Durante as tempestades observa-se queda da temperatura e aumento da umidade relativa do ar, o que diminui suas propriedades dielétricas. Ao mesmo tempo, o movimento das nuvens provoca um aumento do potencial elétrico entre elas e o solo. Esses dois fatores contribuem para eventual transferência de cargas elétricas entre nuvem e solo, isto é, uma descarga elétrica de curta duração e de alta intensidade.
Para evitar danos materiais e baixas são utilizados os pára-raios, que é que um elemento metálico situado a determinada altura e eletricamente ligado à terra, de forma que as descargas ocorram pelo caminho mais fácil, protegendo as suas imediações.
Para evitar danos materiais e baixas são utilizados os pára-raios, que é que um elemento metálico situado a determinada altura e eletricamente ligado à terra, de forma que as descargas ocorram pelo caminho mais fácil, protegendo as suas imediações.
Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) é um sistema de proteção de bens e pessoas contra os efeitos danosos de descargas elétricas de origem atmosféricas – Raios. O SPDA é parte integrante do projeto de combate a incêndios sendo exigido pelos bombeiros para liberação de alvarás, além de fazer parte do prontuário elétrico exigido pela norma regulamentadora nº10 do Ministério do Trabalho e Emprego.
É um sistema composto de três subsistemas: Captores, Descidas e Malha de Aterramento, onde cada elemento deve ser dimensionado de forma a suportar as solicitações eletromecânicas de uma descarga direta.
Os sistemas mais comuns utilizados atualmente são os captores verticais (franklin) combinado com captores em malha (gaiola de faraday). Devido à natureza das descargas, no entanto, dificilmente a proteção poderá ser 100% segura, mas pode se aproximar disto.
2 - Para minimizar os danos estéticos nas fachadas e no nível dos terraços, podem ser usados condutores chatos de cobre.
3 - A malha de aterramento deverá ser com cabo de cobre nu #50mm² a 0,5m de profundidade no solo, interligando todas as descidas.
4 - Os eletrodos de aterramento tipo “Copperweld” deverão ser de alta camada (254 microns).
5 - As conexões enterradas deverão ser preferencialmente com solda exotérmica, onde deverá ser instalada uma caixa de inspeção de solo para proteção e manutenção.
6 - Todas as ferragens deverão ser galvanizadas a fogo, sendo portanto proibida a galvanização eletrolítica.
7 - As equalizações de potenciais deverão ser no mínimo executadas no nível do solo e a cada 20m de altura, onde deverão ser interligadas todas as malhas de aterramento, bem como todas as prumadas metálicas da edificação e a própria estrutura da edificação.
8 - As tubulações de gás com proteção catódica não poderão ser vinculadas diretamente. Neste caso deverá ser instalado um DPS tipo centelhador.
9 - Todos os furos realizados na instalação do SPDA devem ser bem vedados para evitar infiltrações. Recomenda-se o uso de porcas, arruelas e parafusos em aço inox e buchas de nylon para aumentar a vida útil do SPDA.
Captores para Proteção contra Descargas Atmosféricas
A palavra captor é freqüentemente usada como sinônimo de pára-raios. Em geral, refere-se especificamente ao elemento situado no topo, que recebe diretamente o raio. O captor mais usado atualmente é o tipo Franklin, que consiste de um conjunto de algumas hastes pontiagudas para facilitar a condução, montado em um mastro vertical.
Benjamin Franklin, estabeleceu o conceito dos pára-raios e o principio de funcionamento de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA). O experimento consistiu em colocar uma haste metálica abaixo de uma nuvem de tempestade estabelecer o contacto com um corpo ligado à terra, para permitir descarregar. Um SPDA é composto essencialmente por três componentes, o elemento captor, os condutores de descida e o sistema de aterramento. Atualmente existe três modelos de pára-raios: o captor do tipo de Franklin, o captor de avanço à ignição (ionizantes) e a gaiola de Faraday.
Implementação SPDA através de ponta de Franklin: O captador do tipo "Franklin" é constituído por uma haste metálica , sendo a extremidade superior é pontiaguda para ter uma maior poder de acúmulo de cargas. Para implementação SPDA através de ponta de Franklin o método do ângulo de proteção é uma das formas de concepção do dispositivo captador. O edifício a proteger tem de se encontrar dentro da área de proteção das hastes captoras ou do dispositivo captação.
