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SPDA - Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (PARA-RAIOS)
MÉTODOS DE PROTEÇÃO - MÉTODO DO ÂNGULO DE PROTEÇÃO
MÉTODO DAS ESFERAS ROLANTES
MÉTODO DAS MALHAS
TIPOS DE SPDA - SPDA ESTRUTURAL
SPDA CONVENCIONAL (EXTERNO)
SUBSISTEMA DE CAPTAÇÃO
SUBSISTEMA DE DESCIDA
SUBSISTEMA DE ATERRAMENTO
EQUIPOTENCIALIZAÇÃO
DISPOSITIVOS DE PROTEÇÃO CONTRA SURTOS - DPS
INSPEÇÃO E MANUTENÇÃO DO SPDA
O sistema de proteção contra descargas atmosféricas, ou comumente chamado Para-raios, são medidas de proteção contra descargas atmosféricas que podem causa danos a estrutura, equipamentos e, principalmente, físico as pessoas que utilizam a estrutura a ser protegida.
As variáveis meteorológicas do nosso país fazem com que o Brasil se torne um dos recordistas mundiais em tempestade e incidências de descargas atmosféricas, causando inconvenientes e interrupções no fornecimento de energia, equipamentos eletroeletrônicos e podendo colocar inclusive a vida em risco.
Como tais descargas acontecem de modo aleatório o estudo de descargas atmosféricas e aplicação de um projeto de PDA (Proteção contra Descargas Atmosféricas) tende a ser necessário.
Para definição de proteger estruturas contra descargas atmosféricas a aplicação do Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas (SPDA) pode ser embasada em alguns aspectos, podendo ser aplicadas por exigências legais, normas regulamentadoras que visam atender exigências do Ministério do Trabalho, empresas que buscam certificação de segurança ou ambiental, companhias de seguro que relacionam o SPDA como exigência. Sendo um item associado a proteção a incêndios, perdas patrimoniais e físicas.
Para elaboração do projeto de spda, o projetista deve ter conhecimento e seguir as prescrições das normas NBR 5419:2015 e NBR 5410:20054, além de atender as exigências da Norma Regulamentadora 10 (NR 10) da portaria 598 de 07/12/2004 do Ministério do Trabalho e Emprego do Brasil (MTE), que "fixa as condições mínimas exigíveis para garantir a segurança dos empregados que trabalham em instalações elétricas, em suas diversas etapas, incluindo projeto, execução, operação, manutenção, reforma e ampliação e, ainda, a segurança de usuários e terceiros".
A NBR 5419:2015 estabelece todas as medidas de proteção para reduzir riscos associados às descargas atmosféricas. Por razões práticas a NBR 5419:2015 foi dividida em 4 partes, sendo elas:
ABNT NBR 5419-1:2015 - Princípios Gerais - Define e estabelece os efeitos das descargas atmosféricas, tipos de danos e perdas, medidas de proteção, Zonas de proteção e níveis de proteção contra descargas atmosféricas (NP).
ABNT NBR 5419-2:2015 - Gerenciamento de Risco - Procedimento de análise e verificação da necessidade de proteção, os benefícios econômicos da instalação das medidas de proteção e a escolha das medidas que se adéquam a instalação e estrutura.
ABNT NBR 5419-3:2015 - Danos físicos a estrutura e perigos à vida - Define todas as medidas de proteção para reduzir danos físicos e riscos à vida dentro de uma estrutura, o modo de execução, os materiais que podem ser utilizados, métodos e manutenção do Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas (SPDA).
ABNT NBR 5419-4:2015 - Sistema elétrico e eletrônicos internos na estrutura - Esta parte da norma define as medidas de proteção contra surtos (MPS), para reduzir os riscos de danos permanentes causados pelo impulso eletromagnético da descarga atmosférica (LEMP).
Com atualização da NBR 5419, toda aplicação das medidas de proteção deverá ser selecionada de acordo com o cálculo de gerenciamento de risco, sendo assim, todas as estruturas devem possuir a documentação necessária, atendendo as normas regulamentadoras, para obter licença de AVCB, entre outras.
Para todo e qualquer edificação, residencial, comercial e industrial, devem ser providenciada adequação das instalações e das documentações técnicas, seguindo 04 etapas.
ETAPA 1 – Análise de Gerenciamento de Risco.
Analise de gerenciamento de risco é o procedimento de analisar os riscos que podem causar danos a estrutura devido a descargas atmosféricas para a terra.
Independente da edificação a ser protegida possuir SPDA instalado, ainda se faz necessário a elaboração da análise de gerenciamento de risco. Somente com os parâmetros desta análise, poderá determinar se a edificação necessita ou não de uma proteção adicional, sendo um item indispensável da relação de documentação técnica que deverá ser entregue juntamente com o projeto.
