Aula - SPDA

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Instalações Elétricas
Sistemas de Proteção Contra 
Descargas Atmosféricas – SPDA
Instituto Federal de Rondônia – IFRO
Campus Porto Velho Calama
Curso de Engenharia de Controle e Automação
Prof. Me. Vitor Akira Uesugui Costa
E-mail: vitor.costa@ifro.edu.br
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
❑ O Brasil registra anualmente cerca de 77,8 milhões descargas atmosféricas,
sendo o país com maior incidência de raios no mundo.
❑ Levantamento realizado pelo INPE, apontou que no dia 25/01/2020, somente
no município de Porto Velho foram registrados 44.575 raios.
❑ O recorde de municípios ficou por conta de Cáceres, no Mato Grosso, sendo o
município do país que registrou o maior número de raios, contabilizando
131.515 raios em um único dia na primavera de 2018.
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
❑ As descargas atmosféricas tem em média, um pico de corrente de 30 kA.
❑ Medidas de corrente em torres equipadas, tem registrado valores máximos de
até 400 kA.
❑ O potencial elétrico de uma descarga atmosférica é de cerca de 100 milhões de
volts.
❑ A duração média de uma descarga atmosférica é de cerca de 0,2s.
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
❑ Mapa de densidade de descargas atmosféricas no Brasil:
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
❑ Uma pesquisa realizada em 2007 pelo grupo de Eletricidade Atmosférica
(ELAT) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), estimou que, os
raios causam prejuízos estimados em 1 bilhão de dólares ao Brasil. Este
prejuízo afeta diversos setores como:
▪ setor elétrico;
▪ telecomunicações;
▪ eletroeletrônicos;
▪ agropecuário
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
❑ Prejuízos ocasionados por descargas atmosféricas:
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
❑ Prejuízos ocasionados por descargas atmosféricas:
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
❑ Prejuízos ocasionados por descargas atmosféricas:
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
❑ Prejuízos ocasionados por descargas atmosféricas:
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
❑ Prejuízos ocasionados por descargas atmosféricas:
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
❑ Riscos de choque elétrico causados por descargas atmosféricas:
DESCARGAS ATMOSFÉRICAS
❑ Tensão de passo:
NBR 5419/2015
❑ NBR 5419/2015: Proteção contra descargas atmosféricas
▪ Parte 1: Princípios gerais;
▪ Parte 2: Gerenciamento de risco;
▪ Parte 3: Danos físicos a estruturas e perigos à vida (SPDA);
▪ Parte 4: Sistemas elétricos e eletrônicos internos na estrutura (MPS).
NBR 5419/2015
❑ NBR 5419/2015: Proteção contra descargas atmosféricas
GERENCIAMENTO DE RISCOS
❑ Os danos ocasionados pelas descargas atmosféricas podem produzir diferentes
tipos de perdas (L) consequentes em uma estrutura a ser protegida. O tipo de
perda pode acontecer dependendo das características da própria estrutura e do
seu conteúdo. Os seguintes tipos de perdas devem ser levados em consideração
de acordo com a NBR 5419/2015:
▪ L1: perda de vida humana (incluindo ferimentos permanentes);
▪ L2: perda de serviço ao público;
▪ L3: perda de patrimônio cultural;
▪ L4: perda de valores econômicos (estrutura, conteúdo, e perdas de atividades).
GERENCIAMENTO DE RISCOS
❑ O risco, R, é um valor relativo a uma provável perda anual média. Para cada
tipo de perda que pode aparecer na estrutura, o risco resultante deve ser
avaliado. Os riscos a serem avaliados em uma estrutura são os seguintes:
▪ R1: risco de perda de vida humana (incluindo ferimentos permanentes);
▪ R2: risco de perda de serviço ao público;
▪ R3: risco de perda de patrimônio cultural;
▪ R4: risco de perda de valores econômicos.
GERENCIAMENTO DE RISCOS
❑ A NBR 5419 indica os valores máximos toleráveis para cada um dos tipos de
riscos existentes:
Obs: Para perda de valor econômico (L4), deve ser realizada uma comparação
custo/benefício conforme anexo da norma. Se os dados para esta análise não estão
disponíveis, o valor representativo de risco tolerável 𝑅𝑇 = 10
−3 pode ser utilizado.
NÍVEL DE PROTEÇÃO / CLASSE DO SPDA
❑ Os resultados da etapa de gerenciamento de riscos indicam a necessidade ou não
de instalação de um SPDA na edificação, além disso, indicam também o nível
de proteção do SPDA caso ele seja necessário.
❑ O nível de proteção define a eficiência de um SPDA, indicando as
probabilidades de proteção de um SPDA a uma estrutura contra os efeitos das
descargas atmosféricas.
❑ O nível de proteção também garante o dimensionamento adequados dos valores
especificados em projeto.
