Protección contra
Descargas Atmosféricas
y Puesta a Tierra
Agenda
z Origen
de las Descargas Atmosféricas
z Protección contra Descargas Atmosféricas
- Protección de Instalaciones
- Protección de Personas
- Protección de Equipos
z Puesta a Tierra .
Origen de las Descargas
z Mecanismo
de generacion de las
Descargas Atmosféricas
z Diferentes tipos de Descargas
z Parametros característicos de la Descarga
Ingredientes de una Descarga
z Aire
inestable
z Humedad
z Mecanismo disparador
(ejemplo: pasaje de un frente frio)
Mecanismo de Generación
z
z
z
z
z
z
z
Aire humedo y caliente se eleva a regiones frias
El vapor se condensa sobre partículas y forma la nube
El aire frio es forzado a circular hacia abajo por la
formacion de la nube
Se establecen corrientes verticales , ascendentes y
descendentes, que originan una separacion de cargas
entre las regiones superior e inferior.
La acumulacion de electrones en capas inferiores crea
una diferencia de potencial con las capas superiores.
Esos electrones también repelen a los electrones libres
de la superficie terrestre creando así una diferencia de
potencial entre la nube y la tierra.
Este proceso continúa hasta que se alcanza la ruptura
dieléctrica entre los puntos de acumulacion de cargas.
Esquema de uma Tormenta
Esquema de uma Tormenta
ORIGEM DA DESCARGA
ATMOSFÉRICA
ORIGEM DA DESCARGA
ATMOSFÉRICA
ORIGEM DA DESCARGA
ATMOSFÉRICA
Na verdade somos campeões
mundiais em raios!
z
Aproximadamente cem relâmpagos ocorrem no mundo a
cada segundo, o que equivale a 9 milhões por dia ou 3
bilhões por ano, ocorrendo a maioria sobre os continentes,
em regiões tropicais e durante o verão. A extensão e
posição geográfica do Brasil favorecem os fenômenos
geradores de tempestades, fazendo com que sejamos o
campeão mundial em incidência de relâmpagos.
Anualmente, cerca de 100 milhões de raios atingem o solo
brasileiro, causando, em média, a morte de 200 pessoas,
ferindo 1000 e gerando prejuízos avaliados em R$ 500
milhões (incêndios, interrupções e oscilações na rede
elétrica, danos aos sistemas de telefonia, etc). A região
mais afetada é a Amazônica, seguida pelo Centro Oeste e
Sudeste. Recentemente, verificou-se um aumento
significativo desses números no BRASIL.
Na verdade somos campeões
mundiais em raios!
z
Os motivos ainda não estão esclarecidos, mas as hipóteses
envolvem fatores como poluição crescente, impermeabilização do
solo, proliferação de antenas de transmissão (telefonia celular) e
o fim do fenômeno ambiental “La Niña”, que culminou num
aumento da temperatura média no país, resultando em maior
número de tempestades de verão. A gravidade do problema levou
a Coordenadoria Estadual de Defesa Civil do Estado de São
Paulo a lançar um manual com orientações sobre como se
prevenir dos raios. Na antigüidade, acreditava-se que os raios
eram castigos enviados por deuses furiosos. Somente no século
XVIII o fenômeno foi cientificamente explicado por Benjamin
Franklin (1.706 - 1.790) que, além de político, era também físico
e filósofo. Franklin enunciou o princípio da conservação da
carga, descobriu a natureza elétrica dos raios e inventou o páraraios.
Dano a Pessoas por Tensões
de Toque, Passo e Transferidas
z
z
Queimaduras,
paradas
cardiorrespiratórias,
Danos neurológicos severos e por
último os mais difíceis de
manejar, aquelas conseqüências
que aparecem a médio prazo e
não imediatamente ao sofrer o
acidente, como por exemplo:
cataratas, danos neurológicos
progressivos, etc.
