cargas negativas na base da nuvem induz uma carga positiva no solo, resultando em diferenças de potencial de milhões de volts entre a nuvem e a terra. Uma voltagem tão alta pode romper a capacidade de isolamento do ar (chamada de rigidez dielétrica ) fazendo com que elétrons, cargas negativas, comecem a se mover da nuvem para a terra. A Fig. 1.37 abaixo mostra uma seqüência do que acontece nesse momento.

Fig. 1.

Fig. 1.

Mitos, lendas e verdades

Raios nunca caem no mesmo lugar, Grande mentira. Pelo contrário, raios caem várias vezes no mesmo local. O mastro de bandeira que existe em Brasília, no meio da Praça dos 3 Poderes, já foi atingido por raios inúmeras vezes, e resistiu. Edifícios altos com o Empire States é atingido por raios freqüentemente. A descarga de conexão costuma se iniciar em algo pontudo que se destaca da planura ao redor, como um prédio, ou uma árvore. Se você for surpreendido por uma tempestade no meio do campo aberto, nunca procure abrigo sob uma árvore isolada.

É perigoso falar no telefone durante uma tempestade, pois em alguns poucos casos pessoas morreram porque estavam no telefone quando um raio atingiu suas casas ou atingiu a própria rede telefônica propagando-se pela fiação.

Contando os segundos entre o relâmpago e o trovão dá para saber a distância do raio, pois a velocidade do som no ar é cerca de 330 m/s. Portanto, conte os segundos desde o instante do relâmpago até ouvir o trovão, divida por 3 e terá a distância aproximada até o canal do raio, em quilômetros.

Depois da trovoada, sempre vem uma forte chuva. Isto é verdade, pois embora possa haver chuvas fortes sem trovoadas. Um modelo do físico atmosférico Bernard Vonnegut sugere que grandes gotas de água se formam em torno do canal de descarga elétrica dentro da nuvem. Esse modelo é plausível, mas ninguém ainda conseguiu comprová-lo experimentalmente, em razão das óbvias dificuldades de testá-lo.

4.2. SOBRE TENSÃO TRANSITÓRIAS E CORRENTES DE PICO

A descarga do raio sobre qualquer ponto de impacto provoca transitórios que se caracterizam por sua curta duração, crescimento rápido e valores de crista muito elevados. As sobre tensões geradas podem chegar até as instalações de três formas:

Sobre tensão Conduzida Sobre tensão Induzida Aumento do Potencial do Solo A descarga atmosférica atinge diretamente linhas de energia ou telefonia, gerando um surto de corrente da ordem de vários kA, que se desloca por quilômetros de distância em ambos sentidos do ponto de impacto.

A descarga atmosférica provoca indução eletromagnética em linhas de energia, telefonia ou dados, gerando um surto de corrente de kA, que provoca queima de equipamentos, falha na operação e possíveis danos pessoais.

A descarga atmosférica atinge o solo, provocando elevação do potencial do solo, induzindo altos valores de sobre tensões em fios ou cabos enterrados.

Modos de propagação

Podemos citar dois modos de propagação:

Modo Comum: São perturbações que ocorrem entre um condutor ativo e o terra (fase-terra ou neutro-terra).

Modo Diferencial: São perturbações que ocorrem entre condutores ativos (fase- fase ou fase-neutro).

Os principais tipos de transientes que ocorrem em linhas de transmissão têm origem em descargas atmosféricas ou em chaveamentos que ocorrem nas linhas. São importantes devido às amplitudes e energia das ondas, que provocam sérios problemas em equipamentos. É utilizado como padrão de onda de sobre tensão o formato apresentado na Fig 1.39. Esta onda é caracterizada por uma rampa de subida bastante rápida, até o ponto de tensão máxima, decrescendo a partir daí lentamente até extinguir-se. A onda é então descrita como t1Xt2, onde t1 descreve o tempo de subida e t2 o tempo de descida até 50% da tensão máxima.

A NBR 5419 determina as especificações de projeto, medições, instalação e manutenção de um sistema de pára-raios, desde a ponta extrema do mais alto elemento de captação, até o subsistema de aterramento, passando por sua equalização de potenciais junto ao TAP (Terminal de Aterramento Principal).

A versão de 2001 apresenta substanciais mudanças em relação à norma de 1993, portanto devem ser feitas as adequações em todas as edificações para as especificações atuais de acordo com a ABNT (Associação Brasileira de Normas Técnicas).

