O Brasil é um dos países com maior incidência de descargas atmosféricas no mundo, registrando mais de 70 milhões de raios anualmente, conforme dados do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE).
Essa elevada frequência de raios impacta diretamente a segurança e a integridade de estruturas e sistemas, além de afetar, em média, mais de 300 pessoas por ano.
A necessidade de sistemas eficazes de Proteção contra Descargas Atmosféricas (PDA) é, portanto, crucial para mitigar os riscos associados a essas ocorrências, garantir a continuidade das operações e acima de tudo, proteger vidas.
Neste artigo, faremos uma análise aprofundada sobre os princípios de operação dos sistemas de Proteção contra Descargas Atmosféricas, abordando as Normas Técnicas e as melhores práticas de projeto e instalação para assegurar uma implementação eficaz e segura desses sistemas.
Confira!
O que é um Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA)?
O Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) é uma solução essencial para a segurança de edificações, estruturas e equipamentos eletrônicos frente às ameaças provocadas por descargas atmosféricas, comumente conhecidas como raios.
O SPDA opera como um sistema de captação e direcionamento de raios que atingem as partes superiores e laterais das edificações, conduzindo-os de forma segura até o solo.
O sistema é projetado para oferecer um caminho de menor resistência elétrica para a alta corrente gerada pela descarga atmosférica, permitindo que ela flua para a terra sem causar danos a equipamentos ou estruturas e protegendo as pessoas dentro da instalação.
Basicamente o objetivo do SPDA é dissipar para terra essa perigosa corrente elétrica, direcionando a corrente pelo caminho mais seguro possível, desta maneira minimizando ou anulando seus efeitos.
É importante notar que a implementação de um SPDA não impede a ocorrência de descargas atmosféricas no local.
As descargas atmosféricas são fenômenos naturais causados pelo atrito das nuvens no céu, que gera um efeito de eletrização de grande diferença potencial. Portanto, é impossível anular a incidência dessas descargas.
O que os SPDAs fazem é minimizar os efeitos dessas descargas nas instalações e construções, protegendo as pessoas que nelas se abrigam.
Como Funciona um SPDA?
De forma geral, um SPDA é composto por três principais subsistemas: um subsistema de captação da descarga atmosférica, um subsistema de descidas, que conduz a corrente da descarga de forma segura, e um subsistema de aterramento, que recebe o raio e o dissipa na terra.
A estrutura do sistema pode variar, mas seu conceito básico envolve uma haste condutora, geralmente posicionada no ponto mais elevado da edificação, conectada a um sistema de aterramento eficiente.
Quando um raio se forma nas nuvens, ele é atraído pelos captores e conduzido de forma segura até o solo através dos cabos e condutores de aterramento.
Além desses componentes, um SPDA também inclui dispositivos de proteção contra surtos (DPS), que são utilizados para proteger os equipamentos elétricos e eletrônicos contra surtos de tensão causados por descargas atmosféricas.
A instalação e manutenção adequadas de um SPDA são essenciais para garantir sua eficácia. Isso inclui a classificação do sistema e a realização regular de inspeções e testes para verificar a integridade dos componentes do sistema e garantir que eles estão funcionando corretamente.
Portanto, a instalação de um SPDA deve sempre ser realizada por profissionais qualificados e de acordo com as normas técnicas aplicáveis.
Classes de SPDA
A classificação de um Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) é determinada de acordo com a norma NBR 5419/2015 parte 2, e os níveis são calculados com base em uma análise de risco.
Cada classe de SPDA possui características específicas, que são:
a) Dados dependentes da classe de SPDA:
- Parâmetros de descarga atmosférica, conforme especificado na norma ABNT NBR 5419 -1:2015, tabelas 3 e 4.
- Raio da esfera rolante, tamanho da malha e ângulo de proteção, conforme seção 5.2.2 da norma.
- Distâncias típicas entre os condutores de descida e os condutores em anel, conforme seção 5.3.3 da norma.
- Distância de segurança contra centelhamento perigoso, conforme seção 6.3 da norma.