Complicações Cardio-pulmonares
z
z
z
z
z
z
z
z
Hipertensão
Câmbios Eletrocardiográficos
Danos ao Miocárdio
Falha do coração
Arritmia
Fibrilação ventricular
Contrações ventriculares prematuras
Complicações Respiratórias
Complicações Neurológicas
z Perda
de Consciência
z Confusão
z Paraplegia ou Tetraplegia
z Amnésia retrógrada
z Hemiplegia
z Coma
z Hematomas
Complicações Vasculares
z Instabilidade
Motora
z Espasmo Arterial
z Vaso
constrição,
dilatação
vaso
Complicações Vasculares
z Instabilidade
Motora
z Espasmo Arterial
z Vaso
constrição,
dilatação
vaso
Complicações Oftalmológicas
z Cataratas
z Lesões
na Córnea
z Hemorragias
z Desprendimento da retina
z Danos aos nervos óticos
Complicações nos Ouvidos
z Ruptura
da membrana do
tímpano
z Parda temporaria da audição.
Complicações Dermatológicas –
Queimaduras Cutâneas
Probabilidade de Ocorrência
DANOS MATERIAIS
DANOS MATERIAIS
TIPOS DE SPDA
z PÁRA-RAIOS
DE HASTE tipo Franklin
z GAIOLA DE FARADAY
z PROIBIÇÃO DO PARA-RAIOS RADIOATIVO
Para-Raios de Haste Tipo FRANKLIN
z
z
z
z
z
z
a) Captor: é o principal elemento do pára-raios, formado por três pontas ou
mais de aço inoxidável ou cobre. É denominado de ponta;
b) Mastro ou haste: é o suporte de captor, sendo constituído de um tubo de
cobre de comprimento igual a 5m e 55mm de diâmetro. Deve ser fixado
firmemente sobre o isolador de uso exterior. A função do mastro é suportar o
captor e servir de condutor metálico;
c) Isolador: é a base de fixação do mastro ou haste. Normalmente é fabricado
em porcelana vitrificada ou vidro temperado, para nível de tensão de 10 kV;
d) Condutor de descida: é o condutor que faz ligação entre o captor e o
eletrodo de terra;
e) Eletrodo de terra: o condutor de descida é conectado na sua extremidade
inferior a três ou mais eletrodos de terra, cujo valor da resistência de
aterramento não deverá ser superior a 10 Ω, na pior época do ano (período
seco) para instalações em geral e 1 Ω para edificações destinadas a materiais
explosivos ou facilmente inflamáveis. Se não houver possibilidade, por
qualquer motivo, de se chegar a estes valores deverão ser adotados novos
procedimentos, conforme exposto na NBR-5419;
f) Conexão de medição: é assim denominada a conexão desmontável destinada
a permitir a medição da resistência de aterramento. Deve ser instalada a 2m ou
mais acima do nível do solo;
Linha isocerâunica é a
linha que une pontos da
superfície terrestre com
igual número de dias em
que se pode observar
trovões (se somente são
vistos relâmpagos não se
computa) em um dado
intervalo de tempo.
PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS
ATMOSFÉRICAS (RAIOS) SPDA
Diferentes tipos de Descarga
z Descarga
eléctrica dentro de la misma nube.
z Descarga eléctrica entre nubes.
z Descarga eléctrica entre nube y tierra
(estas son las que a nosotros nos preocupan)
Corriente de Descarga
z
z
z
z
Zona A - Pulso de corriente
Pico de hasta 260 kA
dI/dt = 30.000 MA/seg
Zona B – Transición
Zona C – Estabilización
Corriente de cientos de A
Dona D – Repetición descarga
Típicamente 3 o 4 veces
Porcentaje de Ocurrencia
- 50% de los casos primer
descarga supera 20 kA.
- 2 % de los casos llega a
superar los 140 kA.
- Descargas posteriores
son de menor intensidad
- Repeticion de descarga
3 a 4 veces típico.
Parametros de una Descarga
Porcentaje de eventos con caracteristicas superiores a las indicadas
99
Numero de descargas
1
Intervalo entre descargas 10
Corriente 1er descarga
5
Pico descargas siguientes 3
Primer descarga dI/dt
6
Siguientes descargas dI/dt 6
Carga Total
1
Corriente Continua Max. 30
Duracion Total
50
90
75
50
25
10
1%
1
25
12
6
10
15
3
50
100
2
35
20
10
15
25
6
80
250
3
55
30
15
25
45
15
100
400
5
90
50
20
30
80
40
150
600
7
150
80
30
40
100
70
200
900
12
400
130
40
70
200
200
400
1500
mseg
kA
kA
GA/s
GA/s
C
A
mseg
Protección Contra Descargas
z Elementos
a Proteger
- Instalaciones
- Personas (vidas)
- Equipos
z Idea de Area Protegida
z Cono de Protección
z Método de la Esfera Rodante
Idea de Area Protegida
z
z
z
z
Las descargas atmosféricas “no pueden evitarse”.