O raio do cone de proteção é calculado pela fórmula ao lado, sendo h a altura entre a ponta de Franklin e a superfície a proteger. O ângulo α deve ser aplicado de acordo com a superfície protegida B. O campo de proteção é dado pelo cone com vértice no captor, com geratriz que faz ângulo de 60º com a vertical, para níveis de proteção maiores esse ângulo deve ser menor.
Implementação SPDA através da gaiola de Faraday: Os dispositivos captores também podem ser determinados por meio do método da esfera. Para este método é necessário um modelo do objeto a proteger e uma esfera, que é rolada por cima do modelo. Tem de ser instalado um dispositivo captador em todos os pontos de contacto da esfera com o modelo. Outra forma de concepção do dispositivo captor é o método da malha, em que este é disposto na superfície do telhado, em forma de malha, a partir dos pontos mais sujeitos à queda de raios, desde a cumieira, cristas e arestas.
Número de descidas para Proteção contra Descargas Atmosféricas
A figura ao lado mostra a instalação padrão com apenas 1 captor. Entretanto, o número de captores deve ser dado em função da área a proteger conforme critério anterior. Todo o prédio e áreas a proteger devem estar dentro do campo de proteção. O cabo de descida é normalmente de cobre, com seção não inferior a 35 mm2. Como regra geral, a descida deve ser a mais direta possível, com o mínimo de curvas. Essas, quando necessárias, devem ter raio mínimo de 20 cm. Não deve haver emendas, exceto para o conector indicado, próximo ao solo, que permite separar as partes para medições do aterramento. Os espaçadores devem ser usados a cada 2 m no máximo e devem proporcionar um separação mínima de 20 cm entre cabo e prédio ou outras partes.
Quando se tem mais de um captor, o número de descidas deve ser dado pelo valor máximo entre as expressões abaixo:
Onde: n: número de descidas; a: área coberta do prédio em metros quadrados; h: altura do prédio em metros; p: perímetro do prédio em metros.
Se o valor de alguma parcela for fracionário, ele dever ser arredondado para o inteiro imediatamente superior.
O pára-raios foi inventado por Benjamin Franklin em 1752. Inicialmente houve resistência das religiões porque raio era considerado fúria de deus e o homem não podia interferir. A igreja católica declinou da objeção em 1769, quando um raio atingiu uma igreja perto de Veneza e provocou a ignição de uma grande quantidade de pólvora estocada nas proximidades, matando cerca de 3000 pessoas.
Um sistema de aterramento projetado e montado corretamente é um dos requisitos fundamentais para o bom funcionamento de um sistema elétrico, principalmente no que diz respeito a confiabilidade e segurança.
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O cálculo do sistema de aterramento com uma haste vertical cravada verticalmente em um solo homogêneo, tem uma resistência elétrica que pode ser determinada pela fórmula acima, onde L é o comprimento da haste em metro; a o diâmetro das hastes; p a resistividade do solo em ohm.metro (Ω m) e o resultado é a resistência do aterramento dado em ohms (Ω).
Na figura temos o exemplo de um aterramento com duas hastes. Comercialmente, os comprimentos (L) e diâmetros (D) mais comuns são 2,4 e 3,0 metros e 1/2, 3/4 e 1 polegadas, respectivamente.
Nos sistemas de aterramento raramente uma única haste é o suficiente para chegarmos ao valor da resistência desejada. Analisando a fórmula acima, verificamos que as alternativas para melhorarmos este valor de resistência são aumentarmos o diâmetro da haste (limitações técnicas, e baixa relação custo-benefício), colocarmos mais hastes em paralelo, aumentarmos o comprimento da haste, reduzirmos a resistividade aparente do solo utilizando tratamento químico.
Dos itens relacionados acima a resistência de terra possuí o maior valor, assumindo maior importância, já que depende de fatores como a resistividade do solo, condições climáticas etc. dos quais não temos muitas vezes o controle. Os demais itens atingem valores menores e são mais fáceis de serem controlados.
© Direitos de autor. 2018: Gomes; Sinésio Raimundo. Última atualização: 01/09/2023.
8 - As tubulações de gás com proteção catódica não poderão ser vinculadas diretamente. Neste caso deverá ser instalado um DPS tipo centelhador.
9 - Todos os furos realizados na instalação do SPDA devem ser bem vedados para evitar infiltrações. Recomenda-se o uso de porcas, arruelas e parafusos em aço inox e buchas de nylon para aumentar a vida útil do SPDA.
Captores para Proteção contra Descargas Atmosféricas
A palavra captor é freqüentemente usada como sinônimo de pára-raios. Em geral, refere-se especificamente ao elemento situado no topo, que recebe diretamente o raio. O captor mais usado atualmente é o tipo Franklin, que consiste de um conjunto de algumas hastes pontiagudas para facilitar a condução, montado em um mastro vertical.