Apresentaremos Abaixo as principais mudanças a serem aplicadas:

Sistema de Captação

O sistema de captação (que fica no topo dos edifícios) é aquele destinado a interceptar e receber o impacto das descargas dos raios, havendo dois métodos básicos de instalação:

• Condutores horizontais geralmente cabos de cobre;
• Condutores verticais geralmente captores Franklin sobre mastros ou postes de aço zincado.

Descidas

O sistema de descidas é aquele destinado a conduzir as correntes das descargas de raios desde sua captação até o aterramento. Pode ser instalado de forma externa, embutida na alvenaria das edificações ou, preferencialmente utilizando-se suas ferragens naturais. Podemos salientar para este subsistema as seguintes alterações:

Em caso de descidas externas, a bitola do cabo de descida para edificações com altura superior a 20m, deverá ser de 35 mm^2. As Emendas

• Não se pode em caso de descidas com cabos de cobre usar-se emendas ou ainda soldas com exceção da conexão com haste de aterramento (no solo);
• Em estruturas metálicas utilizadas como condutores (por exemplo: prédios com armação metálica aparente, torres, etc.) as emendas continuam permitidas, desde que respeitadas as regras de trespasse mínimo que permita uma área de contato de 100 cm².

O número dos condutores de descida

Foi enfatizada a necessidade da instalação do número de condutores de descida de acordo com o resultado do cálculo descrito na norma, com distanciamento (10, 15, 20 ou 25 m) dependendo do nível de proteção. A fixação dos condutores pode ser feita diretamente sobre as mesmas ou embutidas dentro do reboco.

O Aterramento

O subsistema de aterramento é aquele destinado a conduzir e dispersar no solo as correntes das descargas dos raios provenientes das descidas. Pode ser instalado de forma externa ou, preferencialmente, utilizando-se as ferragens estruturais das fundações das edificações. Podemos salientar para o aterramento, as seguintes alterações:

O condutor de aterramento – Conhecido pelos instaladores como rabicho de aterramento, que é aquele trecho de cabo que interliga um elemento condutor da descida ao eletrodo de aterramento, deverá ter bitola mínima alterada. Exemplo: um trecho de cabo de cobre que interliga uma coluna metálica, ou conector de medição da descida ao anel de aterramento, deve ter bitola mínima de 50 mm².

O aterramento tipo A ou pontual – Definiu-se que aterramento tipo “A” ou pontual, só poderá ser utilizado em edificações com até 25 m de perímetro localizadas em solos cuja resistividade seja de até 100 Ω * m.

O valor da resistência do aterramento – O valor da resistência de 10 Ω continua sendo uma referência recomendada, porém, em locais onde o solo apresente alta resistividade, poderão ser aceitos valores maiores, desde que sejam feitos arranjos que minimizem os potenciais de passo e de toque, e que esses procedimentos sejam tecnicamente justificados.

O anel de aterramento – Nos casos em que seja impossível a execução do aterramento em forma de anel fechado e enterrado a 0,5 m do piso, deverá ser instalado um anel a, no máximo, 4 m acima do nível do solo, funcionando como distribuidor das correntes conduzidas pelas descidas que obviamente deverão ser aterradas com eletrodos verticais.

Quando devem ser realizadas as inspeções periódicas no sistema

• Visuais, anualmente, para detectar eventuais problemas emergenciais e realizar manutenção corretiva;
• Dependendo da agressividade do ambiente em que foi instalado (com maresia, por exemplo) o SPDA deverá sofrer manutenções cuja periodicidade pode variar de 1 a 5 anos,
• Após estas manutenções deverão ser reemitidos os laudos de conformidade por empresa de engenharia idônea.

. Interferências

eletromagnéticas em

instalações e instrumentos

10.1. INTERFERÊNCIA ELETROMAGNÉTICA

A Interferência eletromagnética ( Electro Magnetic Interference – EMI) é a ocorrência de alterações funcionais em um determinado equipamento devido a sua exposição a campos eletromagnéticos.

Campos eletromagnéticos (ou ondas eletromagnéticas) resultam da combinação de um campo magnético e um campo elétrico, ambos variantes no tempo, em planos perpendiculares.

Fig. 1.80 – Campos estacionários devidos a fontes fixas: magnético e elétrico

Fig. 1.81 – Radiação de um campo eletromagnético no espaço

A radiação de campos eletromagnéticos no espaço é a forma mais eficiente de transmissão de energia e informação (através da modulação da onda portadora). O alcance e a capacidade de transportar energia e/ou informação dependem da freqüência do campo eletromagnético, da sua potência e da eficiência do acoplamento entre emissor e receptor. A transmissão de energia eletromagnética pode se dar também por condução direta (através de fios e cabos elétricos): é a chamada interferência conduzida. Depende de meio físico para se propagar (e por isso é mais fácil de ser contida).

