20_metodos_de_protecao_descargas_eletricas_e_para_raios

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M€todos de prote•‚o,
descargas el€tricas e para-raios
Métodos de Proteção 
 
O Método Franklin 
Consiste em se determinar o volume de proteção propiciado por um cone (figura abaixo), 
cujo ângulo de geratriz com a vertical varia segundo o nível de proteção desejado e para 
uma determinada altura da construção. 
A tabela abaixo fornece o ângulo máximo de proteção para uma altura da construção 
inferior a 20 metros. 
 
NÍVEL DE 
PROTEÇÃO 
ÂNGULO DE 
PROTEÇÃO( º ) 
I 25 
II 35 
III 45 
IV 55 
 
 
 
Os projetos de instalação de pára-raios pelo método de Franklin podem ser elaborados 
tomando-se a seguinte seqüência de cálculos: 
a) Zona de proteção: O pára-raio oferece uma proteção dada por um cone cujo vértice 
corresponde à extremidade superior do captor e cuja geratriz faz um ângulo de aº com a 
vertical, propiciando um raio de base do cone de valor dado pela equação: 
Rp=Hc x tga 
Rp-raio da base do cone de proteção, em m; 
Hc-altura da extremidade do captor, em m; 
a-ângulo de proteção com a vertical. Na pressença de mais de um captor pode-se acrescer 
10º ao ângulo a. 
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Deve-se estabelecer uma proteção de borda da parte superior da edificação, atavés de um 
condutor, compondo a malha de interligação dos captores. 
b) Número de condutores de descida: Deve ser função do nível de proteção desejado e do 
afastamento entre os condutores de descida. 
Ncd=Pco/Dcd____ 
Ncd - número de condutores de descida; 
Pco - perímetro da construção, em m; 
Dcd - distância entre os condutores de descida. 
 
Na tabela abaixo vemos a distância máxima entre os condutores de descida: 
NÍVEL DE 
PROTEÇÃO DISTÂNCIA MÁXIMA
I 10 
II 15 
III 20 
IV 25 
Os condutores de descida devem ser distribuídos ao longo de todo o perímetro da 
construção com um espaçamento máximo em função do nível de proteção, não se 
admitindo um número de descidas inferior a 2. 
c) Seção do.condutor: De preferência, devem ser utilizados condutores de cobre nu, 
principalmente em zonas industriais de elevada poluição ou próximas à orla marítima. 
A seção mínima dos condutores é dada em função do tipo do material condutor e da altura 
da edificação 
Nas interligações entre captores, descidas e massas metálicas e entre os eletrodos de 
aterramento, a seção mínima do condutor de cobre é de 16 mm2. 
d) Resistência da malha de terra: A resistência da malha de terra não deve ser superior a 
10W. 
 
O Método de Faraday 
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Consiste em envolver a parte superior da construção com uma malha captora de condutores 
elétricos nus, cuja distancia entre eles é função de proteção. 
NÍVEL DISTÂNCIA (m) 
I 5 
II 10 
III 10 
IV 20 
O número de condutores da malha pode ser determinado para qualquer dimensão da malha. 
Ncm = (Dm/Dco)+1 
Dm - dimensão da área plana da malha captora no sentido da largura e do comprimento, em 
m; 
Dco - distância entre os condutores, em m. 
É prudente a instalação de hastes verticais ligadas ao longo da malha de proteção e 
distanciadas de cerca de 8m. O comprimento das hastes verticais deve ser de 50 cm, no 
mínimo. 
O número de descidas pode ser determinado pelo método de Franklin. 
O método de Faraday tem recebido ultimamente a preferência dos projetistas. É que, pelo 
método de Franklin, a interligação entre as hastes suportes dos captores pode conduzir a 
uma malha no topo da contração de dimensões tais que resultam praticamente nas 
dimensões necessárias à aplicação do método de Faraday. 
 
