UMA PROPOSTA DE UM SISTEMA DE POTEÇÃO CONTRA …SPDA. A metodologia se baseia no levantamento de informações, através da pesquisa de campo na escola com visita técnica para coleta

I Encontro de Trabalhos Científicos de Engenharia Elétrica Engenharia de Controle e Automação Uninorte Laureate - I ETCEECAU

Av. Igarapé de Manaus, 211 - Centro, Manaus - AM, 69020-220

UMA PROPOSTA DE UM SISTEMA DE POTEÇÃO CONTRA

DESCARGAS ATMOSFÉRICAS (SPDA) PARA UMA ESCOLA

PÚBLICA NA CIDADE DE MANAUS - AM

Aluisio Macena de Almeida 1

Wilnneker Batista Bruce 2

Orientador: Djalma Bentes de Oliveira3

RESUMO

O presente estudo buscou ressaltar a importância da proteção contra descargas elétricas para

uma escola da rede pública de ensino da cidade de Manaus-AM a partir das recomendações

básicas e orientações para tomada decisões apresentadas na elaboração de uma proposta de

SPDA. A metodologia se baseia no levantamento de informações, através da pesquisa de campo

na escola com visita técnica para coleta de dados. Os resultados da pesquisa foram apresentados

no laudo de verificação técnica da necessidade do SPDA na escola. Assim sendo, o estudo

realizou um detalhamento sobre o gerenciamento de risco de proteção, a análise dos

componentes de risco às descargas atmosféricas, avaliação geral de risco, avaliação de proteção

e o dimensionamento do sistema de proteção. Com base no laudo, a pesquisa apresentou as

recomendações cabíveis para auxiliar a gestão escolar quanto a tomada de decisões, tendo em

vista a importância de proteger as pessoas e o patrimônio público dos danos causados pelas

descargas atmosféricas.

Palavras-chave: Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas. Descargas elétricas.

Patrimônio público.

ABSTRACT

The present study sought to highlight the importance of protection against electric discharges to

a school in the public school of the city of Manaus-AM, based on the basic recommendations

and guidelines for making decisions presented in the elaboration of a SPDA proposal. The

methodology is based on the collection of information, through the field research in the school

with technical visit for data collection. The results of the research were presented in the

technical verification report of the need for SPDA in school. Therefore, the study carried out a

detailed study on the protection risk management, the analysis of the components of risk to the

atmospheric discharges, general evaluation of risk, evaluation of protection and the design of

the protection system. Based on the report, the research presented the appropriate

recommendations to assist school management in decision making, considering the importance

of protecting people and public assets from the damages caused by

Keywords: Atmospheric Discharge Protection System. Electrical discharge. Public property

Este trabalho foi desenvolvido no âmbito do Programa de Engenharia Elétrica e Engenharia de Controle e Automação da UNINORTE e constará nos anais do I Encontro de Trabalhos Científicos de Engenharia Elétrica Engenharia de Controle de

Automação 1 Aluno finalista de Engenharia Elétrica – UNINORTE – email: [email protected] 2 Aluno finalista de Engenharia Elétrica – UNINORTE – email: [email protected] 3 Mestre em Desenvolvimento Regional pela Universidade Federal do Amazonas-UFAM \ Atualmente professor de nível superior

do Centro Universitário do Norte-UNINORTE – email: [email protected]



1. Introdução

Descarga atmosférica (raio) refere-se a um fenômeno natural de ocorrência

mundial. Em região tropical, como é o caso do Brasil, os raios ocorrem geralmente com

as chuvas, e nos meses de verão a incidência é maior. Para entendimento da formação

dos raios se remete ao ciclo da água: o calor, as águas dos mares e oceanos se evaporam

aumentado o vapor de água que existe na atmosfera. A mesma coisa acontece com as

águas dos rios, lagos, lagoas, com as poças de água formadas pelas chuvas e outros.

Ao procurar um caminho para sua descarga, o raio atinge pontos mais altos e

pontiagudos, onde existe maior concentração de cargas, por exemplo, topo de morros,

montanhas, árvores isoladas, postes metálicos, caixas d’água metálicas, torres, pontas de

para-raios, etc. Assim ele pode cair em um mesmo lugar várias vezes, ao contrário do

que diz a crença popular.