Implementação SPDA através de ponta de Franklin: O captador do tipo "Franklin" é constituído por uma haste metálica , sendo a extremidade superior é pontiaguda para ter uma maior poder de acúmulo de cargas. Para implementação SPDA através de ponta de Franklin o método do ângulo de proteção é uma das formas de concepção do dispositivo captador. O edifício a proteger tem de se encontrar dentro da área de proteção das hastes captoras ou do dispositivo captação.
Número de descidas para Proteção contra Descargas Atmosféricas
Quando se tem mais de um captor, o número de descidas deve ser dado pelo valor máximo entre as expressões abaixo:
Onde: n: número de descidas; a: área coberta do prédio em metros quadrados; h: altura do prédio em metros; p: perímetro do prédio em metros.
Se o valor de alguma parcela for fracionário, ele dever ser arredondado para o inteiro imediatamente superior.
Sistema de Aterramento com haste vertical
O projeto de um sistema de aterramento deve seguir basicamente as seguintes etapas: definir o local de aterramento; realizar varias medições da resistividade do solo no local previsto; realizar a estratificação do solo com suas respectivas camadas; definir o tipo de sistema de aterramento necessário; calcular a resistividade aparente do solo e dimensionar o sistema de aterramento.
O cálculo do sistema de aterramento com uma haste vertical cravada verticalmente em um solo homogêneo, tem uma resistência elétrica que pode ser determinada pela fórmula acima, onde L é o comprimento da haste em metro; a o diâmetro das hastes; p a resistividade do solo em ohm.metro (Ω m) e o resultado é a resistência do aterramento dado em ohms (Ω).
O valor da resistividade do solo deverá ser de preferência medido no local da instalação ou, se alguma imprecisão for tolerada, poderá ser estimado conforme lista seguinte: Lama: de 5 a 100 Ω m; Argila: de 20 a 60 Ω m; Limo: de 20 a 100 Ω m; Humus: de 20 a 150 Ω m; Argila e areia: de 80 a 200 Ω m; Turfa: de 150 a 300 Ω m; Areia: de 250 a 500 Ω m e Rocha: > 1000 Ω m.
Os aterramentos mais comuns são formados por uma ou mais hastes cilíndricas verticais, cravadas no solo e eletricamente interligadas por fios de cobre sem isolação. As hastes são em geral feitas de aço e revestidas com cobre. Essa construção reduz o custo dos materiais e aumenta a resistência mecânica, sem comprometer sensivelmente as propriedades elétricas.
Na figura temos o exemplo de um aterramento com duas hastes. Comercialmente, os comprimentos (L) e diâmetros (D) mais comuns são 2,4 e 3,0 metros e 1/2, 3/4 e 1 polegadas, respectivamente.
Nos sistemas de aterramento raramente uma única haste é o suficiente para chegarmos ao valor da resistência desejada. Analisando a fórmula acima, verificamos que as alternativas para melhorarmos este valor de resistência são aumentarmos o diâmetro da haste (limitações técnicas, e baixa relação custo-benefício), colocarmos mais hastes em paralelo, aumentarmos o comprimento da haste, reduzirmos a resistividade aparente do solo utilizando tratamento químico.
Dos itens relacionados acima a resistência de terra possuí o maior valor, assumindo maior importância, já que depende de fatores como a resistividade do solo, condições climáticas etc. dos quais não temos muitas vezes o controle. Os demais itens atingem valores menores e são mais fáceis de serem controlados.
A instalação de hastes em paralelo, reduzem significativamente o valor final da resistência de aterramento. Esta redução não segue simplesmente a lei de resistências em paralelo, em função da interferência que ocorre entre as zonas equipotenciais de cada haste.
Malhas de aterramentos
As características químicas do solo (teor de água, quantidade de sais, etc...) influem diretamente sobre o modo como escolhemos o eletrodo de aterramento. Os eletrodos mais utilizados na prática são: hastes de aterramento, malhas de aterramento e estruturas metálicas das fundações de concreto.
Haste de aterramento: A haste pode ser encontrada em vários tamanhos e diâmetros. O mais comum é a haste de 2,5 m por 0,5 polegada de diâmetro. Não é raro, porém, encontrarmos hastes com 4,0 m de comprimento por 1 polegada de diâmetro. Cabe lembrar que, quanto maior a haste, mais riscos corremos de atingir dutos subterrâneos (telefonia, gás, etc...) na hora da sua instalação.