Os principais parâmetros para elaboração do projeto definidos pela NBR 5419:3/2015, tendo como principais:
1. Valores para o ângulo de proteção, raio da esfera rolante e tamanho da malha para cada classe de SPDA - Ver Tabela 2 NBR 5419-3:2015.
2. Valores típicos de distância entre os condutores de descida de acordo com a classe de SPDA - Ver Tabela 4 NBR 5419-3:2015.
3. Material: Área de seção mínima dos condutores de captação, hastes captoras e condutores de descidas - Ver Tabela 6 NBR 5419-3:2015.
4. Parâmetros da descarga atmosférica para determinar os valores de correntes impulsivas (Iimp) e correntes induzidas (Iin) do Dispositivo de Proteção conta Surtos (DPS), através do nível de proteção (NP).
ETAPA 2 – Elaboração de Projeto.
Conhecendo a característica da edificação e analisando os parâmetros resultados da análise de gerenciamento de risco, o projetista deve adotar o método (ângulo de proteção, esfera rolante, malhas) mais adequado, visando a possibilidade de otimizar custo dentro da melhor solução técnica possível para elaboração do projeto executivo de cada edificação.
ETAPA 3 – Instalação e Adequações.
Aplica-se as soluções propostas no projeto, adequando o SPDA existente ao proposto em projeto, sendo elaborado um projeto as-built e laudo na entrega final da obra., conforme itens 7.2 e 7.3.1 subitem a) e b) da NBR 5419:3/2015
ETAPA 4 – Documentações
A documentação técnica do projeto de spda faz parte do Prontuário das Instalações Elétricas (PIE), exigido pela NR 10. A documentação técnica é composta, Conforme item 7.5 da NBR 5419:3/2015, por:
a) Verificação da necessidade do SPDA, ou seja, a análise do gerenciamento de risco;
b) Projetos em escala com detalhes da instalação e especificação dos materiais a serem utilizados, modo de fixação, etc.
c) Quando aplicável, o laudo de resistividade do solo, constando detalhes relativos a estratificação do solo, ou seja, número de camadas , a espessura e a resistividade do solo.
d) Laudo técnico do SPDA, constando os registros de ensaios realizados para prevenção contra tensões de toque e de passo, verificação da integridade dos componentes do SPDA, etc.
Este método baseia-se na proposta feita por Benjamin Franklin, o mesmo considera o volume de proteção representada por um cone em volta do mastro tendo um raio no solo em função do ângulo de proteção α.
Fonte: ABNT 5419-3:2015
O ângulo de proteção α, é determinado pela relação entre a classe do SPDA e o plano de referência do elemento captor.
É conhecido também pelo método eltrogeómetrico, sendo o método mais moderno que um projetista pode contar, tem como base medições dos parâmetros dos raios, registros fotográficos, ensaios em alta tensão, técnicas de simulação e modelagem matemática.
Segundo a NBR 5419-3: 2015, o volume de proteção ocorre se nenhum ponto da estrutura a ser protegida entrar em contato com uma esfera fictícia rolando ao redor e no topo da estrutura em todas as direções possíveis. O raio, r, dessa esfera depende da classe do SPDA
Cada ponto em que a esfera rolante tocar será um ponto possível de impacto das descargas atmosféricas. Para alturas inferiores a 60 m de altura as descargas adjacentes a estrutura são desprezíveis.
Para estruturas com alturas superiores a 60 m devem ser levado em consideração às descargas adjacentes, pois aumentam consideravelmente a probabilidade de ocorrerem, por este motivo deve ser considerado a instalação de captores nas laterais da estrutura, cerca de 20% do topo em relação a altura.
Este método tem como base a teoria de Faraday, o princípio básico deste sistema, é formar vários quadrículos de condutores (anéis), que evitam a penetração do raio na estrutura. Faraday demonstrou que quando correntes uniformemente distribuídas passam pela gaiola, o campo magnético no interior da mesma é nulo, porem quando as correntes não são uniformes o campo magnético possui um valor muito pequeno
A descarga atmosférica ao atingir a estrutura não produz uma dissipação uniforme, então se conclui que ocorrem induções internas na estrutura, devido à variação do campo magnético no interior da mesma.
Quanto menor for o espaçamento dos condutores da malha melhor será a proteção.
O SPDA estrutural consiste na amarração intencional das armaduras (ferragens), de pilares, vigas e lajes antes do concretamento. Esta amarração esta ligada aos captores e todo o sistema fica solidamente aterrado, de forma a garantir que toda a descarga atmosférica se dissipe a solo protegendo assim a estrutura. Este sistema tem como finalidade garantir a dispersão da corrente da descarga atmosférica minimizando o risco de centelhamentos perigosos, e melhorando a estética da estrutura.