A antecipação do fenômeno é possível, além de ser importante para a prevenção

de mortes e acidentes por raios. Equipamentos que fazem monitoramento constante e

em tempo real da ocorrência de descargas atmosféricas são indispensáveis para

praticamente todo tipo de empreendimento. Principalmente para aqueles com áreas

descampadas ou que possuam estruturas e equipamentos condutores de descargas

elétricas como empresas.

O presente estudo buscou ressaltar a importância da proteção contra descargas

elétricas para uma escola da rede pública de ensino da cidade de Manaus-AM a partir

das recomendações básicas e orientações para tomada decisões apresentadas na

elaboração de uma proposta de SPDA. A contribuição do estudo está alinhada a duas

bases: técnica e acadêmica. Quanto a base técnica, pretenderá servir de arcabouço

técnico para a futura instalação de um projeto de SPDA na escola. Quanto a base

acadêmica, contribuir para ampliar a discussão sobre a área nas instituições de ensino,

principalmente na UNINORTE.

2. Revisão bibliográfica

2.1 Descargas atmosféricas

A NBR 5419 – Proteção de estruturas contra descargas atmosféricas – define as

descargas elétricas como um fenômeno que ocorre a partir da origem atmosférica entre

uma nuvem e a terra ou entre nuvens, o que gera impulsos elétricos. A Rede Integrada

Nacional de Detecção de Descargas (RINDAT) diz que as descargas elétricas estão



ligadas a fenômenos de luminosidade e aos trovões, que são fenômenos bastante

recorrentes nas grandes áreas urbanas (Figura 1).

Figura 1 – Descarga elétrica em São Paulo (capital)

Fonte: Rede Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas - RINDAT (2009)

2.1.1 Conceitos básicos

Alguns breves conceitos básicos podem ser analisados quanto ao fenômeno da

descarga atmosférica, tais como: o raio, o relâmpago, o trovão, o Índice Ceráunico (IC),

as Isoceráunicas e a Densidade de Raios (DR).

O raio é um impulso elétrico de uma carga atmosférica para a terra; o relâmpago

é a luz gerada pelo arco elétrico do raio; o trovão é um ruído produzido pelo

deslocamento do ar devido aquecimento no processo de deslocamento do ar; o IC

corresponde ao número de dias de trovoado em um determinado lugar durante o prazo

anual; as Isoceráunicas são as linhas curvas que ligam pontos com o mesmo IC e a DR

corresponde a quantidade de raios que caem em um percurso de 1 km² de área.

2.1.2 Formação das cargas na nuvem

A terra possui cargas negativas em excesso, sendo um dos planetas com maior

grau de referência em cargas negativas entre os planetas. Também se compreende que

as correntes do ar carregam consigo uma grande quantidade de umidade, que ao

encontrar-se com temperaturas mais baixas em regiões mais altas ocorre a condensação

e formação das gotículas de água que ficam suspensas na atmosfera. Essas gotas se

movem ascendentemente com elevada energia cinética a partir da sua formação e, dessa

forma, conseguem chegar até a parte superior das nuvens, entretanto, os íons negativos

ficam concentrados na parte inferior das nuvens, ocorrendo então a formação das

nuvens com cargas (Figura 2).



Figura 2 – Formação das cargas nas nuvens

Fonte: Coutinho e Altoé (2003)

Muitas nuvens, por serem amplas e vastas, podem formar conglomerados de

cargas elétricas e assim agrupar maior volume de cargas negativas e positivas, podendo

se dividir em outras nuvens e gerar um outro fenômeno bastante conhecido em zonas

urbanas e áreas de deserto: tempestades elétricas.

2.1.3 Descarga

Coutinho e Altoé (2003) analisam a descarga elétrica na terra tendo em vista o

chamado piloto descendente (precursor), ou seja, um canal condutor ionizado cujo

caminho é realizado por sucessivos “saltos” em direção à terra a partir da ruptura do

dielétrico formado pelo ar no momento em que a terra ultrapassa um determinado valor

com a nuvem carregada.