- Comprimento mínimo dos eletrodos de terra, conforme seção 5.4.2 da norma.
b) Fatores não dependentes da classe do SPDA:
- Equipotencialização para descargas atmosféricas, conforme seção 6.2 da norma.
- Espessura mínima de placas ou tubulações metálicas nos sistemas de captação.
- Materiais do SPDA e condições de uso, conforme seção 5.5 da norma.
- Materiais, configuração e dimensões mínimas para captores, descidas e eletrodos de aterramento, conforme seção 5.6 da norma.
- Dimensões mínimas dos condutores de conexão, conforme seção 6.2.2 da norma.
Essas características definem a eficiência do SPDA em proteger uma estrutura contra descargas atmosféricas, e devem ser consideradas durante o projeto e a instalação do sistema. A escolha da classe de SPDA adequada é crucial para garantir a segurança das pessoas e a integridade das estruturas e equipamentos eletrônicos.
Componentes do SPDA
O Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) é composto por uma série de componentes interligados, cuidadosamente projetados para captar, conduzir e dissipar a energia proveniente das descargas atmosféricas de forma segura e controlada. Abaixo, descrevemos os principais componentes utilizados nesse sistema:
Captor (Terminal Aéreo)
O captor é o componente central do SPDA e tem a função crucial de atrair as descargas atmosféricas para evitar que atinjam diretamente as estruturas protegidas.
Consiste em uma haste metálica condutora, geralmente em alumínio ou cobre, posicionada no ponto mais alto da edificação ou estrutura.
Ao ser atingido por um raio, o terminal aéreo cria um caminho de baixa resistência elétrica, direcionando a corrente elétrica para os condutores de descida.
Condutores de Descida
Os condutores de descida, também conhecidos como cabos de descida, são elementos condutores verticais que interligam o para-raios ao sistema de aterramento.
Sua função é conduzir a corrente elétrica do raio em direção ao solo, proporcionando um trajeto de menor resistência e minimizando o risco de danos à estrutura.
Malhas de Aterramento
O sistema de aterramento consiste em uma conexão metálica de baixa resistência elétrica com a terra, estabelecendo um ponto de referência para a dissipação da energia elétrica das descargas atmosféricas.
É fundamental para garantir que a corrente elétrica proveniente dos raios seja efetivamente conduzida e dissipada no solo, evitando que se propague pelas estruturas e sistemas elétricos, o que poderia resultar em danos significativos.
Dispositivos de Proteção contra Surtos
Os dispositivos de proteção contra surtos de energia são equipamentos para detectar a presença de sobretensões transitórias na rede elétrica e drená-las para o sistema de aterramento antes que se propaguem pela rede e atinjam equipamentos eletroeletrônicos.
Os DPS podem ser utilizados em diversas situações como: em redes de energia elétrica, para proteção de transformadores e luminárias urbanas, linhas de telecomunicações, painéis de energia fotovoltaica, quadros de distribuição de edificações comerciais e residenciais e até mesmo diretamente nas tomadas, protegendo equipamentos importantes.
Tipos de SPDA
Existem diferentes tipos de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA), cada um com suas características e aplicabilidades específicas.
Abaixo, apresentamos uma explicação sobre os principais tipos de SPDA, destacando as diferenças entre os sistemas Franklin e Gaiola de Faraday, bem como outras opções disponíveis:
Sistema Franklin (Método do ângulo de proteção)
O Sistema Franklin, também conhecido como “ponta-captura” ou método do ângulo de proteção, é uma das abordagens mais tradicionais e amplamente utilizadas para a proteção contra raios.
Este método é particularmente adequado para edificações de formato simples, de altura não muito elevada e de área horizontal limitada, onde a utilização de uma quantidade reduzida de captores torna o projeto economicamente viável.
Esse tipo de SPDA consiste em uma ou mais hastes condutoras, geralmente em formato pontiagudo, instaladas no ponto mais alto da edificação ou estrutura a ser protegida.
A ideia é que as hastes atraiam as descargas atmosféricas, criando um caminho preferencial para a corrente elétrica seguir em direção ao solo.