NÍVEL DE PROTEÇÃO / CLASSE DO SPDA
❑ Níveis de proteção / Classe do SPDA
NÍVEL DE PROTEÇÃO / CLASSE DO SPDA
❑ A probabilidade (𝑃𝐵) de uma descarga atmosférica causar danos físicos a uma
estrutura em função da Classe do SPDA é dada pela tabela a seguir:
SUBSISTEMAS DO SPDA
❑ Todo SPDA deve ser composto por três subsistema:
▪ Subsistema de captores;
▪ Subsistema de condutores de descida;
▪ Subsistema de aterramento.
COMPONENTES NATURAIS
❑ Os subsistemas podem ser compostos por componentes naturais ou não-naturais.
❑ Os componentes não naturais são elementos instalados especificamente para
compor o SPDA: captor tipo Franklin, condutores de cobre nu, hastes.
❑ Os componentes naturais são elementos condutivos não instalados
especificamente para o SPDA, mas que podem ser integrados ao mesmo.
▪ captor natural (estrutura e telhas metálicas);
▪ descida natural (perfis metálicos configurando os pilares de sustentação);
▪ eletrodo de aterramento natural (armaduras do concreto armado providas
de continuidade elétrica).
COMPONENTES NATURAIS
❑ Exemplos de componentes naturais do SPDA:
COMPONENTES NÃO NATURAIS
❑ Exemplos de componentes não naturais do SPDA:
SUBSISTEMAS DO SPDA
❑ Composição de um SPDA com elementos naturais e não naturais:
MÉTODOS DE PROTEÇÃO
❑ Quanto ao susbsistema de captação, a NBR 5419 admite três métodos de
proteção, devendo ser adotado o que melhor se adequar à estrutura a ser
protegida. São eles:
▪ Método do ângulo de proteção (Franklin);
▪ Método das malhas (Gaiola de Faraday);
▪ Método da esfera rolante (Eletrogeométrico).
MÉTODOS DE PROTEÇÃO
❑ Método do ângulo de proteção (Franklin): é recomendado para edificações de
até 60 metros de altura, e que não possuem uma área horizontal muito grande.
MÉTODOS DE PROTEÇÃO
❑ Método das malhas: é recomendado para edificações que possuam uma grande
área horizontal e com telhados sem grandes curvaturas ou inclinações.
MÉTODOS DE PROTEÇÃO
❑ Método da esfera rolante: este método é apropriado para edificações muito
altas, ou de geometria particular, cuja arquitetura expõe muitas saliências, e
reentrâncias .
MÉTODOS DE PROTEÇÃO
❑ Captores radioativos: são captores que durante as décadas de 70 e 80 eram
utilizados como alternativa ao tipo Franklin. São facilmente reconhecidos, visto
que, utilizam discos sobrepostos ao invés das características hastes pontiagudas
no topo. A fabricação e comercialização destes captores está proibida no Brasil
desde 1989 devido à não comprovação da sua maior eficiência em relação aos
captores convencionais.
CLASSE DO SPDA
❑ Parâmetros de projeto de acordo com a Classe do SPDA:
CLASSE DO SPDA
❑ Parâmetros de projeto de acordo com a Classe do SPDA:
Ângulo de proteção correspondente à Classe do SPDA
CLASSE DO SPDA
❑ Parâmetros de projeto de acordo com a Classe do SPDA:
Instalações Elétricas
SPDA – Parte 2
Instituto Federal de Rondônia – IFRO
Campus Porto Velho Calama
Curso de Engenharia de Controle e Automação
Prof. Me. Vitor Akira Uesugui Costa
E-mail: vitor.costa@ifro.edu.br
NÚMERO DE CONDUTORES DE DESCIDA
𝑁𝑐𝑑 =
𝑃𝑐𝑜
𝐷𝑐𝑑
𝑁𝑐𝑑 - Número de condutores de descida;
𝑃𝑐𝑜 - Perímetro da construção, em m;
𝐷𝑐𝑑 - Espaçamento entre os condutores de descida em m.
MÉTODOS DE PROTEÇÃO
Método do ângulo de proteção: o para-raios deve oferecer uma proteção dada por
um cone cujo vértice corresponde à extremidade superior do captor e cuja geratriz
faz um ângulo de α° com a vertical, propiciando um raio de base do cone de valor
dado pela equação a seguir:
𝑅𝑏 = ℎ 𝑥 𝑡𝑔 α°
𝑅𝑏 – Raio da base do cone
ℎ – Alturado mastro acima do plano de referência
α – ângulo de proteção
ÂNGULO DE PROTEÇÃO
No método do ângulo de proteção, deve-se ter sempre em mente a altura do captor
em relação ao plano de referência, pois este valor interfere diretamente no ângulo
de proteção provido à estrutura:
ÂNGULO DE PROTEÇÃO
❑ Ângulo de proteção correspondente à Classe do SPDA:
ÂNGULO DE PROTEÇÃO
❑ Ângulo de proteção correspondente à Classe do SPDA:
3m
12m
2m
EXEMPLO – ÂNGULO DE PROTEÇÃO
❑ Um prédio residencial com 4 andares + térreo, possui uma altura de 15 metros e
dimensões de 20x20m (comprimento x largura). Trata-se de uma edificação Classe IV.
a) Verificar se a utilização de um único captor com mastro de 5m instalado no
topo do edifício é viável para a proteção do mesmo.
b) Calcular o número de condutores de descida.