Normalmente , quando não conseguimos uma boa resistência de terra (menor que 10 Ohms) , agrupamos mais de uma barra em paralelo. Quanto à haste, podemos encontrar no mercado dois tipos básicos: Copperweld (haste com alma de aço revestida de cobre) e Cantoneira (trata-se de uma cantoneira de ferro zincada, ou de alumínio).
Malhas de aterramento: A malha de aterramento é indicada para locais cujo solo seja extremamente seco. Esse tipo de eletrodo de aterramento, normalmente, é instalado antes da montagem do contra piso do prédio, e se estende por quase toda a área da construção. A malha de aterramento é feita de cobre, e sua “janela” interna pode variar de tamanho dependendo da aplicação, porém a mais comum está mostrada na figura.
Estruturas metálicas: Muitas instalações utilizam as ferragens da estrutura da construção como eletrodo de aterramento elétrico, qualquer que seja o eletrodo de aterramento (haste, malha, ou ferragens da estrutura), ele deve ter as seguintes características gerais: Ser bom condutor de eletricidade; Ter resistência mecânica adequada ao esforço a que está submetido; Não reagir (oxidar) quimicamente com o solo.
Tanto os locais que empregam malha de aterramento ou as estruturas prediais, como terra, normalmente apresentam um inconveniente que pode ser extremamente perigoso: a conexão com o para – raios. Notem pela figura 3, que temos um exemplo de uma malha de terra ligada ao para – raios, e também aos demais equipamentos eletroeletrônicos.
Essa é uma prática que devemos evitar, pois nunca podemos prever a magnitude da potência que um raio pode atingir. Dependendo das condições, o fio terra poderá não ser suficiente para absorver toda a energia, e os equipamentos que estão junto a ele podem sofrer o impacto.
Medida da Resistência de Aterramento
A medida da resistência de aterramento é realizada com a utilização de Terrômetro, nele há duas hastes de onde está ligado uma fonte de corrente controlada e outra haste onde há um circuito elétrico (voltímetro), composto de um ponto de injeção de corrente e um ponto de retorno dessa corrente.
O ponto de injeção de corrente é definido e a corrente é injetada por meio do sistema de aterramento a ser medido. Pode ser um ponto de aterramento da instalação ou de um equipamento. O ponto de saída da corrente pode ser obtido através de um ponto de aterramento auxiliar, composto por uma ou mais hastes interligadas.
A determinação da resistência do aterramento é obtida pela razão da tensão medida entre o sistema de aterramento sob ensaio e o eletrodo de potencial e da corrente que flui entre o aterramento e o eletrodo auxiliar de corrente.
Quanto maior a distância do eletrodo de corrente e o sistema de aterramento , maiores são as chances de não haver sobreposição das regiões de influencia da malha e do eletrodo. O eletrodo de potencial deve ser instalado em direção ao eletrodo de corrente. A resistência real do aterramento, para solos homogêneos, se dará quando o eletrodo de potencial, colocado aproximadamente 60% da distância entre o centro elétrico da malha e o eletrodo de corrente e em linha com estes, normalmente está na região do patamar.
Malhas de aterramentos
Haste de aterramento: A haste pode ser encontrada em vários tamanhos e diâmetros. O mais comum é a haste de 2,5 m por 0,5 polegada de diâmetro. Não é raro, porém, encontrarmos hastes com 4,0 m de comprimento por 1 polegada de diâmetro. Cabe lembrar que, quanto maior a haste, mais riscos corremos de atingir dutos subterrâneos (telefonia, gás, etc...) na hora da sua instalação.
Normalmente , quando não conseguimos uma boa resistência de terra (menor que 10 Ohms) , agrupamos mais de uma barra em paralelo. Quanto à haste, podemos encontrar no mercado dois tipos básicos: Copperweld (haste com alma de aço revestida de cobre) e Cantoneira (trata-se de uma cantoneira de ferro zincada, ou de alumínio).
Estruturas metálicas: Muitas instalações utilizam as ferragens da estrutura da construção como eletrodo de aterramento elétrico, qualquer que seja o eletrodo de aterramento (haste, malha, ou ferragens da estrutura), ele deve ter as seguintes características gerais: Ser bom condutor de eletricidade; Ter resistência mecânica adequada ao esforço a que está submetido; Não reagir (oxidar) quimicamente com o solo.
Tanto os locais que empregam malha de aterramento ou as estruturas prediais, como terra, normalmente apresentam um inconveniente que pode ser extremamente perigoso: a conexão com o para – raios. Notem pela figura 3, que temos um exemplo de uma malha de terra ligada ao para – raios, e também aos demais equipamentos eletroeletrônicos.