Este método oferece uma proteção configurada por um cone, em que o vértice corresponde à extremidade superior do captor e a geratriz faz um ângulo com a vertical, ocasionando um raio na base do cone, conforme ilustrado na figura:
Sendo:
A – Topo do Captor;
B – Plano de Referência;
OC – Raio do Cone;
h1 – Altura de um mastro acima do plano de referência;
α – Ângulo que varia de acordo com a classe do SPDA e altura H em questão.
Embora seja amplamente adotado, o Sistema Franklin tem algumas limitações. A principal delas é que ele não oferece proteção completa para áreas extensas, como grandes instalações industriais ou parques eólicos, onde múltiplos pontos de captação podem ser necessários.
Gaiola de Faraday (Método das Malhas)
A Gaiola de Faraday é uma abordagem diferente de proteção contra raios e é amplamente aplicada para proteger equipamentos eletrônicos sensíveis e estruturas que requerem um alto nível de segurança contra sobretensões.
Esse método baseia-se no princípio de que uma superfície condutora fechada é capaz de desviar a corrente elétrica ao redor de seu interior, mantendo o interior eletricamente isolado.
Este método é recomendado para estruturas com uma grande área horizontal, ao contrário do Método de Franklin, e é adequado para proteger superfícies planas laterais contra descargas atmosféricas, conforme especificado na NBR 5419.
Ele consiste em uma malha captora de condutores espaçados entre si a uma distância correspondente ao seu nível de proteção.
Conforme estabelecido pela Norma NBR 5419-3/2015, existem requisitos específicos que devem ser atendidos na instalação de um Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA). Os condutores captores devem ser posicionados:
- Na periferia da cobertura da estrutura;
- Nas saliências da cobertura da estrutura;
- Nas cumeeiras dos telhados, se o declive deste exceder 1/10.
Além disso, as dimensões das malhas não podem ser maiores que os valores especificados na norma. O conjunto de condutores do subsistema de captação deve ser projetado de tal forma que a corrente elétrica da descarga atmosférica sempre encontre pelo menos duas rotas condutoras distintas para o subsistema de aterramento.
É importante que nenhuma instalação metálica, que por suas características não possa assumir a condição de elemento captor, ultrapasse para fora do volume protegido pela malha do subsistema de captação. Os condutores da malha devem seguir o caminho mais curto e retilíneo possível da instalação.
Embora a norma não exija a instalação de mini captores, é recomendável fazê-lo, pois eles podem ajudar a preservar os cabos de danos térmicos no caso de serem atingidos diretamente por descargas atmosféricas. Se os mini captores forem instalados, eles devem estar presentes nos cruzamentos de cabos, nas quinas e a cada 5 metros de perímetro.
A Gaiola de Faraday é frequentemente utilizada em ambientes como salas de servidores, laboratórios, hospitais e indústrias com processos sensíveis, onde qualquer falha nos sistemas eletrônicos pode ter consequências graves.
Sistema de Proteção Eletrogeométrico (Método da Esfera Rolante)
O Método Eletrogeométrico, também conhecido como Método da Esfera Rolante, é uma técnica empregada no dimensionamento e projeto de um Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA).
Este método se baseia na simulação do movimento de uma esfera fictícia, com raio pré-definido em função do nível de proteção do SPDA, sobre a estrutura da edificação.
Todos os pontos em que a esfera toca a estrutura são considerados pontos prováveis de impacto de um raio e, consequentemente, são os locais onde devem ser instalados os captores.
Esta esfera tem seu raio pré-determinado em função da classe do SPDA, como mostra a tabela:
O posicionamento adequado do subsistema de captação ocorre quando algum ponto da estrutura a ser protegida entra em contato com a esfera, que deve ser rolada no topo e ao redor da estrutura em todas as direções possíveis.
À medida que são adicionados captores, esta simulação deve ser realizada novamente até que a estrutura esteja totalmente protegida. Este método é mais utilizado em construções com altura mais elevada e/ou formas arquitetônicas complexas.
Sistema de Proteção com Para-raios Ionizante (Dispositivo de Antecipação)
Os para-raios ionizantes, também conhecidos como Para-Raios com Dispositivo de Ionização (PDI) ou Early Streamer Emission Air Terminal (ESEAT) em inglês, são frequentemente apresentados como soluções “milagrosas” para a proteção contra raios.