Santos (2010) afirma que, de igual maneira, as descargas elétricas se

desprendem do comprimento de salto é função da carga da nuvem que origina a

descarga. No Brasil, existe uma estimativa da ocorrência de mais de 2.721 descargas só

no hemisfério norte em um período de mensal, que são estudados desde 1945.

Figura 3 – Danos com a Descarga Elétrica

Fonte: Adaptado de DURAN (2003)



Nota-se que os danos com a descarga elétrica variam conforme a corrente

elétrica presente, que pode atingir da contração muscular a partir da reação no corpo até

o óbito, a depender da gravidade. As descargas ou correntes de retorno são responsáveis

por neutralizar as cargas aglomeradas nas nuvens, dessa forma, alguns estudos revelam

que cada descarga de retorno pode durar alguns milissegundos, como em relâmpagos

múltiplos e sequenciais.

2.2 Sistema de Proteção contra Descarga Atmosférica (SPDA)

Os estudos realizados sobre o Sistema de Proteção contra Descargas

Atmosféricas (SPDA) agrega a um entendimento sobre as metodologias de proteção e

melhoria de desempenho de linhas de transmissão frente as descargas atmosféricas que

ocorrem diariamente. O SPDA pode ser considerado como um dos principais métodos

empregados para viabilizar essa otimização, principalmente com a instalação de para-

raios com um sistema eficiente de proteção. Ele é amplamente utilizado em residências,

prédios de pequeno e grande porte, área comercial, área pública, etc.

2.2.1 Definições e funções do SPDA

O SPDA é utilizado para proteger os mais diferentes tipos de estruturas das

descargas atmosféricas, tendo como objetivo a minimização dos efeitos e impactos

gerados por essas descargas, a fim de garantir a segurança dos equipamentos e

estruturas elétricas. As principais funções do SPDA podem ser destacadas como:

sistema externo de proteção; sistema interno de proteção; neutralização com o

escoamento de cargas elétricas do meio ambiente para a terra a partir do seu sistema;

redução dos riscos de incidência dos raios nas estruturas.

2.2.2 Composições dos SPDA

O SPDA possui a seguinte estrutura de composição: Captação, Descidas e

Aterramento. A captação tem a função de receber as descargas que incidam sobre o topo

e distribuí-las pelas descidas. Ela é composta por mastros e condutores metálicos

presentes na estrutura do SPDA. As descidas possuem a função de recebimento das

correntes elétricas e encaminhá-las para o solo mais rápido possível. Essas descidas

deverão ser interligadas no nível do solo em aproximadamente 50 mm² (mínimo).O

aterramento possui a função de receber as correntes elétricas e dissipa-las no solo. Ela



deve ser dimensionada e equalizada observando os locais de frequência para minimizar

as tensões.

2.2.3 Tipos de SPDA

Os SPDA são divido basicamente em três tipos: Captor Tipo Franklin, Gaiola de

Faraday e Captor de avanço à Ignição. O Captor Tipo Franklin é constituído por uma

haste metálica, tendo em sua extremidade superior de forma pontiaguda, a fim de que

acumule mais carga. Ela é consideravelmente mais barata em comparação aos outros

tipos, porém, é menos eficiente.

A Gaiola de Faraday é um tipo de sistema que é mais complexo, ele possui

vários receptores que são disponibilizados no topo da estrutura de forma a envolver toda

a estrutura. Ela tem uma eficiência bem maior se comparada ao Captor Tipo Franklin,

porém, o seu custo é bem mais alto e inviável para implementação em algumas

estruturas. O Captor de avanço à Ignição consiste na capacidade do para-raios de

antecipar a descarga atmosférica e modificar o percurso do raio. Ele é bastante utilizado

em prédio de médio porte, pois possui grande eficiência e um baixo custo, porém, seu

uso em distâncias maiores compromete a captação dos receptores.

2.2.4 Para-raios

Os para-raios são necessários para a proteção e prevenção de danos ocasionados

por descargas atmosféricas, principalmente com incidência de raios. Ele é bastante

utilizado em empresas e condomínios, tendo em vista as grandes incidências de

sobrecargas e sobretensões ocorridas em períodos de chuva.