O Espectro Eletromagnético: uma propriedade importante dos campos eletromagnéticos é a sua freqüência (medida em hertz – Hz, ou ciclos por segundo). Os campos com as freqüências mais baixas (abaixo de 3 kHz) são chamados ELF ( extra low frequency ). São gerados por máquinas elétricas e linhas de transmissão de energia (60 Hz). Freqüências na região de kHz e MHz são chamadas rádio freqüências (RF), e são usadas para telecomunicações (rádio, TV, etc.). Há uma divisão arbitrária em faixas de freqüência com diversas siglas para particularizar faixas: EHF, SHF, UHF, VHF, HF, MF, LF e VLF. Além dos equipamentos de radiodifusão, os computadores também emitem RF na faixa de kHz, além dos campos associados à sua alimentação CA. As freqüências na faixa de muitos MHz e GHz (chamada faixa de microondas) são usadas para telefonia celular, fornos de microondas e Radar. O faixa de radiações acima das microondas e abaixo da luz visível é chamado infravermelho. Este tipo de radiação eletromagnética é o calor radiante emitido por objetos quentes. A luz visível é uma faixa estreita de freqüências em torno de 1015 Hz, perceptível pelos nossos olhos. Fig. 1.

A região espectral acima da luz visível recebe os seguintes nomes, de acordo com as freqüências crescentes: ultravioleta, raios-X, raios gama, radiação nuclear. Nesta faixa de freqüências, as radiações são chamadas ionizantes (e abaixo deste limite são chamadas não ionizantes).

Radiações ionizantes contêm muita energia em seus quanta (fótons), podendo deslocar elétrons das camadas mais exteriores dos átomos que atingem. Esses átomos ionizados são muito reativos, e os elétrons deslocados (também

Na interconexão de Equipamentos Elétricos e Eletrônicos Sensíveis - EES, deve- se observar sempre procedimentos que permitam a coexistência dos equipamentos de tal forma que, dentro de limites preestabelecidos, não haja degradação no funcionamento normal dos equipamentos.

A degradação é desvio indesejado do desempenho operacional de qualquer equipamento e/ou sistema em relação ao desempenho pretendido. Pode ser decorrente de uma falha temporária ou permanente.

Ruído eletromagnético é fenômeno eletromagnético variável no tempo que não transporta aparentemente nenhuma informação, e que pode se superpor ou combinar com um sinal desejado.

Considerado um determinado ambiente eletromagnético, denominados Compatibilidade Eletromagnética ( Electromagnetic Compatibility – EMC) à condição de mínimas interferências recíprocas entre os diversos equipamentos que devem operar neste ambiente.

Existem basicamente dois estados: o estado de vítima , ou o equipamento que sofre a interferência, e o estado de culpado , ou o equipamento que produz o sinal interferente.

Em função do tipo de acoplamento entre os equipamentos dão-se fenômenos interferentes específicos que, dependendo dos parâmetros de acoplamento podem atingir níveis intoleráveis, os quais produzem desde funcionamento errático até danos irreversíveis. Na produção de interferências existem três tipos básicos de acoplamentos mais importantes para a nossa análise:

• Acoplamento indutivo;
• Acoplamento capacitivo;
• Acoplamento de modo comum ou conduzido;
• Acoplamento de modo irradiado ou produzido por emissões de RF.

Assim sendo, EMC analisamos as circunstâncias em que podem ocorrer acoplamentos específicos das naturezas mencionadas anteriormente, os quais, em função da suscetibilidade ou imunidade de cada equipamento define, no quadro geral, quem será o interferente e quem será a vítima no âmbito das interferências eletromagnéticas (EMI).

A suscetibilidade é a característica de equipamento eletrônico permitir uma resposta indesejada quando submetido à energia eletromagnética e imunidade é a capacidade de um equipamento e/ou sistema funcionar sem degradação na presença de uma perturbação eletromagnética.

10.3. MECANISMO DAS INTERFERÊNCIAS ELETROMAGNÉTICAS

Interferência Eletromagnética (EMI) ocorre quando há energia transferida de um sistema para outro, e há um comportamento indesejável no receptor dessa energia. Em todos os casos, a EMI ocorre devido à combinação entre fonte emissora, meio transmissor e receptor susceptível.