Ningún sistema de proteccion puede garantizar en
forma absoluta vidas, bienes ni estructuras.
Todos los sistemas de protección tratan de controlar la
descarga buscando que se produzca sobre puntos
definidos y garantizar su rapida disipacion a tierra.
Area protegida es el volumen que encierra a todos los
elementos que gracias a la instalacion de un “captor”
tienen una baja posibilidad de recibir una descarga.
Estrategias Protección Edificios
z
Elementos de un sistema de proteccion tradicional :
- Captores aereos determinan el punto de la descarga
- Cables y hasta la misma estructura (torre / edificio)
conducen la descarga hasta un sistema de disipación.
- Sistema de disipación :
Conjunto de jabalinas, anillos
y radiales que aseguran el
pasaje de la corriente de la
descarga hasta la tierra.
Cono de Protección
- A = Cabeza del Captor
- B = Plano de referencia
- OC = Radio del area protegida
- ht = altura del captor sobre el plano de ref.
- alfa = angulo de protección
Ángulo de Protección
Nivel de
Protección
h = 20 mt
I
25 grados
II
35 grados
25 grados
III
45 grados
35 grados
25 grados
IV
55 grados
45 grados
35 grados
h = 30 mt
h = 45 mt
h = 60 mt
25 grados
Ejemplo de aplicación
1.- Captor de Asta
2.- Volumen a Proteger
3.- Plano de Referencia
4.- Intersección conos de
protección.
5.- Separación de seguridad.
Proyeccion del volumen
sobre el plano del piso
Método de la Esfera Rodante
Nivel de
Protección
I
Radio de
la Esfera
20 mts
II
30 mts
III
45 mts
IV
60 mts
Método de la Esfera Rodante
Método de la Esfera Rodante
Ejemplo Práctico
1.- Captores verticales
2.- Captor en mastil
3.- Captores laterales
4.- Area protegida
Captores de Descarga
Captores tradicionales (Tipo Franklin)
Conductores de Descarga
z Por
razones de seguridad se requieren dos (2)
conductores como mínimo
z El recorrido del conductor hasta el sistema de
descarga a tierra debe ser lo mas corto posible.
z Deben evitarse las curvas en angulos menores
a 90 grados o radios de curvatura inferiores a
20 centimetros..
z La inductancia es la característica
predominante en los conductores de descarga.
Espaciamiento Conductores
de Descarga
Espaciamiento maximo
Nivel Prot.
I
II
III
IV
Distancia
10 mts
15 mts
20 mts
25 mts
Espaciamiento tipico 10 a 15 metros
Caida de Tensión
z Inductancia
de un conductor circular recto
aproximadamente igual a 1 μH/m.
z Caida de tensión E = I.R + L dI/dt
z Caso típico :
Bajada = 10 mts de conductor AWG6
R = 0.13 ohms y
L = 10 μH
z I = 20000 A
y dI/dt = 20 GA/seg
z Con los valores anteriores resulta :
E = 2600 V + 200000 V = 202600 V
Sistema de Descarga a Tierra
z Su
efectividad depende de :
- Tipo y tamaño del electrodo utilizado.
- Características del suelo (resistividad)
z La resistividad del suelo depende de :
- Cantidad de iones libres (sales)
- Temperatura (congelamiento / sequía )
- Humedad (muy vinculada con la anterior)
Medición Resistividad
del suelo
Método de los cuatro puntos
- A = Separación sondas
- B = Largo de sondas
- B menor que A/20
- D =profund. medición
- Separaciones iguales
- Resistividad = 6.28 A.R
Resistencia a Tierra
Medición Resistencia a Tierra
- Sonda C2 se inserta alejada del
electrodo bajo prueba.
- Sonda P2 se inserta sobre una
línea imaginaria entre el electrodo
y C2 a 62% de esa distancia.