Esses dispositivos prometem atrair raios para si ou evitar que os raios caiam, dependendo do tipo de dispositivo. No entanto, essas alegações são questionáveis e não são apoiadas por evidências científicas sólidas.
A norma técnica NBR-5419 estabelece que um Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) deve ser projetado para conduzir de forma segura uma descarga elétrica para o solo, caso ocorra uma incidência na estrutura protegida.
Portanto, a ideia de instalar um dispositivo de proteção com o objetivo de atrair descargas elétricas é contraproducente e pode aumentar o risco associado a esses eventos.
Para indivíduos não especializados na área, é crucial seguir as normas técnicas estabelecidas e buscar orientação de profissionais qualificados.
Projeto e Dimensionamento do SPDA
O desenvolvimento de um projeto adequado para o Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) é uma etapa crítica para garantir a eficácia e a confiabilidade do sistema. Abaixo, estão listadas as etapas cruciais para o projeto do SPDA e as considerações fundamentais para o dimensionamento de acordo com as necessidades específicas:
Avaliação de Riscos
A primeira etapa do projeto é realizar uma avaliação de risco para determinar o grau de exposição das estruturas à incidência de raios.
Esse processo envolve a análise de fatores como a frequência e intensidade das tempestades elétricas na região, a altura da edificação, o tipo de ocupação, a natureza das atividades desenvolvidas no local e a importância dos sistemas e equipamentos a serem protegidos.
A avaliação de risco auxilia na determinação dos níveis de proteção necessários para cada parte da estrutura.
Escolha do Método de Proteção
Com base na avaliação de risco, é possível definir qual o método de proteção mais adequado para a edificação ou estrutura.
Pode ser adotado o método convencional de Ponta Franklin, o SPDA moderno com Para-Raios Ionizante ou Gaiolas de Faraday, dependendo das características específicas do local.
Dimensionamento da Captação
O dimensionamento da captação é uma etapa crítica no projeto do Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA), pois determina a eficácia do sistema em capturar as descargas atmosféricas e direcioná-las de forma segura para o solo.
O objetivo principal é maximizar a área de proteção e aumentar a probabilidade de captação das descargas elétricas, minimizando os riscos de danos às estruturas e equipamentos.
Para realizar o dimensionamento adequado da captação, é preciso levar em consideração os seguintes aspectos técnicos:
1. Geometria da Estrutura: A forma, altura e geometria da estrutura a ser protegida são fatores cruciais no dimensionamento da captação. Quanto maior a área exposta à incidência de raios, maior deve ser o número e a distribuição das hastes captoras (para-raios). A disposição estratégica das hastes ao longo da estrutura é fundamental para ampliar a área protegida.
2. Zonas de Proteção: É importante definir as zonas de proteção da estrutura, que correspondem a áreas circulares em torno de cada haste captora. O raio das zonas de proteção é determinado pelo nível de proteção desejado para a estrutura. A sobreposição das zonas de proteção das hastes instaladas proporciona uma área mais ampla de cobertura contra descargas atmosféricas.
3. Cálculo da Eficiência do SPDA: O dimensionamento adequado também envolve o cálculo da eficiência do SPDA, que leva em conta a probabilidade de captação das descargas elétricas pelas hastes captoras. Fatores como a altura da estrutura, a resistividade do solo, a frequência de tempestades elétricas na região e outras variáveis são considerados nesse cálculo.
4. Número de Hastes Captoras: Com base no cálculo da eficiência do SPDA e nas zonas de proteção definidas, determina-se o número mínimo de hastes captoras necessárias para assegurar a cobertura adequada da estrutura. Em algumas situações, pode ser necessário o uso de múltiplas hastes captoras para garantir a proteção eficiente.
5. Conexão à Malha de Aterramento: As hastes captoras devem ser conectadas a uma malha de aterramento eficiente, garantindo que a corrente proveniente das descargas atmosféricas seja corretamente dissipada para o solo, minimizando os danos causados pelas sobretensões.