Eles são equipamentos usados para proteger o isolamento de vários tipos de

dispositivos elétricos, tais como: transformadores de energia, linhas de transmissão,

linhas de distribuição, equipamentos e geradores de energia. Eles funcionam como uma

alta impedância sobtensão normal e uma baixa impedância em condição de surto, tendo

a função de limitar a solicitação de tensão imposta ao equipamento protegido.

O uso dos para-raios não inibe a incidência de raios, mas reduz

significativamente os perigos, riscos e danos ocasionados por descargas atmosféricas,

tendo em vista que ele captará dos raios nas proximidades de sua instalação. Algumas

advertências quanto a sua instalação em áreas de grande circulação, por exemplo,

precisam ser avaliadas por especialistas, a fim de que um estudo de impacto seja

realizado anteriormente.



3. Metodologia

A metodologia do trabalhou pautou-se no levantamento de informações sobre o

tema a partir da pesquisa teórico-bibliográfica, bem como a realização da pesquisa de

campo na escola através das visitas técnicas para coleta de dados.

A pesquisa de campo foi realizada em uma escola pública estadual, situada na

Zona Leste da cidade de Manaus. A escolha da instituição partiu da necessidade de

realizar a pesquisa em um espaço que não tivesse um SPDA, com o intuito de

apresentar aos gestores, a partir dos resultados do estudo, uma proposta de implantação

de um SPDA.

No processo de análise de campo realizado na escola houve também o processo

descritivo da pesquisa, cuja finalidade foi de observar e descrever a área de estudo, bem

como identificar quais os pontos críticos observados pela ausência de um projeto de

SPDA e assim coletar os dados suficientes para a aplicação do estudo técnico no espaço.

4. Resultados e discussões

4.1 Laudo de verificação

O laudo de verificação consiste na apresentação de viabilidade da proposta de

implantação de um sistema SPDA na escola. Observa-se que a referida escola não

apresenta nenhuma estrutura pré-instalada para implantação de um SPDA, com a sua

estrutura totalmente desprotegida (Figura 4):

Figura 4 – Vista da área de cima

Fonte: Google Maps (2017)

4.1.1 Parâmetros da edificação

Altura: ( ); Largura: ( ); Comprimento: ( )



4.1.2 Avaliação do Risco de Proteção

A área de exposição análogo ( ) satisfaz a área do plano de estrutura

prolongada em todas as direções, de modo a levar em conta sua altura. Os limites da

área de exposição equivalente estão separados do perímetro da estrutura por uma

distância correspondente três vezes a altura da estrutura no ponto considerado.

( ) ( ) ( )

( ) ( ) ( )

4.1.3 Densidade de Descargas para a Terra

A densidade de descargas atmosféricas para a terra ( ) é o número de raios

para a terra por ⁄ . O INPE (Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais), por

meio do grupo de eletricidade de atmosférica, disponibilizou os dados de como

mostrado na figura abaixo.

Figura 5 - Raios pelo mundo

Fonte – Albrecht (2016)

4.1.4 Frequência Média Anual Previsível de Descargas

Números de eventos perigosos para a estrutura é:

⁄

: É o fator de localização da estrutura (ver Tabela A.1 na Figura 6)



Tabela A.1- Fator De Localização Da Estrutura

Fonte – (ABNT NBR 5419-2:2015 Proteção contra descargas atmosféricas Parte 2:

Gerenciamento de risco).

Estrutura cercada por objetos da mesma altura ou mais baixo . Ou

seja, a estrutura será atingida por uma descarga atmosférica a cada 2 anos.