- Se hace circular corriente a través
del suelo (entre electrodo y C2)
- Se mide la diferencia de
potencial entre electrodo y P2.
-Se calcula la resistencia aplicando
ley de ohm.
Mejora Resistencia a Tierra
Protección de las Personas
z
z
z
La descarga eléctrica en su camino por los
conductores de descarga y su posterior disipacion
en la tierra genera un gradiente de tension de
magnitud considerable.
Una persona parada sobre la tierra puede sufrir un
grave daño si se crea una diferencia de potencial
perjudicial entre partes de su cuerpo
Una persona parada cerca de un conductor de
descarga puede sufrir una descarga lateral
Descarga Lateral
Efectos Corriente Electrica
en Cuerpo Humano
z
z
z
Umbral de Percepción : Minima corriente que
puede sentirse. Depende de factores fisiológicos y
area de contacto. Tipicamente se toma 0.5 mA.
Umbral de desprendimiento : Valor máximo de
corriente que permite desprenderse del electrodo.
Valor normal 10 mA.
Umbral de fibrilacion ventricular : Depende de
parametros fisiológicos (anatomía, estado del
corazón, camino, clases de corriente , etc)
Protección de las Personas
z Todos
los caminos de circulacion de las
personas deben estar dentro del area
protegida.
z Uso de alfombras conductoras puestas a
tierra reducen diferencias de potencial.
z Asegurar
separaciones seguras entre
conductores de descarga y personas.
Equipotencialidad
z
z
z
z
z
z
z
Se obtiene la equipotencialidad vinculando el sistema
de protección con :
Estructura metalica del edificio.
Instalaciones metalicas del edificio.
Elementos conductores externos.
Instalaciones electricas y de telecomunicación.
Cañería de agua.
Por medio de conductores metálicos o protectores de
sobretensión.
Distancia de Seguridad
d = ki . km . L
d = distancia de seguridad
ki = depende nivel proteccion
km = depende medio separación
L = longitud de la bajada desde
el punto de riesgo de descarga
hasta el punto de conexión
equipotencial mas cercano
a tierra.
Distancia de Seguridad
(Coeficientes)
Nivel Prot. ki
I
0.1
II
0.075
III y IV
0.05
Material
km
Aire
1
Solido
0.5
La norma BS6651 (UK) exige que todos los cuerpos
conductores con una distancia menor a 2 metros de
los conductores de bajada deben vincularse
electricamente para asegurar la equipotencialidad
Proteccion de Equipos
Descargas Atmosfericas y Transitorios Electricos
z
z
z
z
z
z
Transitorio electrico
Incremento momentaneo en la tension normal de un
sistema producido por una descarga atmosfericas.
Pueden originarse por acoplamiento resistivo,
inductivo o capacitivo.
Aparecen en los cables de alimentacion y de senal
SPD (Surge Protection Device) no puede proteger al
equipo ante una descarga directa.
SPD solo neutraliza el transitorio de tension
Acoplamiento Resistivo
La descarga origina un gradiente de tension
sobre el terreno
Acoplamiento Inductivo
Las descargas a través de los conductores de
bajada inducen transitorios en el cableado interno.
Acoplamiento Capacitivo
Dispositivos Protección Transitorios
(SPD = Surge Protection Device)
z
z
z
z
z
z
Descargador Gaseoso : capacidad de manejo de
niveles de energía elevados, autorestauración, larga
vida, libre de mantenimiento .
Diodo Zener : manejo de energia limitado, rápida
respuesta, buen efecto enclavador, estables.
Varistor Metal-Óxido : manejo de energia elevado,
efecto de enclavamiento suave, no es preciso.
Fusible : Respuesta lenta, requiere reemplazo
Relevadores : muy lenta respuesta, voluminosos
Interruptores : muy lenta respuesta, voluminosos
Dispositivos Protección Transitorios
(SPD = Surge Protection Device)
Resumen : Seis Puntos Basicos
z
z
z
z
z
z
Capture la descarga
Conduzca la descarga a
tierra en forma segura.
Disipe la descarga a
tierra mediante un
sistema
de
baja
impedancia.
Evite lazos, asegure la
equipotencialidad entre
diferentes tierras.
Proteja equipos de
transitorios de linea.
