Prof. Dr. Helder Anibal Hermini
UNICAMP - 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 A
Tensão Moderada:
100 a 1000000 kV
Duração média:
70 a 200 s
Potência liberada:
1000 a 8000 milhões de kwh
Energia:
4 a 10 kwh
Tempo de crista:
1,2 s
Tempo de meia cauda:
50 s
di/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 é dada por
Q


S
• A densidade da distribuição das cargas na superfície externa de
um condutor de dimensão extensa varia em função da
“topologia” da região.
Região de maior
densidade de cargas
• 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
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)
NEUTRO
“Condutor” fornecido pela concessionária
de energia elétrica, pela qual há o retorno
da corrente elétrica.
MASSA
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 RS232 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
a
R haste 
2π L
ln 4L/d Ω
onde:
a
=
resistividade do solo
(. m)
L
=
comprimento da haste
(m)
d
=
diâmetro da haste
(m)
2) Resistência equivalente à associação de hastes em paralelo
R eq  k Rhaste
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
R  ρa/4

π
A malha
onde:
R
=
resistência da malha
( )
a
=
resistividade do solo
( .m)
A
=
área da malha
(m2)
4) Determinação da janela de malha
D
D  C / 20 f
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
Tempos de extinção do arco
em um centelhador
Dica Prática de Campo
Varistores ligados em uma rede trifásica