4.1.5 Avaliação do número médio anual de eventos perigosos NL devido a

descargas atmosféricas na linha

Uma linha pode consistir em diversas seções. Para cada seção da linha, o valor

de NL pode ser avaliado por:

Onde,

- É o número de sobretensões de amplitude não inferior a 1 kV (1/ano) na

seção da linha;

- É a densidade de descargas atmosféricas para a terra (1/km2 × ano);

- É a área de exposição equivalente de descargas atmosféricas que atingem a

linha, expressa em metro quadrado (m2);

- É o fator de instalação da linha (ver Tabela A.2, Figura 7);

- É o fator tipo de linha (ver Tabela A.3, Figura 8);

- É o fator ambiental (ver Tabela A.4, Figura 9);

Com a área de exposição equivalente para a linha:

Onde,

- É o comprimento da seção da linha, expresso em metros (m). Onde o

comprimento da seção da linha é desconhecido, pode ser assumido .









4.1.5.1 Número de eventos perigosos para uma estrutura adjacente

, pois não temos estrutura adjacente, portanto, o valor é igual à zero.

4.1.5.2 Probabilidade de uma descarga atmosférica em uma estrutura causar

ferimentos a seres vivos por meio de choque elétrico.

Os valores de probabilidade de choque a seres vivos devido à tensão de

toque e passo devido a uma descarga atmosférica em uma estrutura dependem do SPDA

adotado e das medidas de proteção adicionais adotadas:

Onde,



- Depende das medidas de proteção adicionais contra tensões de toque e

passo (Ver Tabela B.1, Figura 16);

- Depende do nível de proteção contra descargas atmosféricas para o

qual o SPDA de acordo com o ABNT NBR 5419-3 foi projetado (Ver Tabela B.2,

Figura 10);





4.1.5.3 Probabilidade de uma descarga atmosférica em uma linha causar

ferimentos a seres vivos por choque elétrico

O valor de é dado por:

Onde,

- Depende das medidas de proteção contra tensões de toque, como

restrições físicas ou avisos visíveis de alerta (Ver Tabela B.6, Figura 12);

- Depende das ligações equipotenciais para descargas atmosféricas

conforme a ABNT NBR 5419-3 e do nível de proteção contra descargas atmosféricas

para o qual o DPS foi projetado (Ver Tabela B.7, Figura 13);



- É a probabilidade de falha de sistemas internos devido a descargas

atmosféricas na linha conectada dependendo das características da linha (Ver Tabela

B.8, Figura 14);

- É um fator que depende da blindagem, do aterramento e das condições da

isolação da linha (Ver Tabela B.4, Figura 15).



4.1.5.4 Probabilidade de uma descarga atmosférica em uma linha causar danos

físicos

O valor de é dado por:

4.1.5.5 Análise dos componentes de risco devido às descargas atmosféricas na

estrutura

Os componentes de risco a serem considerados para esta estrutura podem ser resumidos

esquematicamente no quadro 1 abaixo:

Quadro 1 – Componentes de risco considerados.

Fontes de danos S1: Descarga na estrutura S2: Descarga

próxima à

estrutura

S3: Descarga em uma

linha conectada à

estrutura

S4: Descarga

próxima de uma

linha conectada à

estrutura

Componentes de

risco

Ra Rb Rc Rm Ru Rv

Rw

Rz

R1: perda de vida

humana

X X X X

R2: perda de serviço

ao público

R3: perda de

patrimônio cultural

R4: perda de valor

econômico

Fonte: NBR 5419-2:2015, 2015.

Para a avaliação dos componentes de risco devido às descargas atmosféricas na

estrutura, as seguintes equações são aplicáveis:



a) componente relacionado a ferimentos a seres vivos por choque elétrico (D1)

b) componente relacionado a danos físicos (D2)

4.1.5.7 Análise dos componentes de risco devido às descargas atmosféricas em uma

linha conectada à estrutura

Para a avaliação dos componentes de risco devido às descargas atmosféricas em

uma linha conectada à estrutura, as seguintes equações são aplicáveis:

a) componente relacionado a ferimentos a seres vivos por choque elétrico (D1)

( )

( )

b) componente relacionado a danos físicos (D2)

( )

( )

4.1.6 Avaliação geral de risco

O risco R1 a ser considerado nessa estrutura da Escola Estadual Antônio Lucena

Bittencourt contempla a seguinte definição e formula:

a) R1: risco de perda de vida humana:

4.1.7 Avaliação do Nível de proteção

Conclui-se que o nível de proteção é II em função da classificação da estrutura,

ou seja, escola, cuja falha no sistema de para-raios pode ocasionar a perda bens

estimável valor ou provocar pânico aos presentes.