Método da Esfera Rolante 
Será apresentada somente a aplicação para proteção de subestações de potência de 
instalação exterior. 
Assim como qualquer outra construção, estão sujeitas às descargas atmosféricas diretas 
sobre os pórticos, barramentos, equipamentos, etc. Desta forma, deve-se projetar um 
sistema de proteção, através de pára-raios de haste, capaz de oferecer a máxima segurança a 
toda área. 
É muito comum a utilização, em subestações de instalação exterior, dos pára-raios do tipo 
Franklin, devido à disponibilidade das torres das estruturas existentes. 
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Abaixo vemos um exemplode proteção em edificações baixas usando o método da esfera 
rolante 
 
 
O dimensionamento de um sistema de proteção contra descargas atmosféricas deve seguir 
os seguintes procedimentos: 
a) Zona de proteção: O pára-raios, neste caso, oferece uma zona de proteção limitada 
aproximadamente por um cone. 
O limite dessa zona é dado por um arco cujo raio é igual a 3 vezes à altura do ponto do 
captor . O raio máximo de altura Rpm, da proteção é igual a 5 vezes a altura anterior 
mencionada .Esta é a equação que dá o valor do raio máximo: 
Rpm = ( 50.5 )x Hc 
Em alguma subestações utilizam-se, mesmo com menor freqüência, fios de guarda. Para 
uma mesma altura da ponta do captor, porém, a zona de proteção do pára-raios é maior do 
que aquela dada por fios de guarda. 
 
A Gaiola de Faraday 
a) Blindagem eletrostática: Em 1775, numa carta a um amigo, Benjamin Franklin 
escreveu: "eletrizei uma caneca de aproximadamente meio litro e nela introduzi uma esfera 
de cortiça com mais ou menos uma polegada de diâmetro pendurada em um fio de seda, até 
que tocasse o fundo da caneca. O fato é singular. Eu não conheço explicação para o 
fenômeno". 
Faraday encontrou a explicação no século XIX a partir da experiência já comentada, e 
formulou o seguinte princípio: Num condutor em equilíbrio eletrostático, as cargas em 
excesso ficam distribuídas na superfície externa. 
O fenômeno da distribuição das cargas elétricas na superfície de um condutor é 
denominado blindagem eletrostática. 
A blindagem eletrostática mostra que: 
- Na parte interna de um condutor o campo é nulo; 
- Em qualquer ponto da superfície e da parte interna do condutor o potencial é constante; 
portanto, a ddp é nula. 
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Esse conhecimento possibilitou diversas aplicações, entre as quais destacamos: 
- Cabos coaxiais (cabos que tem o eixo em comum). Estes cabos são revertidos por uma 
malha metálica que impede a transferência de sinais elétricos no aparelho. 
- A antena para veículos, sem a qual, e devido à blindagem determinada pela carroceria 
metálica um rádio não funciona em seu interior. 
- A blindagem de certas peças eletrônicas, como: válvulas, cabos de áudio, instrumentos de 
precisão, etc. 
b) Características gerais: 
- Os cabos horizontais das gaiolas de Faraday devem percorrer todo o perímetro da 
edificação e demais arestas que se destacam no conjunto. 
- O uso de terminais aéreos insere pontos preferenciais de captação melhorando a 
performance do sistema. 
- Deverão ser instaladas descidas em função do nível de proteção conforme a norma 
NBR5419. 
- Os cabos da gaiola devem ser fixados nos parafusos das telhas. 
- O aterramento em anel com cabo de cobre nu 50mm, devem contornar toda edificação, 
equalizando as descidas. 
- Deverão ser equalizadas as estruturas metálicas, os aterramentos de telefonia e do neutro 
em uma caixa com barramento. 
 
