Prof. Dr. Helder Anibal HerminiUNICAMP - FEM - DPM

“Não se poderia falar em Automação Industrial sem abordar as técnicas de proteção dos circuitos eletrônicos contra descargas elétricas”.

Se no campo de um condutor eletrizado A se introduz um corpo condutor B, isolado em estado neutro, este se eletriza por indução, assumindo cargas de polaridade contrária à do condutor A na região mais próxima e cargas de mesma polaridade que o corpo A na região mais distante.

Dois corpos condutores, imersos em um meio inicialmente “isolante”, são carregados de carga de polaridade oposta, gerando entre eles uma d.d.p. .Quando se atinge em um valor limite, o qual varia em função do material dielétrico, há o fenômeno da ruptura dielétrica, e o meio isolante passa a ser momentaneamente um meio condutor, quando se salta um arco (feixe de elétrons).

As nuvens são sempre dotadas de eletricidade, sendo que as gotas de vapor estão ionizadas, de forma que as gotas dotadas de carga negativa se colocam na parte de baixo da nuvem e as gotas dotadas de carga positiva se colocam na parte alta.

As cargas negativas da nuvem induzem eletrostáticamente cargas elétricas positivas na porção terra, sobre tudo nas partes mais elevadas do relevo da terra abaixo da nuvem.

Quando a d.d.p. entre a nuvem e a terra superar a rigidez do ar (5 a 10 kV/cm), tem-se a descarga, que se dá a uma velocidade próxima de 1500 km/h, com uma intensidade que chega a atingir 100 kA e d.d.p. de vários milhões de volt, com duração de descarga na ordem de microsegundos.

• Como o ar está ionizado, a nuvem entra em curto-circuito com o solo. Uma vez em curto-circuito, a nuvem assume polaridade inversa.

• Com a polaridade invertida, uma segunda descarga acontece, porém, agora da terra (solo) para a nuvem.

Corrente: 2000 a 200 000 ATensão Moderada: 100 a 1000000 kVDuração média: 70 a 200 sPotência liberada: 1000 a 8000 milhões de kwhEnergia: 4 a 10 kwhTempo de crista: 1,2 sTempo de meia cauda: 50 sdi/dt: 5,5 kA/ s

Quando o raio atinge o solo, as ondas de tensão propagam-se radialmente, se deslocando do centro para a periferia. Entre uma onda e outro há uma d.d.p..

“Toda carga em um condutor se localiza em sua superfície externa”.

MICHAEL FARADAY (1791 - 1867)

GAIOLA DE FARADAY

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.

•PONTO DE IMPACTO - Ponto onde uma descarga atmosférica atinge a terra, uma estrutura ou o sistema de proteção contra descargas atmosféricas.

•VOLUME A PROTEGER - Volume de uma estrutura ou de uma região que requer proteção contra os efeitos das descargas atmosféricas.

•SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS (SPDA) - Sistema completo destinado a proteger uma estrutura contra efeitos das descargas atmosféricas. É composto de um sistema externo e de um sistema interno de proteção.

• A densidade da distribuição das cargas na superfície externa de um condutor de dimensão extensa varia em função da “topologia” da região.

SQ

Região de maior densidade de cargas

• A densidade da distribuição das cargas na superfície externa de um condutor é dada por

• Nas linhas de alta tensão, é usual e aconselhável evitar ângulos agudos na trajetória dos condutores, pois podem haver nestas regiões de “pontas”, grandes densidades de carga e de força elétrica, que provocam a dispersão espontânea de cargas elétricas (efeito coroa), que se manifesta sob a forma de eflúvios fluorescentes com certa luminosidade. O fenômeno é facilitado pela presença de umidade no ar.

• 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.

• 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.

E

Um invólucro ou malha metálicos de geométrica fechada constituem anteparos elétricos que protegem o espaço interno da qualquer campo elétrico. As malhas são eficientes desde que a área dos espaços vazios não avance sobre a superfície a proteger.