Essa é uma prática que devemos evitar, pois nunca podemos prever a magnitude da potência que um raio pode atingir. Dependendo das condições, o fio terra poderá não ser suficiente para absorver toda a energia, e os equipamentos que estão junto a ele podem sofrer o impacto.
Medida da Resistência de Aterramento
O ponto de injeção de corrente é definido e a corrente é injetada por meio do sistema de aterramento a ser medido. Pode ser um ponto de aterramento da instalação ou de um equipamento. O ponto de saída da corrente pode ser obtido através de um ponto de aterramento auxiliar, composto por uma ou mais hastes interligadas.
A determinação da resistência do aterramento é obtida pela razão da tensão medida entre o sistema de aterramento sob ensaio e o eletrodo de potencial e da corrente que flui entre o aterramento e o eletrodo auxiliar de corrente.
Quanto maior a distância do eletrodo de corrente e o sistema de aterramento , maiores são as chances de não haver sobreposição das regiões de influencia da malha e do eletrodo. O eletrodo de potencial deve ser instalado em direção ao eletrodo de corrente. A resistência real do aterramento, para solos homogêneos, se dará quando o eletrodo de potencial, colocado aproximadamente 60% da distância entre o centro elétrico da malha e o eletrodo de corrente e em linha com estes, normalmente está na região do patamar.
Tratamento químico do solo
Um aterramento elétrico é considerado satisfatório quando sua resistência encontra-se abaixo dos 10 Ohms.
Quando não conseguimos esse valor, podemos mudar o número ou o tipo de eletrodo de aterramento. No caso de haste, podemos mudá-la para canaleta (onde a área de contato com o solo é maior), ou ainda agruparmos mais de uma barra para o mesmo terra. Caso isso não seja suficiente, podemos pensar em uma malha de aterramento. Mas imaginem um solo tão seco que, mesmo com todas essas técnicas, ainda não seja possível chegar-se aos 10 Ohms. Nesse caso a única alternativa é o tratamento químico do solo. O tratamento do solo tem como objetivo alterar sua constituição química, aumentando o teor de água e sal e, consequentemente, melhorando sua condutividade. O tratamento químico deve ser o último recurso, visto que sua durabilidade não é indeterminada. O produto mais utilizado para esse tratamento é o Erico - gel, e os passos para essa técnica são mostrados ao lado, após executado os 4 passos devemos misturar tudo novamente e tampar tudo com a terra “virgem” que sobrou.
Podemos encontrar no mercado outros tipos de produtos para o tratamento químico (Bentonita , Earthron , etc.), porém o Erico – gel é um dos mais modernos. Suas principais características são: Ph alcalino (não corrosivo), baixa resistividade elétrica, não é tóxico, não é solúvel em água (retém a água no local da haste).
Ter uma boa haste ou um solo favorável não basta para termos um bom aterramento elétrico. As conexões da haste com os cabos de terra , bem como a bitola do cabo terra também contribuem muito para a resistência total de aterramento.
No que se refere à bitola do fio terra , ela deve ser a maior possível. Temos abaixo uma regra prática que evita desperdícios, e garante um bom aterramento.
Para : Sf < 35 mm² ® St = 16 mm² e Sf ³ 35 mm² ® St = 0,5 Sf
Onde : Sf = a seção transversal dos cabos (fios) de alimentação do equipamento (fases) e St = a seção transversal do fio terra.
Notem que para diâmetros inferiores a 35 mm² para as fases , temos o fio terra de 16 mm² . Já para diâmetros iguais ou acima de 35 mm², o fio terra deverá ter seção transversal igual à metade da seção dos cabos de alimentação.
Quanto à conexões , devemos optar em 1º lugar pela fixação por solda do fio terra à haste . Isso evita o aumento da resistência do terra por oxidação de contato . Caso isso não seja possível, poderemos utilizar anéis de fixação com parafusos. Nesse caso porém , é conveniente que a conexão fique sobre o solo , e dentro de uma caixa de inspeção.
O arquivo para análise Sistema de Proteção de Descarga Atmosférica com Terrômetro elaborado por Sinésio Gomes pode ser baixado em: 23_09_09 Manutenção - Análise Sistema de Proteção de Descarga Atmosférica por Terrômetro.
Manual de aterramento disponível em: Manual de Aterramento Procobre.
Catálogo de componentes de aterramento disponível em: Terminais de aterramento Intelli.
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