Sistemas de proteção contra raios podem prevenir um desastre natural que gera uma corrente elétrica poderosa entre 2 e 200 kA, afetando todos os sistemas eletrônicos em um raio de 2 quilômetros da descarga atmosférica. Portanto, sistemas de proteção como para-raios e gaiolas de Faraday são projetados para garantir a segurança de edifícios. Além disso, esses sistemas também oferecem proteção contra sobretensões repentinas que podem ocorrer em apenas alguns microssegundos e, se não controladas, podem causar graves perdas de vidas e bens materiais.

O que são sistemas de proteção contra raios?

Os sistemas de proteção contra raios são uma solução de engenharia integrada projetada para proteger instalações e estruturas dos efeitos físicos e elétricos dos raios. Seu principal objetivo é evitar a perda de vidas e bens, canalizando a energia do raio de forma segura para o solo.

A importância dos sistemas de proteção contra raios

Em comparação com desastres naturais como incêndios, terremotos e inundações, raios e sobretensões ocorrem com mais frequência e, portanto, causam maiores danos. Por essa razão, equipar todos os edifícios e instalações com sistemas de proteção contra raios é de suma importância. Elementos de comutação, harmônicos e quedas de tensão causam prejuízos econômicos significativos, assim como os próprios raios. Em particular, devido ao campo magnético e às características do pulso emitido durante uma descarga atmosférica, ela pode penetrar instalações através de linhas paralelas. Portanto, isolar o pulso o máximo possível é crucial.

É fundamental que os sistemas de proteção contra raios sejam projetados e implementados por engenheiros especializados. Mesmo o menor erro na implementação do sistema pode levar ao fracasso de todo o projeto. Portanto, os sistemas de proteção contra raios e aterramento devem ser instalados por empresas especializadas.

Atualmente, muitas atividades sociais, como indústria, comércio, serviços e saúde, dependem do funcionamento adequado de dispositivos elétricos e eletrônicos. A causa mais frequente de falhas nesses sistemas são as sobretensões repentinas, que interrompem a transmissão de dados e danificam os equipamentos. Medições realizadas antes e depois da instalação de sistemas de proteção contra descargas atmosféricas são essenciais para sua correta implementação. Os valores de resistência obtidos são determinados de acordo com normas específicas. O principal objetivo é direcionar a sobretensão de forma controlada. Além disso, o uso de um dispositivo de conexão com centelhador é importante tanto para a segurança da vida quanto para a segurança dos sistemas eletrônicos.

Para evitar danos a equipamentos cada vez mais sensíveis, perda de dados críticos e proteger as instalações devido aos avanços tecnológicos, é necessária a implementação completa das quatro etapas fundamentais de um sistema de proteção contra raios. Essas etapas são:

• Sistema de aterramento
• Sistema equipotencial
• Sistema externo de proteção contra raios
• Sistema interno de proteção contra raios

Esses sistemas estão listados desta forma, e é essencial que funcionem juntos de maneira integrada.

Sistemas externos de proteção contra raios

Eles são projetados para capturar e transmitir descargas atmosféricas para o solo com segurança. Os sistemas mais comumente usados incluem:

Sistemas de proteção contra raios

Os sistemas de proteção contra raios são compostos por três componentes principais:

• Terminais aéreos (hastes) : Projeções verticais projetadas para acomodar descargas atmosféricas. Geralmente são equipadas com uma esfera pontiaguda, lisa e polida.
• Cabos condutores : São estruturas pesadas que conduzem a corrente do raio do topo até o solo. Eles percorrem as bordas do telhado e são conectados ao solo em um ou mais cantos sob a estrutura.
• Hastes de aterramento : São hastes longas e grossas embutidas na estrutura para fins de aterramento. Cabos condutores são conectados a essas hastes para proteção.

Aplicação da Gaiola de Faraday

As gaiolas de Faraday são as preferidas para proteger estruturas baixas, especialmente aquelas sem edifícios altos ou saliências pontiagudas ao redor. Este sistema utiliza uma combinação de design de malha e um método para criar um ângulo de proteção.

As principais características do sistema são as seguintes:

• A distância de visualização varia entre 5 e 20 metros, dependendo da atividade pretendida.
• A distância entre dois condutores de descida é ajustada entre 10 e 20 metros, dependendo do nível de proteção.
• A maior parte da corrente do raio é transmitida pelos condutores e sistemas de aterramento mais próximos do ponto de impacto.

Além disso, a estrutura da gaiola de Faraday reduz significativamente o campo eletromagnético em seu interior, protegendo os sistemas eletrônicos dos efeitos magnéticos dos raios. Ademais, como as correntes de raios são separadas em vários condutores, proporciona-se uma proteção mais confiável.