1) Captor Tipo Terminal

2) Cabo de Cobre

3) Suportes Isoladores

4) Tubo de Proteção

5) Malha de Aterramento

6) Conector de Medição

1) CAPTOR TIPO FRANKLIN

2) POSTE METÁLICO AUTO SUPORTADO

3) CABO DE COBRE NU

4) CAIXA DE INSPEÇÃO

5) HASTE TIPO COOPERWELD

6) CONECTOR CABO HASTE

1) PÁRA-RAIOS DE LINHA DE BAIXA TENSÃO

2) PROTETOR DE SURTOS PARA QUADRO INTERNO

3) PROTEÇÃO INTEGRADA PARA PABX, FAC-SIMILE

4) PROTEÇÃO INTEGRADA PARA MODEM, MICRO E LINHA LP

5) ATERRAMENTO HÍBRIDO PARA MÁQUINAS E EQUIPAMENTOS

6) MALHA DE ATERRAMENTO

• Proteger o usuário do equipamento das cargas atmosféricas;

• “Descarregar” cargas estáticas acumuladas nas carcaças das máquinas ou equipamentos para a terra;

• Facilitar o funcionamento dos dispositivos de proteção (fusíveis, disjuntores, etc), através da corrente desviada para a terra.

TERRA

NEUTRO

MASSA

Condutor construído através de uma haste metálica e que, em situações normais, não deve possuir corrente circulante. O fio terra vem identificado pelas letras PE e deve ser de cor verde e amarela (ou apenas verde)

“Condutor” fornecido pela concessionária de energia elétrica, pela qual há o retorno da corrente elétrica.

A parte da carcaça de um equipamento que é ligada ao Terra é denominada MASSA .

• Teoricamente, o terminal neutro da concessionária deve ter potencial O V, porém, devido ao desbalanceamento nas fases do transformador de distribuição, é comum esse terminal assumir potenciais diferentes de O V e assim o potencial “flutue”.

• O desbalancemento de fases ocorre quando tem-se consumidores com necessidades de potenciais muito distintas, ligadas em um mesmo link;

• Para evitar que o potencial do terminal neutro flutue, liga-se o fio neutro a uma haste de terra e assim todo potencial que tender a aparecer será escoado para a terra.

• A normatização das instalações ABNT - NBR5410

• SUBSECÇÕES referentes aos possíveis sistemas de aterramento em ambiente industrial:

6.3.3.1.1

6.3.3.1.2

6.3.3.1.3

• A haste de aterramento deve ser feita de alma de aço revestida de cobre . Seu comprimento pode variar de 2,5 a 4,0 m. As mais utilizadas são as de 2,5 m por não atingirem dutos subterrâneos em sua instalação.

• O valor ideal para um bom aterramento deve ser menor ou igual a 5 . Dependendo da química do solo, mais de uma haste pode-se fazer necessária para que se aproxime desse valor, além disso, ainda se pode efetuar o tratamento químico do solo.

•Muitas vezes o aumento do número de barras de aterramento não consegue diminuir a resistência da terra significativamente. Quando isso ocorre, deve-se tomar como medida por medida para reduzir a resistência elétrica o tratamento químico do solo.

•O tratamento químico tem a desvantagem devido a absorção dos elementos adicionados, e por decorrência, com o passar do tempo a resistência volta a aumentar.

• Existem vários produtos que podem ser colocados no solo antes ou depois da instalação da haste para a redução da resistência elétrica. A bentonita, o Earthron e o Erico-Gel são os mais utilizados, mas em linhas gerais, o produto a ser utilizado deve ter como por principais características:

•Não ser tóxico;

•Deve reter umidade;

•Deve ser bom condutor elétrico;

•Ter pH alcalino (não corrosivo);

•Não deve ser solúvel em água.

O TERRÔMETRO injeta uma corrente na terra que é transformada em “quedas” de tensão pelos resistores formados pelas hastes de referência, e pela própria haste do terra. Através dessa queda de potencial, o mostrador é calibrado para indicar o valor ôhmico da resistência do terra.