Projeto do Sistema de Aterramento
O projeto do sistema de aterramento é essencial para garantir a dissipação segura da corrente elétrica proveniente de descargas atmosféricas no solo. Para isso, é preciso considerar algumas questões importantes.
Primeiramente, é fundamental realizar uma análise detalhada das características do solo, incluindo a resistividade elétrica, composição e umidade. Esses fatores influenciam diretamente na eficiência do aterramento, sendo necessário adotar medidas adicionais em solos com alta resistividade.
A resistência de aterramento é outro ponto crucial a ser considerado no projeto. Busca-se uma resistência baixa o suficiente para garantir que a corrente elétrica proveniente das descargas atmosféricas seja dissipada adequadamente no solo, reduzindo o risco de danos às estruturas e equipamentos.
O formato e as dimensões da malha de aterramento também devem ser definidos no projeto. A malha pode variar conforme o tamanho da estrutura a ser protegida e a natureza do solo. Geralmente, quanto maior a área a ser protegida, maior será a malha necessária para garantir uma dissipação eficiente da corrente elétrica.
Os condutores de aterramento devem ser dimensionados adequadamente para conduzir a corrente elétrica do SPDA para o solo. A escolha do material, a espessura e a resistência dos condutores são fatores importantes para garantir a eficiência do sistema de aterramento.
O projeto do sistema de aterramento deve ser conduzido por profissionais qualificados e experientes em SPDA, que possuam conhecimento das normas técnicas nacionais e internacionais que regem esse tipo de instalação.
O cumprimento rigoroso das normas é fundamental para garantir a segurança, eficiência e conformidade legal do sistema de aterramento.
Normas e Regulamentações
A proteção contra descargas atmosféricas é uma questão de extrema importância em todo o mundo, e por esse motivo, diversas normas e regulamentações foram estabelecidas tanto a nível nacional quanto internacional para garantir a segurança das edificações e das pessoas. A seguir, são apresentadas algumas das principais normas e regulamentações relacionadas ao SPDA:
1. NBR 5419 (Brasil): A Norma Brasileira NBR 5419, elaborada pela Associação Brasileira de Normas Técnicas (ABNT), estabelece os requisitos e diretrizes para o projeto, instalação e manutenção de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas no Brasil. Ela abrange desde a avaliação do risco devido a raios até as medidas de proteção a serem adotadas em diferentes tipos de estruturas.
2. NFPA 780 (Estados Unidos): A National Fire Protection Association (NFPA) desenvolveu a norma NFPA 780, que aborda os requisitos para a instalação de sistemas de proteção contra raios nos Estados Unidos. Ela inclui diretrizes detalhadas sobre a instalação de para-raios, sistemas de aterramento e proteção de equipamentos elétricos.
3. IEC 62305 (Internacional): A International Electrotechnical Commission (IEC) publicou a série de normas IEC 62305, que define os princípios e práticas de proteção contra descargas atmosféricas em nível internacional. Essas normas abrangem desde a avaliação de riscos até o projeto, instalação e manutenção de SPDA em diferentes tipos de estruturas.
4. BS EN 62305 (Reino Unido e Europa): Na Europa e no Reino Unido, a British Standards Institution (BSI) adotou a série de normas BS EN 62305, que é baseada nas normas da IEC e estabelece os requisitos para a proteção contra descargas atmosféricas em edificações e estruturas.
O cumprimento das normas e regulamentações relacionadas ao SPDA é de extrema importância para garantir a efetividade do sistema de proteção contra descargas atmosféricas.
As normas são elaboradas com base em pesquisas, estudos e melhores práticas desenvolvidas por especialistas na área, levando em consideração as características climáticas e construtivas de cada região.
Seguir as normas garante que o projeto, a instalação e a manutenção do SPDA sejam realizados de maneira adequada e confiável. A não conformidade com as normas pode levar a sistemas ineficientes, aumentando o risco de danos causados por raios e colocando em perigo as pessoas e o patrimônio.