Descargas Elétricas 
 
As primeiras descobertas no campo da eletricidade 
As primeiras descobertas das quais se tem notícia, relacionadas com fenômenos elétricos, 
foram feitas pelos gregos, na Antiguidade. O filósofo e matemático Thales, que vivia na 
cidade de Mileto no século VI a.C., observou que um pedaço de âmbar, após ser atritado 
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com uma pele de animal, adquiria a propriedade de atrair corpos leves(como pedaços de 
palha e sementes de grama). 
Somente cerca de 2.000 anos mais tarde é que começaram a ser feitas observações 
sistemáticas e cuidadosas de fenômenos elétricos, destacando-se os trabalhos do médico 
inglês W. Gilbert. Este cientista observou que vários outros corpos, ao serem atritados, se 
comportavam como o âmbar e que a atração exercida por eles se manifestava sobre 
qualquer outro corpo, mesmo que este não fosse leve. 
Como a palavra grega correspondente a âmbar é "eléctron", Gilbert passou a usar o termo 
"eletrizado" ao se referir àqueles corpos que se comportavam como o âmbar, surgindo 
assim as expressões eletricidade, eletrizaçãoetc. 
Modernamente sabemos que todas as substâncias podem apresentar comportamento 
semelhante ao âmbar, isto é, podem ser eletrizadas ao serem atritadas com outras 
substâncias. Por exemplo: uma régua de plástico se eletriza ao ser atritada com seda e atrai 
uma bola de isopor; um pente se eletriza ao ser atritado nos cabelos de uma pessoa e atrai 
estes cabelos ou um filete de água; uma roupa de náilon se eletriza ao se atritar com o nosso 
corpo um automóvel em movimento se eletriza pelo atrito com o ar etc. 
 
As cargas elétricas 
Éster e Geitel explicam a formação de cargas nas nuvens, e conseqüentemente os raios da 
seguinte forma: 
Durante as tempestades, há fortes correntes ascendentes de ar úmido dentro das grandes 
nuvens.Em resultado da condensação do vapor de água formam-se gotas de água que 
atingidas certas dimensões começam a cair. carregadas de eletricidade, negativamente em 
sua parte inferior e positivamente na sua parte superior. Em sua queda, encontram-se 
gotículas em ascensão cedendo a elas sua carga positiva, nas quais são violentamente 
arrastadas para as bordas superiores das nuvens. 
Como conseqüência final, apresentam-se as nuvens com cargas elétricas positivas em sua 
parte superior, ficando a parte de baixo carregada negativamente. 
Em resultado da criação de cargas elétricas nas nuvens, pode haver três tipos de descargas 
atmosféricas: 
-Com a crescente diferença de potencial entre a parte superior e inferior e de baixo poder 
dielétrico do vapor de água, pode haver uma descarga dentro da própria nuvem.(a nuvem 
acende e apaga) 
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-Por aproximação das nuvens, impelidas por fortes ventos há deslocamento de carga de 
modo a se confrontarem cargas opostas de uma nuvem com respeito à outra. (o céu se 
rabisca em centelhas). 
-E pode também ocorrer a pior hipótese: a nuvem descarregar sobre a terra com a formação 
de raios. 
 
