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Protección contraDescargas Atmosféricas

y Puesta a TierraAgenda

Origen de las Descargas AtmosféricasProtección contra Descargas Atmosféricas - Protección de Instalaciones - Protección de Personas - Protección de EquiposPuesta a Tierra .

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Origen de las Descargas

Mecanismo de generacion de las Descargas AtmosféricasDiferentes tipos de DescargasParametros característicos de la Descarga

Ingredientes de una Descarga

Aire inestableHumedadMecanismo disparador (ejemplo: pasaje de un frente frio)

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Mecanismo de GeneraciónAire humedo y caliente se eleva a regiones friasEl vapor se condensa sobre partículas y forma la nubeEl aire frio es forzado a circular hacia abajo por la formacion de la nubeSe 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

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ORIGEM DA DESCARGA ATMOSFÉRICA

ORIGEM DA DESCARGA ATMOSFÉRICA

Na verdade somos campeões mundiais em raios!

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!

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 pára-raios.

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Dano a Pessoas por Tensões de Toque, Passo e Transferidas

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

HipertensãoCâmbios EletrocardiográficosDanos ao MiocárdioFalha do coraçãoArritmiaFibrilação ventricularContrações ventriculares prema-turasComplicações Respiratórias

Complicações Neurológicas

Perda de ConsciênciaConfusãoParaplegia ou TetraplegiaAmnésia retrógradaHemiplegiaComaHematomas

Complicações Vasculares

Instabilidade MotoraEspasmo ArterialVaso constrição, vaso dilatação

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Complicações Vasculares

Instabilidade MotoraEspasmo ArterialVaso constrição, vaso dilatação

Complicações Oftalmológicas

CataratasLesões na CórneaHemorragiasDesprendimento da retinaDanos aos nervos óticos

Complicações nos Ouvidos

Ruptura da membrana do tímpanoParda temporaria da audição.

Complicações Dermatológicas –Queimaduras Cutâneas

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Probabilidade de Ocorrência DANOS MATERIAIS

DANOS MATERIAIS TIPOS DE SPDA

PÁRA-RAIOS DE HASTE tipo FranklinGAIOLA DE FARADAYPROIBIÇÃO DO PARA-RAIOS RADIOATIVO

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Para-Raios de Haste Tipo FRANKLIN

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

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Diferentes tipos de Descarga

Descarga eléctrica dentro de la misma nube.Descarga eléctrica entre nubes.Descarga eléctrica entre nube y tierra (estas son las que a nosotros nos preocupan)

Corriente de Descarga

Zona A - Pulso de corriente Pico de hasta 260 kAdI/dt = 30.000 MA/segZona B – TransiciónZona C – Estabilización Corriente de cientos de ADona 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

mseg150090060040025010050Duracion TotalA400200150100805030Corriente Continua Max.C200704015631Carga TotalGA/s200100804525156Siguientes descargas dI/dtGA/s7040302515106Primer descarga dI/dtkA403020151063Pico descargas siguienteskA13080503020125Corriente 1er descargamseg4001509055352510Intervalo entre descargas

12753211Numero de descargas

1 %102550759099

Porcentaje de eventos con caracteristicas superiores a las indicadas

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Protección Contra Descargas

Elementos a Proteger - Instalaciones - Personas (vidas) - EquiposIdea de Area ProtegidaCono de ProtecciónMétodo de la Esfera Rodante

Idea de Area Protegida

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 EdificiosElementos 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, anillosy 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

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Ángulo de Protección

25 grados35 grados45 grados55 gradosIV

25 grados35 grados45 gradosIII

25 grados35 gradosII

25 gradosI

h = 60 mth = 45 mth = 30 mth = 20 mtNivel de Protección

Ejemplo de aplicación

1.- Captor de Asta2.- Volumen a Proteger3.- Plano de Referencia4.- Intersección conos de

protección.5.- Separación de seguridad.

Proyeccion del volumen sobre el plano del piso

Método de la Esfera Rodante

60 mtsIV

45 mtsIII

30 mtsII

20 mtsI

Radio de la Esfera

Nivel de Protección

Método de la Esfera Rodante

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Método de la Esfera RodanteEjemplo Práctico

1.- Captores verticales2.- Captor en mastil3.- Captores laterales4.- Area protegida

Captores de DescargaCaptores tradicionales (Tipo Franklin)

Captores de DescargaCaptores tipo EMS

(Early Streamer Emitter) Favorecen la creación de una

descarga ascendente

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Conductores de DescargaPor razones de seguridad se requieren dos (2) conductores como mínimoEl recorrido del conductor hasta el sistema de descarga a tierra debe ser lo mas corto posible.Deben evitarse las curvas en angulos menores a 90 grados o radios de curvatura inferiores a 20 centimetros..La inductancia es la característica predominante en los conductores de descarga.