4.1.8 Escolha do método

Método de Faraday foi escolhido, pois se trata de uma estrutura com uma grande

área horizontal, que consiste em envolver a parte superior da construção com uma

malha captora de condutores elétricos nus, cuja distância entre eles é em função do nível

de proteção desejado e dado pela norma NBR 5410-3/2015, que estabelece a largura do

módulo da malha de proteção, o comprimento do módulo não pode ser superior ao

dobro da sua largura.

4.2 Dimensionamento do Sistema de Proteção Contra Descargas Atmosféricas

4.2.1 Dimensões da malha captora

De acordo com os dados apresentados no levantamento da NBR 5410-3/2015, a

largura e o comprimento do módulo da malha de proteção são de no máximo

, devido a classe de proteção ser nível II, para esse projeto foi escolhido ,

largura e comprimento que se adapta ao projeto respectivamente.

5. CONCLUSÃO

Tendo em vista a relevância do tema abordado na pesquisa observou-se que

existem diversos estudos sobre a importância de elaborar, de forma eficaz e planejada,

um sistema de proteção para evitar os problemas ocorridos por descargas elétricas,

comum em grandes áreas urbanas. O levantamento bibliográfico realizado na pesquisa

permitiu com que o assunto fosse amplamente estudado e que através da observação de

outros estudos de caso foi possível compreender a eficiência de um projeto de SPDA.

O estudo objetivou contribuir, de forma prática e acadêmica, com a proposição

de um projeto de SPDA para a escola pública estadual, com o objetivo de auxiliar na

tomada de decisões quanto a proteção do seu patrimônio público. Foram apresentadas

recomendações necessárias para evitar acidentes atmosféricos, bem como conscientizar

a gestão escolar sobre a preservação do seu patrimônio a partir da implementação de um

SPDA.

O laudo de verificação para a necessidade do SPDA apresentou todas as

informações técnicas coletadas na pesquisa in loco e detalhadas no gerenciamento do

risco de proteção. Foi realizada a avaliação dos riscos, a análise dos parâmetros

normativos, a avaliação do nível de proteção e o dimensionamento do SPDA. A

elaboração do laudo auxiliou na definição das recomendações e observações sobre a



preservação dos patrimônios, que foram apresentadas à gestão escolar após a realização

do estudo.

REFERÊNCIAS

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American Meteorological Society. on-line. 17 fev. 2016.

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Proteção contra descargas atmosféricas Parte 2: Gerenciamento de risco. Rio de

Janeiro: ABNT, 2005.

COUTINHO, F. N; ALTOÉ, C. A. Levantamento de estruturas que necessitam de

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Graduação em Engenharia Elétrica, Faculdade de Tecnologia, Universidade de Brasília,

2003.

DURAN, J.E.R. Biofísica: fundamentos e aplicações. São Paulo: Pearson Prentice Hall,

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GOOGLE MAPS. Recorte aéreo. 2017. Disponível em:

http://www.google.com/hakdhsIgDgh.exe. Acesso em: 21 set. 2018.

INSTITUTO NACIONAL DE PESQUISAS ESPACIAIS. Densidade de descargas

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RINDAT - Rede Integrada Nacional de Detecção de Descargas Atmosféricas. SPDA.

Disponível em: http://www.rindat.com.br/sdpa-descarga-eletrica.dht. Acesso em: 15

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SANTOS, Mayara Oliveira dos. Estimativa de Descargas elétricas de simulações

numéricas com WRF. Dissertação (Mestrado em Ciências Atmosféricas), Instituto de

Astronomia, Geofísica e Ciências Atmosféricas, Universidade de São Paulo, 2010.

ZANETTA, L.C. Transitórios Eletromagnéticos em Sistema de Potência. São Paulo:

Editora Universidade de São Paulo, 2003.

Documents

UMA PROPOSTA DE UM SISTEMA DE POTEÇÃO CONTRA …SPDA. A metodologia se baseia no levantamento de informações, através da pesquisa de campo na escola com visita técnica para coleta