Os Raios 
O raio é um fenômeno da natureza que desde os primórdios vêem intrigando o homem, 
tanto pelo medo provocado pelo barulho, quanto pelos os danos causados. 
O raio é uma corrente elétrica e por isso deverá ser conduzida o mais rápido possível para o 
solo, minimizando seus efeitos destrutivos. 
As descargas elétricas causam sérias perturbações nas redes aéreas de transmissão de 
distribuição das concessionárias de energia elétrica, induzindo surtos de tensão que chegam 
a centenas de kV. 
A ação destruidora dos raios se deve às elevadas correntes e tensão, causando aquecimento 
e efeitos danosos. 
Um raio é formado por uma sucessão de várias descargas. Há primeiro, uma descarga piloto 
que começa na base da nuvem procurando o caminho de menor resistividade. 
Forma por isso uma pequena descarga com forma de árvore invertida. Esta descarga é de 
pequena intensidade e de baixa intensidade e velocidade.Segue-se a ela uma descarga guia 
que em saltos, e mais rápida provoca aquecimento, ionização em seu caminho. 
Como da terra sobe simultaneamente, uma descarga piloto seguida da descarga retorno, fica 
então um canal ionizado ligando a nuvem à terra.Por este canal ionizado desce a descarga 
principal, seguida pela descarga retorno que são contínuas. 
Se estas descargas não forem suficientes para neutralizar toda a carga da nuvem, forma-se 
então uma sucessão de descargas contínuas da nuvem, até que seja atingido o equilíbrio. 
Evidentemente sobre um terreno condutor de eletricidade a ocorrência de um raio e remota, 
pois são duas placas da mesma natureza.Se, porém, a nuvem passa em cima de uma região 
formada por solos maus condutores, cria-se por indução no terreno cargas positivas, onde 
temos a nuvem funcionando como placa negativa e o solo como placa positiva e o 
ar,natural úmido e às vezes ionizado servindo como um isolante de baixo poder dielétrico. 
Mas qual a diferença entre raio, trovão e relâmpago? 
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O raio é a própria descarga elétrica que ocorre para a neutralização das nuvens carregadas 
através de uma descarga que ocorre entre a nuvem e a terra, enquanto que o relâmpago e 
uma enorme centelha elétrica que salta de uma nuvem para a outra de diferente carga e 
ocorre então uma descarga dentro da nuvem.E por último o trovão que é o deslocamento da 
massa de ar que circula o caminho do raio em função da elevação da temperatura (de até 
30.000 graus), provocando a expansão do ar. 
A corrente de um raio em 50 % dos casos excede a 15.000 Ampères podendo atingir a 
200.000 Ampères. 
 
Sobretensões transitórias 
Um raio ao cair na terra, pode provocar grandes efeitos de destruição, devido ao alto valor 
de sua corrente elétrica que gera intensos campos eletromagnéticos, calor, etc. 
Além dos danos causados diretamente pela corrente elétrica e pelo intenso calor, o raio 
pode provocar sobretensões em redes de energia elétrica, em redes de telecomunicações, de 
TV a cabo, antenas parabólicas, redes de transmissão de dados etc. 
Essa sobretensão é denominada Sobretensão Transitória. 
Por sua vez, as Sobretensões Transitórias podem chegar até as instalações elétricas internas 
ou de telefones, de TV a cabo ou de qualquer unidade consumidora como residência, 
comércio, serviços indústria.Os seus efeitos, além de poder causar danos a pessoas e 
animais domésticos, podem: 
-Provocar a queima total ou parcial de equipamentos elétricos ou danos à própria instalação 
elétrica interna e telefônica entre outros. 
-Reduzir a vida útil dos equipamentos; 
-Provocar enormes perdas, com a parada de equipamentos, etc. 
É importante salientar que as redes de energia elétrica, de telecomunicações são 
obviamente totalmente separadas uma das outras. 
As Sobretensões Transitórias originadas de descargas atmosféricas podem ocorrer de dois 
modos: 
-DESCARGA DIRETA: o raio atinge diretamente uma rede elétrica ou telefônica. Neste 
caso, o raio tem um efeito devastador, gerando elevados valores de sobretensões sobre os 
diversos circuitos. 
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-DESCARGA INDIRETA: o raio caindo a uma distância de até 1 quilometro de uma rede 
elétrica . A sobretensão gerada é de menor intensidade do que provocada pela descarga 
direta, mas pode causar sérios danos. Essa sobretensão induzida acontece quando uma parte 
da energia do raio é transferida através de um acoplamento eletromagnético com uma rede 
elétrica. 
A maior parte das Sobretensões Transitórias de origem atmosféricas que causam danos a 
equipamentos, são ocasionadas pelas descargas indiretas. 
 