Espaciamiento Conductoresde Descarga

Espaciamiento maximo

25 mtsIV20 mtsIII15 mtsII10 mtsIDistanciaNivel Prot.

Espaciamiento tipico 10 a 15 metros

Caida de TensiónInductancia de un conductor circular recto aproximadamente igual a 1 μH/m.Caida de tensión E = I.R + L dI/dtCaso típico : Bajada = 10 mts de conductor AWG6 R = 0.13 ohms y L = 10 μHI = 20000 A y dI/dt = 20 GA/seg

Con los valores anteriores resulta : E = 2600 V + 200000 V = 202600 V

Sistema de Descarga a Tierra

Su efectividad depende de : - Tipo y tamaño del electrodo utilizado. - Características del suelo (resistividad)La resistividad del suelo depende de : - Cantidad de iones libres (sales) - Temperatura (congelamiento / sequía ) - Humedad (muy vinculada con la anterior)

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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

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Protección de las Personas

La descarga eléctrica en su camino por los conductores de descarga y su posterior disipacionen 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 potencialperjudicial entre partes de su cuerpoUna persona parada cerca de un conductor de descarga puede sufrir una descarga lateral

Descarga Lateral

Efectos Corriente Electricaen Cuerpo Humano

Umbral de Percepción : Minima corriente quepuede 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

Todos los caminos de circulacion de las personas deben estar dentro del areaprotegida.Uso de alfombras conductoras puestas a tierra reducen diferencias de potencial.Asegurar separaciones seguras entre conductores de descarga y personas.

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Equipotencialidad

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 Seguridadd = ki . km . L

d = distancia de seguridadki = depende nivel proteccionkm = depende medio separaciónL = longitud de la bajada desde

el punto de riesgo de descargahasta el punto de conexiónequipotencial mas cercanoa tierra.

Distancia de Seguridad (Coeficientes)

0.05III y IV

0.075II

0.1I

kiNivel Prot.

0.5Solido

1Aire

kmMaterial

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 EquiposDescargas Atmosfericas y Transitorios Electricos

Transitorio electricoIncremento 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 senalSPD (Surge Protection Device) no puede proteger al equipo ante una descarga directa.SPD solo neutraliza el transitorio de tension

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Acoplamiento ResistivoLa descarga origina un gradiente de tension

sobre el terreno

Acoplamiento InductivoLas descargas a través de los conductores de bajada inducen transitorios en el cableado interno.

Acoplamiento Capacitivo Dispositivos Protección Transitorios(SPD = Surge Protection Device)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 reemplazoRelevadores : muy lenta respuesta, voluminososInterruptores : muy lenta respuesta, voluminosos

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Dispositivos Protección Transitorios(SPD = Surge Protection Device)

Resumen : Seis Puntos BasicosCapture la descargaConduzca la descarga a tierra en forma segura.Disipe la descarga a tierra mediante un sistema de bajaimpedancia.Evite lazos, asegure la equipotencialidad entrediferentes tierras.Proteja equipos de transitorios de linea.Proteja equipos de transitorios en cables coaxiles y antenas.

Puesta a Tierra en Instalaciones de Red CATV

Puesta a tierra en cada fuente de alimentacionPuesta a tierra en cada activo del sistema(Nodo Optico, Amp. Distribucion, Amp Linea)Puesta a tierra cada 100 mts (quinto poste)Equipotencialidad con lineas de energia(vinculacion de puestas a tierra)

Puesta a Tierra en Instalaciones Domiciliarias

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 porel 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

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Puesta a Tierra en Inst. Domiciliaria Descarga en Instalacionsin Puesta a Tierra

Descarga en Instalacionsin Puesta a Tierra

Baseado em:Ing Juan Ramón García Bishjrgbish@hotmail.com

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A superfície esférica

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 esféricaA 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:

S² = (x,y,z) em R³: x² + y² + z² = 1

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.

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:

x² + y² + z² = R²

A área total da Esfera é dada por:Sesférico = 4 π R²

Logo em um Eletrodo hemisférico tem-se:Shemisférico = 2 π R²

A superfície esférica Esfera de influência de umEletrodo Simples

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Tipos de Sistemas de Aterramento Método dos Quatro Eletrodos ou Método de Wenner

Método dos dois Pontos

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Usando a Diferença de Potencial Gradientes de Potencial

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 excessivoTrançar

Blindar

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Método Seletivo com uso de Alicate Amperímetro

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Aplicação dos métodos a SPDA

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Aplicação dos métodos a SPDA Aplicação dos métodos a SPDA

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O uso dos Dispositivos DRLei 8078/90, art. 39-VI11, art. 12, art. 14, e norma ABNT NBR 5410/97. RESPONSABILIDADE CIVILDesde 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.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.Dessa forma, um completo sistema de aterramento, que proteja as pessoas de uma forma eficaz, deve conter, o dispositivo DR.