Naturais Artificiais

Extraterrestre (baixa energia)

Terrestre (alta energia) Intencionais^ Não intencionais

Fontes Fixas

Fontes Móveis

Energia Elétrica

Equipamento Industrial, médico e de consumo.

Explosões Solares

Ruído Cósmico

Descarga Atmosférica

Descarga Eletrostática

Rádios AM/FM TV UHF/VHF Radares Enlaces Digitais

Telefones Celulares Walkie- Talkies Serviços de Comunica- ções Móveis

Linhas de Transmis- são de Alta tensão Transfor- madores Geradores Comutação Elétrica

Máquinas Industriais Eletrodomésti- cos Máquinas de Solda Equipamentos de Informática Lâmpadas Equipamentos Médicos

Tab. 1.15 – Fontes emissores de campo elétrico

Os efeitos das EMI são particularmente preocupantes quando ocorrem em EES – Equipamentos Eletrônicos Sensíveis, pelo efeito potencialmente danoso ao processo produtivo (erros em medições, falhas em sistemas de controles ou até mesmos, pane nos equipamentos).

O ambiente industrial moderno é propício ao aparecimento de fenômenos de EMI, pela grande quantidade de equipamentos em operação simultânea, nem sempre com o necessário estudo de compatibilidade, e pelo uso crescente de tecnologias de comunicação sem fio ( wireless ). Muitos equipamentos podem apresentar um comportamento adequado e em conformidade com as normas de segurança quando em operação isolada (ou em ambiente controlado), mas se mostram interferentes ou susceptíveis quando em operação dentro de um conjunto de equipamentos.

A emissão de radiação eletromagnética pode ser: Intencional (sistemas de telemetria) Não Intencional (cabos de energia)

Fig. 1.83 – Emissão eletromagnética de um celular típico

A potência dos telefones celulares se ajusta automaticamente dependendo da intensidade do sinal da rádio-base, sendo tipicamente 600 mW. Já os rádios- comunicadores usados largamente na industria na operação, manutenção e segurança operam sob potências constantes, que podem atingir até 3 W.

Pode-se mensurar o quanto de ruído se induz em um cabo, através da aplicação da Eq. 1.70.

Campo irradiado (E) = √(30 * W) / d (1.70)

W = potência irradiada (Watts) d = distância (metros)

A ocorrência de EMI em equipamentos sensíveis devido à telefonia celular depende de:

• Polarização da antena transmissora (posição relativa da antena);
• Distância entre o telefone e o EES;
• Potência de emissão (nível de comunicação com a rádio-base);
• Face do equipamento exposta (capacidade de blindagem da caixa);
• Condições de operação de cada equipamento.

10.4. EFEITOS DE EMI EM EES

A título de exemplo, são apresentados abaixo alguns efeitos relatados em decorrência de EMI em EES:

EQUIPAMENTO INTERFERÊNCIAS OBSERVADAS

Computadores

-chaveamento da rede para a bateria (sem ausência da rede) -parada do equipamento

Inversores de freqüência

-alteração da forma de onda apresentada -parada do equipamento

Cartões eletrônicos -erros de processamento -queima de CI

CLP -parada do equipamento

Tab. 1.16 – Problemas aparentes em EES devido a EMI

A presença do telefone celular ou de um outro aparelho emissor de campo elétrico em um determinado ambiente não determina o aparecimento de uma EMI, mas aumenta a probabilidade de sua ocorrência.

A incompatibilidade entre tecnologias deve ser abordada pelo Engenheiro através de programas de gerenciamento das EMI. O gerenciamento da EMI no ambiente industrial deve abranger:

• Treinamento dos usuários para o reconhecimento do problema;
• Treinamento do pessoal técnico para investigação do problema;
• Procedimentos para relato, investigação e monitoração do problema;
• Aquisição de equipamentos que atendam às normas de compatibilidade eletromagnética.

O sucesso na investigação e na detecção dos efeitos das EMI depende de:

• Observar o ambiente cuidadosamente;
• Considerar influências ambientais;
• Lembrar que EMI muitas vezes são aleatórias;
• Conhecer os níveis de emissões e de imunidade dos equipamentos instalados;
• Problemas parecidos nem sempre têm soluções parecidas;
• Realizar medidas de campos elétricos quando possível; Realização de testes de emissão e imunidade após a manutenção do equipamento.

10.5. SUSCETIBILIDADE DAS INSTALAÇÕES E EQUIPAMENTOS A

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS