Para Raios, Aterramentos e Instalações Elétricas

Relâmpagos ou coriscos.

Denominam-se popularmente trovoadas, as tempestades causadas por nuvens tipo “Cúmulos/nimbos”. Estas nuvens que podem atingir altitudes de até 15.000 metros acumulam vários tipos de energia. Dentro delas, podem existir ventos de até 300 quilômetros por hora em direções opostas, podem conter água em suas diversas formas, como forma liquida; vapor e gelo e podem conter e acumular energia elétrica com polaridades diferentes. Como estas nuvens, têm normalmente um teto baixo, isto é a parte inferior está relativamente perto do solo, e a parte superior pode estar a milhares de metros de distância, para cima, pode tanto haver diferença de polaridade como diferença de potencial entre estas polaridades. Se houver esta situação, estes potenciais se equilibram dentro da própria nuvem. Este equilíbrio se dá saltando uma centelha elétrica de uma parte da nuvem para baixo ou para cima geralmente.

Esta descarga de equilíbrio dentro da própria nuvem é a mais comum. Pode haver uma descarga também de uma nuvem para outra, de uma nuvem para o ar se este estiver carregado de energia oposta à carga da nuvem e finalmente pode haver uma descarga para terra. Felizmente para nós seres humanos e também os animais e árvores que podem ser as vítimas deste fenômeno natural, as descargas para terra, são as mais raras e em tempo de trovoada ocorrem mais ou menos com uma freqüência de 20% de todas as outras ouvidas e observadas.

Uma destas descargas de equilíbrio potencial aquece instantaneamente, o ar por onde passam. Este aquecimento pode ser na ordem de 30.000ºC, o que pode ser até cinco vezes a temperatura na superfície do Sol. Este aquecimento extremo e instantâneo causa uma explosão em volta da passagem da centelha de um raio, evaporando a água, desintegrando moléculas, movendo o ar em velocidade supersônica, e causando com isto o enorme ruído que se ouve no momento de uma descarga atmosférica. Esta onda de choque é o que se denomina o trovão. E este trovão é o que deu nome a estas tempestades, a trovoada.

A parte visível da descarga atmosférica, esta enorme centelha de cor azulada que se mostra quando uma descarga salta de uma nuvem à outra ou de uma nuvem parta terra, é o relâmpago ou o corisco.

O relâmpago se mostra instantaneamente durante uma descarga, em quanto que o trovão às vezes demora um pouco mais para se ouvir depois da descarga. Isto se deve por causa da diferença de velocidade entre a luz (da descarga) e o som (também da descarga).

Velocidade da luz = 300.000km/segundo

Velocidade do som = 330m por segundo

O relâmpago, ou seja, o que visualizamos da descarga chega aos nossos olhos a trezentos mil quilômetros por segundo, ou instantaneamente, enquanto que o trovão, ou seja o que ouvimos da descarga navega até os nossos ouvidos a 330 metros por segundo (01 quilômetro em três segundos). E é por esta razão que o som da trovoada chega depois que vemos o relâmpago.

Esta diferença de velocidade nos permite calcular a distância em que ocorreu a descarga. Para isto, necessitamos de um cronômetro e no momento em que avistarmos uma descarga elétrica na atmosfera ou na terra, começamos há medir o tempo até a chegada do trovão. Sabemos que em cada três segundos este som trafega um quilômetro. Se por exemplo o tempo entre o momento em que vimos o relâmpago e o tempo em que ouvimos o som do trovão se passou 15 segundos, esta descarga ocorreu a cinco quilômetros de distância.

A média geral de incidências de descargas em uma trovoada é de três ou quatro descargas por minuto.

Em uma tempestade destas de uma duração de 30 minutos, a média de raios que chegam à terra é de cinco a seis raios se durar uma hora provavelmente vão atingir a terra de 10 a 12 raios.

É assim que se calcula o “Índice Ceraunico”.

Mas isto virá em outro artigo……

O Varistor.

Um dos componentes mais usados pelos protetores de surtos transientes é o varistor.

Entre as pessoas do ramo de instalação de proteção elétrica, fala-se muito sobre o uso destes componentes, sem que necessariamente se saiba exatamente o que seja isto.

Um varistor ou VDR (do inglês Voltage Dependent Resistor) é um componente eletrônico cujo valor de resistência elétrica é uma função da tensão aplicada nos seus terminais. Isto é, à medida que a diferença de potencial sobre o varistor aumenta, sua resistência diminui.

Os VDRs são geralmente utilizados como elemento de proteção contra transientes de tensão em circuitos, tal como em filtros de linha. Assim eles montados em paralelo ao circuito que se deseja proteger, por apresentarem uma característica de “limitador de tensão”, impedindo que surtos de pequena duração cheguem ao circuito, e no caso de picos de tensão de maior duração, a alta corrente que circula pelo dispositivo faz com que o dispositivo de proteção (disjuntor ou fusível), desarme, desconectando o circuito da fonte de alimentação.

A primeira publicação sobre materiais varistores data de 1957, quando Kh. S. Valee e M. D. Mashkovich descobriram que o sistema binário ZnO-TiO₂ possuía propriedades não ôhmicas. Outros estudos em sistemas binários ZnO-Bi₂O₃ e ZnO-Al₂O₃ realizados por M.S. Kosman e colaboradores (1961) e S. Ivamov e colaboradores (1963) respectivamente, também mostraram que esses sistemas poderiam ser utilizados como varistores.

Em 1971, Matsuoka e colaboradores, fizeram varistores cerâmicos multicomponentes com propriedades muito melhores que aquelas obtidas para sistemas binários. A não linearidade nas características corrente-tensão para esse sistema foi de a=50. Um típico sistema com essas propriedades é 97%ZnO-1%Sb₂O₃-0,5%MnO-0,5%CoO-0,5%Cr₂O₃, sendo essas porcentagens molares.

Atualmente, uma ampla variedade de composições são utilizadas para a obtenção de varistores. Os varistores comercialmente mais usados ainda são a base de óxido de zinco (ZnO), mas varistores de dióxido de estanho (SnO₂) e dióxido de titânio (TiO₂) possuem um grande potencial tecnológico que ainda não foi utilizado. É exatamente esse o objetivo das pesquisas que estão sendo realizadas no CMDMC-LIEC, que visam aperfeiçoar as propriedades dos varistores a base de SnO₂, para utilização em altas tensões, a base de (Sn,Ti)O₂ e TiO₂ para utilização em baixas tensões, para que esses dispositivos possam em um futuro bem próximo substituir os varistores a base de ZnO.

A relação tensão-corrente de um varistor pode ser dada aproximadamente pela seguinte equação empírica:

Onde

V é a tensão aplicada nos terminais do varistor,

I é a corrente que circula pelo componente,

C (resistência não-ôhmica) e β (coeficiente de não-linearidade) são constantes características do componente.

Dessa relação, nota-se que quanto maior o valor de β, maior será a sua sensibilidade a variação de tensão.

Bem, isto é o Varistor.

Um varistor de alta tensão

Um estudo mais técnico.

O professor José Osvaldo S. Paulino-UFMG, tem um estudo bem detalhado sobre as características dos protetores existentes e seu artigo pode ser lido no site:

http://www.eletrica.ufsj.edu.br/pub/eletrotecnica/aterramento/aulas/8-%20Filtros%20e%20protetores.pdf

Centelhador a gas.

Para quem desconhece e ficou curioso para saber o que seja um centelhador a gás, oferecemos esta definição:

O centelhador a gás é um elemento de proteção de alta capacidade de corrente e baixa velocidade de condução, apresentando duas tensões de disparo, a nominal (100V/s) àquela especificada no componente e a de regime de impulso (1kV/µs), que pode variar entre 350V e 1,2kV dependendo do fabricante e da tensão nominal. Fabricado com dois ou três elétrodos, estes separados por uma cerâmica especial que tem o mesmo coeficiente de dilatação do metal aplicado, onde o dielétrico é o argônio dopado com um ionizador primário, e seus elétrodos são depositados elementos radioativos para manter um disparo constante. A pressão interna do gás do centelhador normalmente é menor que a pressão atmosférica, na existência de qualquer micro fissura na cerâmica ou na solda dos eletrodos provocada por manuseio errado ou envelhecimento, esta permitirá a entrada do oxigênio para dentro da câmara, contaminando o gás e alterando a tensão de disparo em regime de impulso, chegando a tensões de 2 a 5 kV, e posteriormente todo o funcionamento do componente, comprometendo o desempenho do protetor e colocando o equipamento protegido em risco. É aconselhável testar os protetores a cada 3 anos, substituindo os produtos que apresentarem alterações.

O centelhador opera como uma chave dependente da tensão. Quando a tensão supera seu valor de “corte” (operação), um arco é criado entre seus terminais, oferecendo um caminho de baixa impedância, pelo pino de menor resistência que deverá estar conectado ao terra. Esta operação oferece proteção a sistemas eletro-eletrônicos contra surtos de corrente e tensão, permitindo que o sistema opere em seus níveis normais.

A recomendação é que os centelhadores sejam substituídos a cada três anos.

Raramente esta recomendação é seguida e em meu trabalho já foram encontrados centelhadores instalados à mais de 15 anos.

Estes componentes não têm um preço muito salgado, e sua substituição deveria ser mais bem observada.

Protetores de surto elétrico.

Como foi dito no artigo anterior, existem alguns tipos diferentes de protetores, que servem para filtrar uma rede elétrica, eliminando os surtos e protegendo com isto os equipamentos alimentados por esta rede elétrica.

Gostaríamos de enfatizar que a alimentação elétrica pode ser da rede publica, podem ser da rede telefônica pública, da rede telefônica privada, outros equipamentos que são interligados por seções longas de fios metálicos. Todos estes diferentes equipamentos carecem de um protetor especial para o tipo em foco.

Protetores podem ser:

· Centelhadores mecânicos ou a ar

· Centelhadores à gás,

· Varistores de oxido metálico

Os primeiros são relativamente simples pontas de algum metal resistente e bom condutor, que são fixadas a uma distancia conveniente para isolar a tensão nominal da rede de alimentação.

Uma das pontas vai conectada em paralelo com a rede elétrica e a outra ponta vai conectada à terra ou ao neutro da rede. Quando um surto transiente entra na rede, ao encontrar o GAP, ou seja o ponto em que se aproxima do pólo conectada ao neutro ou à terra, ele salta para terra sendo eliminado do circuito. Em alguns destes protetores, são usados eletrodos múltiplos que diminuem a intensidade da corrente de surto prolongando assim a vida do centelhador. Estes protetores fazem um bom papel como protetores primários usados em conjunto com outros mais sensíveis.

Os dos segundo grupo,

A - CENTELHADORES A GÁS

São constituídos de dois/ três eletrodos dentro de um tubo de vidro ou material cerâmica, separado por uma dist. de +/- 1mm, volume cheio de gás( argônio,..)

Quando ocorre um surto, aumenta os n. ions, e acelera os movimentos de elétrons, até avalanche que conduz a disrupção do gás. Uma vez ocorre condução, os valores de tensão cai para valores de glow (luminescente)

Se a fonte fornecer corrente crescente o arco se estabelece

Se fonte não conseguir continuar a corrente, e a tensão ficar abaixo do arco, o efeito se extingue

VANTAGEM

Tem uma grande capacidade de condução de corrente(+/-20ka)

Tem uma vida longa

Tem capacitância baixa, não interfere na operação de alta freqüência

DESVANTAGEM

Baixa proteção para frente de onda inclinada

Geralmente produz curto a terra

Produz oscilação em alta freqüência, devido a brusca queda de tensão.

Os protetores do terceiro tipo são também denominado VARISTORES

São resistores cuja a resistência varia de acordo com a tensão aplicada vdr.( voltage dependant resistor)

I = Kva a= função não linear.