Escolhe-se uma fase qualquer e a conecta a um pólo de uma lâmpada elétrica comum. Em segundo lugar, liga-se a outro pólo da lâmpada na haste de terra a ser analisada.

Quanto mais próximo do normal for o brilho da lâmpada, mais baixa é a resistência de terra. Ainda, utilizando um amperímetro, para um “ terra” considerado razoável, a corrente elétrica deve estar acima de 600 mA.

Quebra de comunicação ente máquina de PC (CLP, CNC) em modo on line. Principalmente se o protocolo de comunicação for RS - 232.

Excesso de geração de interferências eletromagnéticas;

Aquecimento anormal das etapas de potência (inversores, conversores, etc...) e motorização;

Em caso de PCs, funcionamento irregular com constantes “travamentos”;

Queima de CIs ou placas eletrônicas se razão aparente;

Interferências na imagem e ondulações em monitores de vídeo.

HASTE DE ATERRAMENTO Tipo Copperweld - Alma de aço revestida de cobre.

Tipo Cantoneira Cantoneira de fero zincada, ou alumínio.

MALHAS DE ATERRAMENTO Indicadas para locais cujo solo seja extremamente

seco;

instalado antes da montagem do contrapiso do prédio e se estende por toda a área de construção;

a malha de aterramento é feita de cobre, e sua “janela” interna pode variar de tamanho dependendo da aplicação, sendo o mais usual d = 0,5 m.

UTILIZAÇÃO DAS FERRAGENS DA ESTRUTURA DA CONSTRUÇÃO COMO ELETRODO DE ATERRAMENTO

Estrutura metálica

Sapatas de concreto

Em uma malha de terra ligada ao pára-raios, e também aos demais equipamentos eletroeletrônicos, caso o aterramento não esteja dentro dos valores admissíveis, o “surto” (pico de alta tensão) pode ser desviado para a carga.

Os sistemas de comunicações seriais como RS-232 são especialmente sensíveis a interferências eletromagnéticas. A RS-232 utiliza o terra dos sistemas de comunicação como referência para os sinais de transmissão (TX) e recepção (RX). Caso haja diferenças de potenciais entre esses terras, a comunicação poderá ser quebrada. Isso ocorre quando o terra utilizado como referência não está dentro do valor ideal, portanto o fio terra serve como “antena” receptora de EMI.

Uma técnica interessante para imunizar-se os ruídos elétricos é o aterramento das blindagens, como o caso de fontes de alimentação, inversores, gabinetes de PXI, por exemplo, os quais possuem sua caixa de montagem feita de metal, que não é nada mais que uma gaiola de Faraday, as quais se torna, mais eficientes quando aterradas.

Quanto maior for o número de sistemas compartilhados no mesmo terra, maiores serão a chance de um equipamento interferir no outro. Esse problema Surge com maior freqüência para um fio terra que não tenha uma boa resistência de aterramento.

1) Resistência de uma haste

2) Resistência equivalente à associação de hastes em paralelo

Ω 4L/dlnLπ2aR haste

onde:

a = resistividade do solo (. m)

L = comprimento da haste (m)

d = diâmetro da haste (m)

hasteeq k RR onde:

Req = resistência equivalente ()

R haste = resistência das hastes ()

K = fator de redução (depende do solo e da geometria da haste)

3) Resistência da malha de aterramento

4) Determinação da janela de malha

malhaA

πρa/4R

onde:

R = resistência da malha ()

a = resistividade do solo ( .m)

A = área da malha (m2)

D

DfC 20/D

onde:

C = velocidade da luz (3 . 10 8 m/s)

f = freqüência (Hz)

D = janela da malha (m)

Ligação de Centelhadores em redes trifásicas

Centelhador em corte

Dica Prática de CampoTempos de extinção do arco em um centelhador

Varistores ligados em uma rede trifásica