Além disso, o atendimento às normas é frequentemente requisito legal em muitos países e localidades. O não cumprimento das normas pode resultar em sanções legais, além de possíveis problemas em seguradoras em caso de sinistros.
Portanto, para assegurar a máxima proteção contra descargas atmosféricas e a segurança das edificações e dos ocupantes, é fundamental que o projeto, instalação e manutenção do SPDA sejam conduzidos por profissionais especializados, em conformidade com as normas e regulamentações aplicáveis.
Isso garantirá a eficácia do sistema de proteção e reduzirá significativamente os riscos associados às descargas atmosféricas.
Instalação Adequada do SPDA
Uma instalação correta e eficiente do Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) é essencial para garantir a máxima proteção contra raios. Abaixo estão algumas orientações para realizar uma instalação adequada:
1. Profissionais Qualificados: A instalação do SPDA deve ser realizada por profissionais qualificados e experientes em projetos de proteção contra raios. Esses profissionais têm o conhecimento técnico necessário para garantir que todos os componentes do sistema sejam instalados corretamente e de acordo com as normas e regulamentações aplicáveis.
2. Utilização de Materiais Adequados: A escolha dos materiais utilizados no SPDA é crucial para sua eficiência e durabilidade. Certifique-se de utilizar materiais de alta qualidade, que sejam resistentes às condições climáticas e que atendam às especificações das normas técnicas.
3. Posicionamento Estratégico: Os para-raios, hastes de captação, condutores de descida e outros componentes do SPDA devem ser posicionados estrategicamente para garantir a proteção abrangente da estrutura. O dimensionamento adequado da captação e a localização correta dos componentes são fundamentais para maximizar a eficácia do sistema.
4. Conexões e Aterramento: As conexões entre os componentes do SPDA devem ser bem feitas e devidamente aterradas. Um sistema de aterramento eficiente é essencial para a dissipação segura da corrente elétrica do raio no solo.
5. Proteção de Equipamentos Sensíveis: Além do SPDA, é importante instalar dispositivos de proteção contra surtos elétricos (DPS) para proteger equipamentos eletrônicos sensíveis de danos causados por sobretensões.
Manutenção Periódica do SPDA
A manutenção periódica é fundamental para garantir a eficácia contínua do SPDA ao longo do tempo. Aqui estão alguns motivos pelos quais a manutenção é tão importante:
1. Verificação do Funcionamento: Através da manutenção, é possível verificar se todos os componentes do SPDA estão funcionando corretamente e se não há danos ou desgastes que possam comprometer sua eficácia.
2. Identificação de Avarias: A manutenção periódica permite identificar possíveis avarias ou problemas no sistema, como corrosão dos condutores, desgaste dos para-raios ou falhas nas conexões.
3. Garantia da Conformidade: A manutenção regular assegura que o SPDA continue em conformidade com as normas e regulamentações aplicáveis, bem como com os requisitos de seguradoras e órgãos fiscalizadores.
4. Prevenção de Acidentes: A manutenção ajuda a prevenir acidentes relacionados a descargas atmosféricas, como incêndios, explosões ou danos a equipamentos eletrônicos sensíveis.
5. Prolongamento da Vida Útil: Com a manutenção adequada, é possível prolongar a vida útil do SPDA, evitando gastos desnecessários com substituições prematuras de componentes.
É recomendado que a manutenção do SPDA seja realizada por profissionais especializados em sistemas de proteção contra raios. Eles devem verificar visualmente todos os componentes, realizar medições de resistência de aterramento e efetuar reparos ou substituições, se necessário. O período recomendado para a manutenção pode variar de acordo com a região e as condições climáticas, mas geralmente é feita anualmente ou a cada dois anos.
Conclusão
Concluindo, o Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) é uma solução indispensável para garantir a segurança de estruturas, equipamentos e pessoas diante das ameaças das descargas atmosféricas.
A correta instalação do SPDA por profissionais qualificados é crucial para sua eficácia, bem como a escolha de materiais adequados e o posicionamento estratégico dos componentes. Através do dimensionamento adequado da captação e de um sistema de aterramento eficiente, é possível ampliar a proteção e minimizar os riscos de danos provocados pelas descargas elétricas.
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