Quais são os sistemas de proteção contra descargas atmosféricas nas edificações?

Autor: Teodorio Arão Santos de Oliveira

Engenheiro de Segurança contra Incêndio e Pânico

Os raios (descargas atmosféricas) são fenômenos da natureza totalmente imprevisíveis e possuem vida curta. A origem específica dessas cargas elétricas em suspensão em nossa atmosfera ainda não é muito conhecida, mas muitos estudos apontam que grande parte delas é proveniente da ionização das partículas suspensas, como gelo e gotículas de água e poeira.

Essa ionização se dá através dos sucessivos choques entre essas partículas no momento da formação das nuvens. A ionização é a troca de cargas negativas (elétron) de uma partícula para a outra quando elas estão em movimento ascendente na atmosfera.

O resultado disso é que uma parte da nuvem fica com excesso de carga (seja ela negativa ou positiva) que formam campos elétricos tão fortes que são capazes de romper a rigidez dielétrica (resistência) do ar e descarregar uma forte corrente elétrica em nossa superfície.

Se pensarmos que milhares e milhares de choques deste tipo ocorrem a todo o momento, a carga na base de uma nuvem fica enorme. O resultado dessa carga enorme armazenada proporciona correntes superiores a 10.000 amperes, tensão de 100.000 volts e temperatura de 30.000ºC, conforme visto na Figura 1.

As descargas atmosféricas que atingem estruturas (ou linhas elétricas e tubulações que adentram nas estruturas) ou que atingem a terra em suas proximidades são perigosas às pessoas, às próprias estruturas, seus conteúdos e instalações. Portanto, medidas de proteção contra descargas atmosféricas devem ser consideradas.

O Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) é definido como um sistema completo para minimizar os danos físicos causados pelas descargas atmosféricas em uma estrutura.

O risco de queda de raios pode ser determinado realizando uma análise de risco de acordo com a norma ABNT NBR 5419-2:2015. O risco local é determinado pela multiplicação da frequência de raios com a probabilidade de dano e um fator para cobrir a provável perda/extensão do dano.

A classe de proteção contra raios, para edificações, é determinada com base no risco de raios e nos danos que podem ser esperados, conforme visto na Figura 2.

Quanto à eficiência em proteção contra raios, a classe I é a mais alta e chega a 98% e na classe IV a mais baixa chega a 80%, conforme a figura acima.

O custo e o tempo envolvidos na elaboração de projeto e construção de um sistema de proteção contra raios (por exemplo, ângulo de proteção necessário e espaçamentos de malhas e para-raios) são mais críticos em sistemas de classe I do que em sistemas de classe IV.

As quatro classes de SPDA são definidas como um conjunto de regras de construção, baseadas nos correspondentes níveis de proteção. Cada conjunto inclui regras dependentes do nível de proteção (por exemplo, raio da esfera rolante, largura da malha, etc.) e regras independentes do nível de proteção (por exemplo, seções transversais de cabos, materiais, etc.)

O SPDA externo é composto de três subsistemas: subsistema de captação, subsistema de descida e subsistema de aterramento, conforme visto na Figura 3. Com estes componentes é capaz de executar as funções requeridas, isto é, interceptar descargas elétricas diretas, descarregar a corrente de raio na terra e distribuí-la no solo.

O subsistema de captação utiliza objetos metálicos dispostos em qualquer direção, que são projetados e posicionados para interceptar as descargas atmosféricas. Esse subsistema pode ser composto dos seguintes componentes: barras de interceptação (incluindo mastros independentes), cabos tensionados, condutores em malha e elementos naturais (por exemplo, telhas metálicas).

O subsistema de descida é projetado para conduzir a corrente de descarga atmosférica desde o subsistema de captação até o subsistema de aterramento.

A fim de reduzir a probabilidade de danos causados pela corrente de raio que flui através do sistema de proteção de descargas atmosféricas, os condutores de descida devem ser fixados de tal forma que, entre o ponto de impacto e a terra:

• Possua diversos caminhos paralelos para a corrente elétrica;
• O caminho até a terra seja o mais curto possível;
• Haja equipotencialização entre as partes condutoras da estrutura do edifício.

Um condutor de descida deve ser instalado, preferencialmente, em cada canto saliente da estrutura, além dos demais condutores impostos pela distância de segurança calculada.

O subsistema de aterramento destina-se a conduzir e dispersar a corrente da descarga atmosférica na terra, prover a equipotencialização entre os condutores e controlar o potencial perto de elementos condutores na estrutura do edifício. Sob o ponto de vista da proteção, é essencial a existência de uma única infraestrutura de aterramento para atender a todos os propósitos, ou seja, a malha de aterramento deve ser comum e atender a proteção contra descargas atmosféricas, sistemas de energia elétrica e sinal (telecomunicações, TV a cabo, dados etc).

As consequências de um sistema de aterramento mal instalado pode acarretar os seguintes prejuízos:

• Sobretensões perigosas na ligação equipotencial;
• Diferença de potencial no sistema de aterramento;
• Destruição da fundação através de dissipação insuficiente para a corrente elétrica;
• Destruição da fundação através de conexões malfeitas (sem conexão terminal); e
• Desacoplamento elétrico de altas quantidades de energia elétrica.