1-Varistor SiC carboneto de silício

São varistores convencionais de linha, que se forem ligados permanentemente a rede admitem uma corrente de fuga, a qual causa sobre aquecimento do varistor é por isso ele precisa estar ligado com um centelhador em série(gap).

2- Varistor ZnO Óxido de Zinco

São varistores feitos de cerâmica de alta tecnologia que alem de ZnO possuem Bi/Co/Al/Sn…

O varistor é constituído por micro varistores ligados em série, a tensão é dada pela altura e a largura dará a potência ou corrente de condução

O tempo de resposta dos varistores estão na casa de alguns NS. Portanto são extremamente rápidos.

Proteção de Eletro/Eletrônicos

No artigo sobre SPDA, ficamos de informar porque um captor bem instalado pode aumentar os danos aos equipamentos eletrônicos.

Uma descarga atmosférica, ao atingir um captor de um pára raios, que em geral é uma ponta de metal, liberta muita energia que fica durante um pequeno período de tempo, em suspensão nas proximidades onde caiu o raio. Estas partículas elétricas se somam e tendem a se alinhar em objetos condutores, como peças metálicas nas proximidades. Se estas peças estiverem devidamente aterradas, esta eletricidade espúria se dirige à terra, sem causar nenhum dano. As redes elétricas, no entanto, não podem ser aterradas diretamente, pois seria um curto circuito. Sendo metálicas, estas redes de distribuição elétrica, servem para acumular as partículas em suspensão no momento do raio. Se não tiverem algum tipo de proteção ou filtro, estes surtos, que são o acúmulo de energia na rede de alimentação, vão procurar se equalizar com a terra, pelo neutro do circuito elétrico alimentados por esta rede de alimentação elétrica. Em sua procura pelo neutro, passam por dentro dos circuitos eletrônicos que são muito sensíveis e não agüentam o aumento de tensão e se queimam.

As tensões dos surtos em geral carregam uma voltagem muito alta, uma duração muito curta, e uma amperagem baixa em geral.

Os filtros existentes, podem ser centelhadores mecânicos, cápsulas de gás, ou varistores de oxido de zinco.

Devem ser propriamente instalados, como veremos a seguir.

O SPDA

Tenho uma empresa que presta serviços de instalação de proteções elétricas em geral.

Melhor dizendo, fazemos instalações comerciais de baixa tensão, redes estabilizadas e seguras, e montamos quadros de distribuição de todos os tipos e tamanhos de acordo com as necessidades dos clientes.

Parte de nossos serviços inclui instalações de SPDA que são popularmente chamados de “Pára Raios”.

SPDA, significa “Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas”

Neste quesito, Descargas Atmosféricas, os órgãos fiscalizadores, consideram apenas os equipamentos que sirvam para proteger vidas humanas e alguns materiais das edificações onde estejam alojadas as pessoas a serem consideradas.

Eles, os órgãos de fiscalização, em geral o Corpo de Bombeiros ou a Defesa Civil, não consideram sua alçada a proteção dos equipamentos eletro/eletrônicos e o seu conceito de SPDA apenas ficam abrangidos o sistema de captura e descarga dos raios que porventura caiam nas proximidades dos edifícios onde estão acolhidos seres humanos.

Eles se baseiam em conceitos abrangidos pelas normas NBR 5419 de 2003.

Um sistema de pára raios muito bem elaborado, vai definitivamente oferecer uma proteção adequada às pessoas dentro do prédio onde estiver instalado, mas pode até piorar os danos aos equipamentos eletro/eletrônicos.

Veremos porque adiante.

Sejam bemvindos ao site do Roberto Leite, especialista em para-raios, aterramentos e instalações elétricas de todos os portes.

Para efetuar consulta ou solicitar orçamento entre em contato através do email rlaf44 [@] gmail.com ou telefone (61)8413-0031 (Brasília, DF).

Obrigado pela sua visita e aguarde, em breve, muito mais sobre para raios e instalações elétricas neste blog que lhe trará dicas e informação à respeito.