Para garantir essa segurança é imprescindível garantir a continuidade elétrica de todo o sistema, segundo o anexo F da NBR 5419-3:2015 se efetua ao menos duas verificações de continuidade elétrica das armaduras de concreto armado.
A primeira verificação é feita em todos os pilares que são utilizados como descidas e nos trechos de vigas e baldrames que fazem parte do anel e aterramento ao nível do solo. Os valores obtidos por instrumentos adequados devem ser inferior a 1 nestes trechos.
A outra verificação é feita após a conclusão da instalação do SPDA, a medição então é feita da parte mais alta do subsistema de captação até o aterramento, preferencialmente no BEP (Barramento de Equipotêncialização principal). O valor obtido deve ser igual ou inferior a 2. Os ensaios deverão ser acompanhados de certificado de conformidade e ART junto ao CREA.
As funções do SPDA externo são basicamente interceptar uma descarga atmosférica para a estrutura (com um subsistema de captação), conduzir a corrente da descarga atmosférica seguramente para a terra (com subsistema de descida) e dispersar esta corrente na terra (com um subsistema de aterramento). Basicamente são dois tipos: o SPDA isolado e o SPDA não isolado.
SPDA Isolado - Este tipo de instalação é fisicamente isolada da estrutura a ser protegida, quando esta possui riscos de explosões e fogo a partir do ponto de impacto da descarga atmosférica na estrutura. Esta configuração é utilizada com objetivo de reduzir centelhamento, explosões e fogo.
SPDA - Não Isolado - Sistema não isolado fisicamente, instalado em cima da própria estrutura que se quer proteger, sendo este o é mais utilizado.
Tem a função de receber os raios, reduzindo a probabilidade das estruturas serem atingida diretamente por eles, os captores devem ser instalados nos pontos mais altos da estrutura. Devem ter capacidade térmica e mecânica suficiente para suportar o calor gerado no ponto de impacto.
Agentes atmosféricos também devem ser levados em conta em relação ao seu dimensionamento, pois esses podem causar a corrosão do captor.Os captores são classificados como:
a) Captores naturais: São considerados aqueles que fazem parte integral da estrutura a ser protegida, tais como, coberturas por telhas metálicas, tanques metálicos, postes ou mastros.
b) Captores não naturais: elementos condutores expostos, instalados sob a cobertura e nas laterais da edificação, afim de estabelecer contato diretamente com as descargas atmosféricas, tais como: captores tipo Franklin, materiais condutores em forma de malha, etc.
Tem a função de conduzir a corrente da descarga atmosférica recebida pelos elementos captores até o aterramento, reduzindo descargas laterais e campos eletromagnéticos que oferecem perigo no interior da estrutura.
Devem suportar o aquecimento gerado pela passagem da corrente elétrica no momento da descarga e possuir boa resistência mecânica. Agentes atmosféricos também devem ser levados em conta no seu dimensionamento, pois esses podem causar a corrosão.
Para edificação que possuir mais de 20 m de altura deverá ser instalados anéis de cintamento, que são interligações horizontais com os condutores de descida, em intervalos de acordo com a classe do SPDA.
O subsistema de descida pode ser classificado em:
a) Descidas naturais:
São considerados aqueles que fazem parte integral da estrutura a ser protegida, tais como, vergalhões de ferro dos pilares, armaduras de aço interligadas, etc. Estes devem apresentar boa condutividade, interligados ao subsistema de aterramento, aos anéis de cintamento, dentro das condições estabelecidas pela norma NBR 5419:2015.
b) Descidas não naturais:
São elementos condutores expostos, a fim de estabelecer conduzir a corrente elétrica das descargas recebidas pelos elementos captores para o subsistema de aterramento, os materiais mais utilizados para esta função são: cabos de cobre nu e fita chata de alumino, as secções mínimas são dadas citadas na tabela a seguir, estes devem possuir proteção mecânica contra toques.
É utilizada para dispersar no solo a corrente da descarga atmosférica, esta recebida dos condutores de descida, reduzindo ao mínimo as tensões de toque e de passo. Deve suportar o aquecimento produzido pela passagem da corrente e a corrosão devido a agentes agressivos encontrados nos diferentes tipos de solos.