De acordo com a classe encontrada no gerenciamento de riscos, é possível fazer o dimensionamento do SPDA externo. Ele pode ser feito de três tipos: método de Franklin, método Faraday e método Eletrogeométrico.

No método Franklin, um captor no topo da edificação forma uma área de proteção em formato de cone. É indicado para edificações de altura não muito elevada e pouca área horizontal.

O captor é composto por uma haste de tamanho variável, um sinalizador noturno, o captor e a ligação com as descidas. Sua função é atrair e captar descargas atmosféricas, transferindo-as para as descidas, conforme visto na Figura 4.

O ângulo de proteção formado pelo captor é tabelado pela norma em função da altura da haste e a classe de SPDA obtida no gerenciamento de risco, conforme visto na Figura 5. A equação vista na figura é para verificar se o raio de proteção é maior que o da área a ser protegida. Toda edificação deve estar dentro do cone de proteção.

Caso o raio não atenda a área a ser protegida podem ser adicionados mais captores Franklin, aumentando assim o lugar geométrico da proteção. O procedimento de cálculo é o mesmo. Por isso esse método não é recomendado para edificações com grande área horizontal: o alto número de captores tornaria sua execução onerosa.

Também devem ser dimensionadas a quantidade de descidas levando-se em consideração à classe do SPDA e ao perímetro da construção, conforme a Equação 01. Já o espaçamento médio entre as descidas devem ser de acordo com a classe do SPDA, conforme visto na Figura 6.

Onde:

NCD = Número de descidas;

PCO = Perímetro da construção (m)

DCD = Espaçamento entre os condutores de descida

No método Faraday, a cobertura da edificação deve ser toda revestida por condutores nus, que têm de ser ligados às descidas. A ideia é a mesma da gaiola de Faraday, de que no interior de uma superfície elétrica condutora o campo elétrico é nulo, já que as cargas elétricas se distribuem da maneira homogênea na parte externa da superfície.

O modelo tipo Faraday é composto de captor tipo aéreo, cabo de cobre nu, suportes isoladores, tubo de proteção, malha de aterramento e conector de medição, conforme visto na Figura 7.

No método Faraday é necessário determinar o número de condutores da malha captora. Esse número é determinado pela norma em função da largura da edificação e da classe de SPDA (ver Figura 8) de acordo com a Equação 02.

Onde:

NM = Número de linhas de captação

B = Largura da edificação (m)

DCD = Espaçamento entre os condutores da malha

Também é necessário determinar o número de descida, utilizando o procedimento da definição da malha captora, conforme Equação 03.

Onde:

NCD = Número de descidas

PCO = Perímetro da construção (m)

DCD = Espaçamento entre os condutores da malha

O método eletrogeométrico se baseia na delimitação do volume de proteção dos captores do SPDA. É utilizado em edificações de altura elevada ou geometria complexa.

O SPDA interno tem como objetivo minimizar o risco de danos elétricos aos equipamentos presentes na estrutura, que podem acontecer devido a ocorrência de sobretensões no sistema elétrico provocadas pelas descargas atmosféricas. A sobretensão acontece quando a rede ou qualquer outra fonte de eletricidade excede o seu valor nominal.

Esse sistema consiste basicamente, em um conjunto de medidas, que tendem a reduzir as tensões elétricas entre os diversos pontos de uma instalação. A tensão elétrica pode ser explicada como a quantidade de energia gerada para movimentar uma carga elétrica. Pode ser identificado pela equipotencialização (cabeamento que conecta o SPDA às estruturas) e isolação do cabeamento.

O uso correto dos sistemas de ligação equipotencial evita tensões de toque perigosas entre os componentes do sistema.

Todas as partes condutoras externas encaminhadas para o edifício devem ser conectadas umas com as outras para evitar diferenças no potencial.

Isso é possível através da conexão de todas as partes condutoras externas ao barramento de aterramento principal (BEP) são elas:

• Eletrodos de aterramento de fundação;
• Aterramento de proteção contra descargas atmosféricas;
• Condutor para ligação equipotencial de proteção;
• Tubulações metálicas de água, gás e aquecimento;
• Aterramento de antena;
• Partes de metal do edifício, dutos de ar condicionado, trilhos de guia de elevação, etc.;
• Blindagem metálicas de cabos.

Dispositivos de proteção contra surtos são utilizados para criar um sistema de ligação equipotencial adicional para todas as linhas de suprimento do sistema de baixa tensão e tecnologia da informação.

Para instalações sob condições ambientais especiais, por exemplo, áreas potencialmente explosivas, ou onde se aplicam requisitos normativos explícitos, deve ser implementada ligação equipotencial de proteção adicional.

Os corpos de todos os equipamentos fixos (não portáteis) na vizinhança imediata do local de instalação que podem ser tocados ao mesmo tempo devem ser conectados a todas as partes condutivas externas que possam ser tocadas ao mesmo tempo.