Rigidez dielétrica: O poder das pontas 
O fenômeno do poder das pontas ocorre porque, em um condutor eletrizado a carga tende a 
se acumular nas regiões pontiagudas, criando um campo elétrico maior que nas regiões 
mais planas. 
Assim se aumentarmos continuadamente a carga elétrica no condutor, a intensidade do 
campo elétrico em torno dele aumentará também, até que na região pontiaguda o valor da 
rigidez dielétrica do ar será ultrapassado antes que isto ocorra nas demais regiões. 
Portanto nas proximidades da região pontiaguda que o ar se tornará condutor e será através 
da ponta que a carga se escoará. 
É por isso que quando estamos em um campo aberto, não é aconselhável ficarmos em pé ou 
debaixo de alguma árvore, pois podemos criar em volta um campo elétrico que poderá 
romper a rigidez dielétrica do ar fazendo com que este se torne condutor e ocorra uma 
descarga elétrica entre a pessoa ou a árvore e a nuvem. 
Conhecendo o poder das pontas, Benjamim Franklin teve então a idéia de construir um 
dispositivo que exercesse uma proteção contra raio.Este dispositivo, o pára-raios exercerá 
função de criar em volta dele um ar com características condutoras que fará com que o raio 
caia sobre ele e não em qualquer lugar da vizinhança. É por isso que uma casa sempre tem 
que ter um pára-raios ou estar na zona de proteção de algum outro. 
 
Áreas de incidência 
Ao procurar um caminho para sua descarga, o raio atinge pontos mais altos e pontiagudos, 
onde existe maior concentração de cargas.Assim ele pode cair em um lugar várias vezes. 
Diferentemente do que imagina, oraio prefere terrenos maus condutores, como os 
graníticos ou xistosos, ao invés dos bons condutores, como os calcários e de aluvião. 
Consta que nos terrenos isolantes, há liberação de cargas elétricas para a superfície e essas 
cargas propiciam a queda do raio em terrenos maus condutores. 
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A localização de áreas onde ocorrem descargas elétricas é determinada pela natureza dos 
seus solos e subsolos. Esses solos podem conter elementos magnéticos, condutores e 
radioativos, sendo o mais vulnerável o que contiver os três. É o efeito magnético que atrai 
os elétrons da superfície da terra para um local especifico, enquanto que a condutibilidade 
do subsolo os ajudam a chegar a este local. 
É por isso que Minas é considerado um dos estados onde mais cai raios.Além de estar em 
locais mais alto, com muitas montanhas, é um lugar onde há bastante minério, um exemplo 
disto e o famoso Quadrilátero Ferríferro. 
 
Pertubações de um choque em um ser humano 
Os efeitos das perturbações de um choque em um ser humano variam e dependem de: 
-Percurso da corrente elétrica pelo corpo; 
-Intensidade da corrente elétrica; 
-Tempo de duração de um choque; 
-Espécie da corrente; 
-Freqüência da corrente; 
-Estado de umidade da pele; 
-Condições orgânicas do individuo. 
As perturbações no indivíduo manifestam-se por parada respiratória, parada cardíaca, 
necrose, e alterações no sangue. 
 
 pára-raios 
 
O pára-raios é um dispositivo destinado a proteger redes elétricas contra sobretensões 
transitórias elevadas, limitando, também, a duração e intensidade da corrente subseqüente. 
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Os pára-raios modernos são constituídos de várias intermitências, ou centelhadores, em 
bloco com matérias de resistência não linear, envolvidos por porcelana. A função da 
intermitência é proporcionar o início do centelhamento quando a onda de sobretensão 
atinge um certo valor especificado, protegendo, com margem adequada, o equipamento 
para a frente de onda e, ainda, interrompendo a corrente de 60 Hz o mais rápido possível 
(de preferência em menos de 0,5 ciclo). 
Outra característica da intermitência é a de não descarregar desnecessariamente quando o 
sistema é submetido a sobretensões previstas (caso de curto fase-terra, por exemplo). A 
função da resistência não linear é a de oferecer baixa resistência para o surto atmosférico e 
alta resistência para a corrente subseqüente de curto-circuito.Assim, depois do pára-raios 
ter escoado a corrente de surto para a terra, o resistor não linear aumenta de valor, 
diminuindo a corrente de curto-circuito de tal maneira que a intermitência seja capaz de 
interromper a corrente em menos de meio ciclo. 
De uma maneira geral, um bom pára-raios deve desempenhar as seguintes funções: 
- Proteger os equipamentos contra sobretensões, com margem de segurança adequada; 
- Limitar a corrente subseqüente de 60 hz a um baixo valor; 
- Eliminar a operação dos equipamentos de proteção de sobrecorrente, evitando a redução 
da continuidade do serviço. 
As características que definem o pára-raios tipo válvula, em condições de surto, são a 
tensão disruptiva de impulso normalizada e as tensões de descarga para vários valores de 
correntes de raio. 
O pára-raios, ao ser atingido por uma onda viajante, fica submetido a uma determinada 
tensão de impulso que, se excede à tensão disruptiva de impulso, faz com que o mesmo 
descarregue para a terra. A corrente de descarga através do pára-raios produz uma queda de 
tensão que pode ser superior à tensão disruptiva de impulso normalizada. 
 