Os subsistemas de aterramento podem ser classificados como:
a) Aterramento natural: São considerados aqueles que fazem parte integral da estrutura a ser protegida, tais como: as armaduras de aço interconectadas nas fundações de concreto, ou outras estruturas metálicas subterrâneas disponíveis, desde que sua continuidade elétrica seja garantida.
b) Aterramento não natural: Elementos condutores enterrados que dispersam as correntes elétricas no solo. O eletrodo de aterramento em anel, com profundidade de no mínimo 0,5 m, afastado em 1 m de distância, em relação às paredes externas. Podem ser usadas hastes em alta camada em conjunto com o eletrodo de aterramento em anel, melhorando a dispersão da corrente a terra.
A equipotencialização tem a função de colocar todas as massas e elementos condutores ao mesmo potencial entre si em relação a terra, ou seja, é a conexão das massas (partes metálicas que podem conduzir corrente elétrica, tais como: carcaça dos motores e quadros elétricos, equipamentos eletroeletrônicos, etc.), através de um elemento condutor (cabos), no barramento de equipotencialização principal (BEP), este que será interligado ao eletrodo de aterramento do subsistema de aterramento.
O avanço tecnológico permitiu a implementação de uma proteção eficaz contra os efeitos de sobre tenção por descargas atmosféricas, que são os DPS - Dispositivo de Proteção contra Surtos.
Os DPS são equipamentos utilizados para proteção contra as sobretensões transitórias que circulam através da rede elétrica e da rede de telecomunicações, sendo provocadas pelas descargas atmosféricas ou por manobras de circuitos (disjuntores, chaves seccionadoras, etc.) que causam danos as instalações, como a queima de equipamentos eletrônicos.
Sua utilização complementa a proteção interna de um SPDA e sua instalação é obrigatória segundo ABNT NBR 5410: 2004
Os DPS são divididos em três tipos, segundo o grau de proteção, o local de sua aplicação e sua capacidade de condução de corrente, de acordo com a NBR 5410: 2005.
Classe I
São os DPS destinado à proteção contra sobretensões provocadas por descargas atmosféricas diretas sobre a edificação ou em suas proximidades, com alta capacidade de exposição aos surtos, com capacidade mínima de 12,5 kA de corrente de impulso (I_imp) conforme a Norma ABNT 5410: 2004 item 6.3.5.2.4 – “d”.
O DPS classe I é ensaiados com a corrente de impulso ·· (forma de onda de corrente típica de 10/350 μs).
Classe II
São os DPS destinado à proteção contra sobretensões de origem atmosféricas transmitidas pela linha externa de alimentação, ou seja descargas indiretas, assim também contra sobretensões de manobra, com capacidade mínima de exposição aos surtos, de 5 kA de corrente nominal (I_in), Todavia, In não deve ser inferior a 20 kA (8/20 μs) em redes trifásicas, ou a 10 kA (8/20 μs) em redes monofásicas conforme a Norma ABNT 5410 / 2004, item 6.3.5.2.4 – “d”;
O DPS classe II é ensaiados com a corrente induzida I_in(forma de onda de corrente típica de 80/20 μs).
Classe III
São os DPS destinado à proteção dos equipamentos eletrônicos, sendo uma proteção fina, de ajuste, proporcionando uma menor tensão residual, com isso uma proteção efetiva para os equipamentos eletrônicos.
O DPS classe III é ensaiado com a forma de onda combinada de corrente típica de (8/20 μs).
A eficiência de qualquer SPDA depende da sua instalação, é essencial a verificação do estado dos elementos de captação, componentes e fixações estejam em boas condições, sem corrosão e atendendo as respectivas normas. Com isso é necessário realizar periodicamente a inspeção do sistema de proteção contra descargas atmosféricas.
As inspeções devem seguir as ordens seguintes:
a) Projeto executivo e "as built": Acompanhamento da implementação do SPDA na edificação, executando testes de contiuidade elétrica e analise da documentação técnica, verificando se esta de acordo com o recomendado pela NBR 5419:2015;
b) Alteração construtiva da edificação: Ampliação ou redução da edificação, tendo a necessidade de adequação do SPDA;
c) Reparos ou alteração dos componentes do SPDA: Quando atingidos por uma descarga atmosférica;
d) Inspeção visual: Verificação sobre a deterioração e corrosão dos captores, condutores de descida, conexões e eletrodo de aterramento, condição das equipotencializações, etc.;
e) Laudo do SPDA: periodicamente realizado por profissional habilitado, sendo: Anualmente para estrutura com risco de explosão, expostos a corrosão atmosféricas severas e as concessionárias de serviços essenciais (energia, água, etc.). Para as demais estruturas a cada 3 anos.
Manutenção do SPDA
As inspeções visuais e laudos do SPDA deverão ser entregues ao responsável pela manutenção da edificação constando os serviços de manutenção prioritários para eficácia do sistema, podendo variar desde "imediato" a "manutenção preventiva".