Para evitar possíveis diferenças, os seguintes componentes do sistema devem ser conectados, através da barra de aterramento principal (BEP), com cabos de equipotencialização são eles:

• Condutores eletricamente condutivos;
• Outros componentes condutivos;
• Condutores de proteção; e
• Eletrodos de aterramento.

O barramento de aterramento principal deve estar localizado na área de conexão principal ou próximo às conexões do edifício.

Em cada edifício, o cabo de aterramento e as seguintes partes condutoras devem ser equipotencializadas através do barramento de aterramento principal são elas:

• Tubos metálicos de sistemas de abastecimento;
• Partes condutoras externas da estrutura do edifício;
• Sistemas de centrais de aquecimento e ar condicionado;
• Condutores de proteção dentro do sistema elétrico; e
• Reforços de metal em estruturas de construção feitas de concreto armado.

Os cabos de ligação de potencial de proteção devem atender aos requisitos da norma ABNT NBR 5419. As dimensões mínimas dos condutores que interligam diferentes barramentos de equipotencialização (BEP) ou que ligam essas barras ao sistema de aterramento podem ser visto na Figura 9.

As dimensões mínimas dos condutores que ligam as instalações metálicas internas aos barramentos de equipotencialização podem ser vistos na Figura 10.

Os condutores devem ser protegidos de maneira adequada contra danos mecânicos, destruição química ou eletroquímica, bem como contra forças eletrodinâmicas e termodinâmicas.

Não é permitida a inserção de dispositivos de comutação no condutor de proteção, somente conexões para fins de teste são permitidas.

Os sistemas de proteção contra descargas atmosféricas devem, mesmo após o teste de aceitação, ser verificados em intervalos regulares para assegurar o funcionamento correto, estabelecer quaisquer falhas e realizar quaisquer reparos necessários.

O teste envolve a verificação da documentação técnica, a inspeção e a medição do sistema de proteção.

As atividades de teste e manutenção devem ser realizadas com base na norma e princípios técnicos.

Os testes também incluem a verificação do sistema interno de proteção contra raios. Isso inclui a verificação da ligação equipotencial de proteção contra descargas atmosféricas e subsistemas de proteção.

Um relatório de teste ou registro de teste é usado para registrar o teste e a manutenção de sistemas de proteção contra raios e deve ser atualizado ou recriado em cada teste/serviço.

Os critérios do teste levam em questão os seguintes itens:

• Verificar todos os registros e documentação, incluindo a conformidade com os padrões;
• Verificação do estado geral dos sistemas de interceptação e pára-raios e de todos os componentes de conexão e resistência de volume.
• Verificar o sistema de aterramento e as resistências de aterramento, incluindo transições e conexões.
• Verificar a proteção interna contra surtos.
• Confiabilidade de fixação das linhas e seus componentes.
• Documentar todas as alterações na estrutura do edifício.

A regularidade das inspeções é condição fundamental para a confiabilidade de um SPDA.

O responsável pela estrutura deve ser informado de todas as irregularidades observadas por meio de relatório técnico emitido após cada inspeção periódica.

Cabe ao profissional emitente da documentação recomendar, baseado nos danos encontrados, o prazo de manutenção no sistema, que pode variar desde “imediato” a “item de manutenção preventiva”.

A seguinte documentação técnica deve ser mantida no local, ou em poder dos responsáveis pela manutenção do SPDA:

• Relatório de análise de risco, indicando a necessidade de SPDA e seu respectivo nível de proteção;
• Desenhos em escala mostrando as dimensões, os materiais e as posições de todos os componentes do SPDA externo e interno;
• Quando aplicável, os dados sobre a natureza e a resistividade do solo;
• Registros de ensaios realizados no eletrodo de aterramento e outras medidas tomadas em relação a prevenção contra as tensões de toque e passo.

REFERÊNCIAS BIBLIOGRÁFICAS

ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5419-1 – Proteção contra descargas atmosféricas – Parte 1 – Princípios gerais, Rio de Janeiro, ABNT, 2015.

___NBR 5419-2 – Proteção contra descargas atmosféricas – Parte 2 – Gerenciamento de risco, Rio de Janeiro, ABNT, 2015 Versão Corrigida: 2018.

___NBR 5419-3 – Proteção contra descargas atmosféricas – Parte 3 – Danos físicos a estruturas e perigos à vida, Rio de Janeiro, ABNT, 2015 Versão Corrigida: 2018.

___NBR 5419-4 – Proteção contra descargas atmosféricas – Parte 4 – Sistemas elétricos e eletrônicos internos na estrutura, Rio de Janeiro, ABNT, 2015 Versão Corrigida: 2018.

CONSULTORIA, Fluxo. E-book: SPDA – Sistemas de Proteção contra Descargas Atmosféricas.

Eletrojr. E-book: O que é SPDA? – Tudo que você precisa saber.

ENGENHARIA, Eletrefikas. E-book: SPDA – O guia definitivo NBR 5419/2015.

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