Características Elétricas do Pára-raio 
As características elétricas do pára-raio são: 
Tensão nominal - máxima tensão de freqüência nominal, aplicável continuamente entre os 
terminais do pára-raios e na qual este deve operar corretamente sem modificar suas 
características de operação. 
Freqüência nominal - freqüência nominal do sistema para o qual o pára-raios é projetado. 
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Tensão disruptiva de freqüência nominal - valor da tensão a freqüência nominal, a medida 
como o valor de crista dividido por raiz de 2, que causa disrupção de todos os 
centelhadores-série. 
Tensão disruptiva de impulso atmosférica normalizado - menor valor da crista de impulso 
atmosférico que, aplicado aos terminais dos pára-raios, causa disrupção em todas ass 
aplicações. 
Tensão disruptiva de impulso de manobra - o valor entre os valores de ambas as 
polaridades das tensões disruptivas de alta probabilidade, e das tensões disruptivas de 
impulso de manobra na sobretensão de 1,3 para impulsos de manobra com três formas, com 
tempos de frente de 30 a 60,150 a 300 e 1000 a 2000 milímetros por segundo e com o 
tempo de ate meio valor não menor que os respectivos tempos de frente. 
Característica "tensão disruptiva de impulso - tempo para disrupção" - curva que relacional 
a tensão disruptiva de impulso ao tempo para disrupção. 
Corrente de descarga - corrente de impulsos que flui pelo pára-raios, após sua disrupção. 
Corrente de descarga nominal - valor de crista da corrente de descarga com a forma de onda 
8/20, que é usada para classificar o pára-raio. 
Tensão residual - valor da crista da tensão que aparece entre os terminais de um pára raios, 
durante a passagem da corrente de descarga. 
Corrente subseqüente - corrente de freqüência nominal que flui através do pára-raios em 
seguida a passagem da corrente de descarga. 
Característica "tensão residual-corrente de descarga"- curva que relaciona a tensão residual 
a corrente de descarga. 
 
Classificação do Pára-raio 
Os pára-raios são escolhidos de acordo com suas tensões nominais, em função do tipo de 
aterramento do sistema no qual esses dispositivos serão instalados.Alem deste aspecto de 
tensão, outras características devem ser levadas em conta, tais como a máxima tensão da 
descarga e máxima tensão de impulso, valores esses também fornecidos por todos os 
fabricantes. 
Os pára-raios, de acordo com suas diferentes características nominais, são classificados 
pelas normas brasileiras em: 
1). série A - tipo pesado: 
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São aqueles adequados a proteção dos equipamentos mais pesados, tais como 
transformadores de forca, dispositivos de comandos de alta tensão, etc. 
2). série A - tipo leve: 
Seu campo de aplicação e semelhante ao anterior, com a diferença que os equipamentos 
protegidos são de menor porte. 
3). série B: 
São aqueles que se destinam a proteção de equipamentos, transformadores de distribuição e 
respectivos dispositivos de comando. 
 
 
 
 
 
 
 
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