Proteja equipos de
transitorios en cables
coaxiles y antenas.
Puesta a Tierra en
Instalaciones de Red CATV
z Puesta
a tierra en cada fuente de alimentacion
z Puesta a tierra en cada activo del sistema
(Nodo Optico, Amp. Distribucion, Amp Linea)
z Puesta a tierra cada 100 mts (quinto poste)
z Equipotencialidad con lineas de energia
(vinculacion de puestas a tierra)
Puesta a Tierra en
Instalaciones Domiciliarias
z
z
z
z
Tratar de acometer cerca de donde lo hace la
compañia de suministro electrico.
Intercalar “grounding block” para efectuar la
puesta a tierra de la instalacion.
Vincular la tierra de energia con la de CATV por
el camino mas corto posible (Equipotencialidad)
Regla de oro : “Evitar que el TV / VCR o Set Top
del cliente quede en el camino de la descarga
Puesta a Tierra en Inst. Domiciliaria
Descarga en Instalacion
sin Puesta a Tierra
Descarga en Instalacion
sin Puesta a Tierra
z Baseado
em:
z Ing Juan Ramón García Bish
[email protected]
A superfície esférica
z Do
ponto de vista matemático, a esfera no
espaço R³ é confundida com o sólido
geométrico (disco esférico) envolvido pela
mesma, razão pela qual muitas pessoas
calculam o volume da esfera. Na maioria
dos livros elementares sobre Geometria, a
esfera é tratada como se fosse um sólido,
herança da Geometria Euclidiana.
A superfície esférica
z
A esfera no espaço R³ é o conjunto de todos os pontos do
espaço que estão localizados a uma mesma distância
denominada raio de um ponto fixo chamado centro. Uma
notação para a esfera com raio unitário centrada na origem
de R³ é:
z
S² = { (x,y,z) em R³: x² + y² + z² = 1 }
z
Do ponto de vista prático, a esfera pode ser pensada como
a película fina que envolve um sólido esférico. Em um
limão esférico, a esfera poderia ser considerada a película
verde (casca) que envolve a fruta.
A superfície esférica
z
Quando indicamos o raio da esfera pela letra R e o centro
da esfera pelo ponto (0,0,0), a equação da esfera é dada
por:
z
x² + y² + z² = R²
z
z
A área total da Esfera é dada por:
Sesférico = 4 π R²
z
Logo em um Eletrodo hemisférico tem-se:
z
Shemisférico = 2 π R²
Esfera de influência de um
Eletrodo Simples
Tipos de Sistemas de Aterramento
Método dos Quatro Eletrodos ou
Método de Wenner
Método dos dois Pontos
Usando a Diferença de Potencial
Gradientes de Potencial
z
A medição da resistência de aterramento através
deste método gera gradientes de potencial no
terreno devido a injeção de corrente na terra a
través do eletrodo de corrente. Por isso, se os
eletrodos de corrente, de potencial e o de terra se
encontram muito próximo, ocorrerá uma
sobreposição dos gradientes gerados por cada
eletrodo; resultando em uma curva na qual o valor
da resistência medida se incrementará em relação
a distância.
Gradientes de Potencial
Ruído excessivo
z
z
Trançar
Blindar
Método Seletivo com uso de
Alicate Amperímetro
Aplicação dos métodos a SPDA
Aplicação dos métodos a SPDA
Aplicação dos métodos a SPDA
O uso dos Dispositivos DR
Lei 8078/90, art. 39-VI11, art. 12, art. 14, e norma ABNT NBR
5410/97. RESPONSABILIDADE CIVIL
z Desde dezembro de 1997, é obrigatório no Brasil, em todas as
instalações elétricas, o uso do dispositivo DR (diferencial residual)
nos circuitos elétricos que atendam aos seguintes locais: banheiros,
cozinhas, copas-cozinhas, lavanderias, áreas de serviço e áreas
externas.
z O dispositivo DR é um interruptor automático que desliga
correntes elétricas de pequena intensidade (da ordem de
centésimos de ampère), que um disjuntor comum não consegue
detectar, mas que podem ser fatais se percorrerem o corpo
humano.
z Dessa forma, um completo sistema de aterramento, que proteja as
pessoas de uma forma eficaz, deve conter, o dispositivo DR.