❑ I) Determinar o raio da base do cone de proteção:
𝑅𝑏𝑎𝑠𝑒 =
20² + 20²
2
= 14,14𝑚
EXEMPLO – ÂNGULO DE PROTEÇÃO
❑ II) Determinar o ângulo mínimo necessário para a proteção da cobertura:
𝑅𝑏𝑎𝑠𝑒 = ℎ 𝑥 𝑡𝑔α°
14,14 = 5 𝑥 𝑡𝑔α°
t𝑔α =
14,14
5
t𝑔α = 2,83
α = 𝑡𝑔−1 2,83 = 70°
EXEMPLO – ÂNGULO DE PROTEÇÃO
❑ III) Verificar se o ângulo correspondente da classe da edificação é suficiente
para proteção do edifício:
EXEMPLO – ÂNGULO DE PROTEÇÃO
74° O ângulo de proteção
proporcionado por um
captor de Classe IV
com 5m de altura em
relação ao plano de
referência é 74°. Sendo
assim o SPDA é viável,
uma vez que o ângulo
mínimo exigido para a
edificação é de 70°.
𝑁𝑐𝑑 =
𝑃𝑐𝑜
𝐷𝑐𝑑
𝑁𝑐𝑑 =
4 𝑥 20
20
𝑁𝑐𝑑 =
80
20
= 4 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠
EXEMPLO – ÂNGULO DE PROTEÇÃO
MÉTODO DAS MALHAS
❑ Método das malhas:
Para o cálculo do número de condutores da malha captora, devem-se utilizar as fórmulas a
seguir:
𝑁𝑐𝑚1 =
𝐶
𝐴𝑐𝑚
+ 1
𝑁𝑐𝑚2 =
𝐿
𝐴𝑐𝑚
+ 1
𝑁𝑐𝑚1 - Número de condutores na direção 1;
𝑁𝑐𝑚2 - Número de condutores na direção 2;
𝐶 - Comprimento da edificação, em m;
𝐿 – Largura da edificação em m;
𝐴𝑐𝑚 - Afastamento dos condutores da malha de acordo com a classe escolhida
EXEMPLO – MÉTODO DAS MALHAS
❑ Projetar o afastamento dos condutores num SPDA tipo Gaiola de Faraday para um prédio
residencial (Classe III) com altura de 15 metros e dimensões de 75x40m (comprimento x
largura). A figura abaixo ilustra as dimensões da cobertura.
EXEMPLO – MÉTODO DAS MALHAS
❑ I) Calcular o número de condutores nos dois sentidos da malha do SPDA:
▪ Direção 1:
𝑁𝑐𝑚1 =
𝐶
𝐴𝑐𝑚
+ 1
𝑁𝑐𝑚1 =
75
15
+ 1 = 6 condutores
▪ Direção 2:
𝑁𝑐𝑚2 =
𝐿
𝐴𝑐𝑚
+ 1
𝑁𝑐𝑚2 =
40
15
+ 1 ≅ 4 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠
EXEMPLO – MÉTODO DAS MALHAS
❑ II) Calcular o número de condutores de descida:
𝑁𝑐𝑑 =
𝑃𝑐𝑜
𝐷𝑐𝑑
𝑁𝑐𝑑 =
40𝑥2+75𝑥2
15
𝑁𝑐𝑑 =
40𝑥2+75𝑥2
15
𝑁𝑐𝑑 = 15,3 ≅ 16 𝑐𝑜𝑛𝑑𝑢𝑡𝑜𝑟𝑒𝑠
EXEMPLO – MÉTODO DAS MALHAS
❑ III) Configuração final da malha:
❑ ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5419 Proteção contra
descargas atmosféricas – Parte 1: Princípios gerais. Rio de Janeiro, p. 67, 2015.
❑ ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5419 Proteção contra
descargas atmosféricas – Parte 2: Gerenciamento de risco. Rio de Janeiro, p. 104, 2015.
❑ ASSOCIAÇÃO BRASILEIRA DE NORMAS TÉCNICAS. NBR 5419 Proteção contra
descargas atmosféricas – Parte 3: Danos físicos a estruturas e perigos à vida. Rio de
Janeiro, p. 51, 2015.
❑ CRUZ, Eduardo Cesar Alves; ANICETO, Larry Aparecido. Instalações elétricas:
fundamentos, práticas e projetos em instalações residenciais e comerciais. Saraiva
Educação SA, 2019.
Referências