É importante ressaltar que os sistemas externos de proteção contra raios devem ser complementados por aterramento equipotencial e um sistema de para-raios de baixa tensão para funcionarem eficazmente. Essa integração aumenta a capacidade de proteção do sistema e cria uma estrutura mais confiável.

Sistemas internos de proteção contra raios

No máximo 50% da energia de um raio que atinge um sistema externo de proteção contra raios pode ser absorvida pelo solo. Portanto, os sistemas internos de proteção contra raios são indispensáveis para a segurança elétrica de edifícios. Além disso, esses sistemas protegem instalações elétricas e dispositivos conectados contra surtos repentinos de sobrecorrente e sobretensão. Eles são compostos por módulos de proteção de classe B, C e D.

Para que todos esses sistemas funcionem de forma eficaz, é necessário um sistema de aterramento em conformidade com a norma IEC 62305. Portanto, a resistência de aterramento deve ser reduzida para a ordem de 5 ohms e o sistema deve ser suportado por ligação equipotencial.

Proteção contra sobretensão

Os sistemas internos de proteção contra raios oferecem proteção contra surtos direcionados a sistemas dentro de um edifício devido ao acoplamento indutivo-capacitivo e às diferenças de potencial. Em particular, mesmo um raio que caia a 2 km de distância de um edifício tem o potencial de produzir o mesmo efeito.

Os sistemas de proteção contra surtos são classificados da seguinte forma:

• Classe B (Tipo 1) : Utilizados em painéis de entrada principais, esses sistemas são projetados para limitar os efeitos de descargas atmosféricas de alta energia.
• Classe C (Tipo 2) : Utilizados em subpainéis, esses sistemas protegem os equipamentos contra sobretensões que ocorrem na rede.
• Classe D (Tipo 3) : Desenvolvidos para a proteção de dispositivos eletrônicos sensíveis, esses sistemas fornecem proteção direta ao próprio dispositivo.

Segurança de dispositivos eletrônicos

Os sistemas de proteção contra raios também são de grande importância na proteção de dispositivos eletrônicos. Muitos componentes usados atualmente nos setores comercial e industrial contêm circuitos eletrônicos sensíveis. Portanto, eles precisam de proteção contra correntes que variam de 30.000 a 300.000 amperes, geradas durante descargas atmosféricas.

Módulos especialmente projetados são usados para proteger estações transmissoras e receptoras, principalmente aquelas pertencentes a sistemas de comunicação. Além disso, em aplicações onde a transmissão de sinal ocorre via cabo coaxial, como computadores, sistemas de processamento de dados ou sistemas de vídeo, módulos adaptadores com conectores Classe D são preferíveis para evitar danos aos dispositivos causados por surtos de tensão originados nas linhas de sinal.

Além disso, os sistemas de proteção contra surtos são importantes para proteger os aparelhos eletrônicos usados em residências. Esses sistemas oferecem proteção contra riscos como surtos de curta duração, harmônicos, aumentos e diminuições de tensão originados na rede elétrica.

Um ponto importante é que um sistema externo de proteção contra raios, por si só, não será suficiente. Um raio pode danificar todos os dispositivos em um raio de 2 km após a sua queda. Portanto, um sistema de proteção contra surtos de baixa tensão também deve ser utilizado.  

Seleção de Sistemas de Proteção contra Raios

Este é um processo de engenharia que exige planejamento cuidadoso, levando em consideração as características e os fatores de risco da estrutura. Durante esse processo, as características estruturais do edifício, as condições geográficas e os custos devem ser considerados.

Sistemas de acordo com os tipos de construção

Os sistemas de proteção contra raios variam de acordo com o tipo de edifício. Prédios que armazenam materiais explosivos e inflamáveis, teatros, escolas, hospitais, bancos, hotéis e edifícios públicos exigem sistemas de proteção especiais. Além disso, instalações críticas como usinas de energia, estações de distribuição de água e postos de gasolina também necessitam de medidas de proteção específicas.

Para cada edifício, devem ser selecionados sistemas em conformidade com as normas TS 622, TS IEC 61024 e o Regulamento sobre Proteção contra Incêndio em Edifícios. Além disso, os sistemas de proteção contra descargas atmosféricas, tanto externas quanto internas, devem ser integrados de acordo com os resultados da análise de risco do edifício.

A influência das condições geográficas

As características dos raios na região desempenham um papel importante na seleção do sistema. Dados meteorológicos e condições ambientais devem ser levados em consideração ao realizar uma análise de risco.

Efeitos dos danos causados por raios

Milhões de raios atingem o mundo todos os anos, causando danos significativos. Os efeitos desses danos podem ser analisados sob três perspectivas principais.

Riscos à segurança da vida

Os raios podem ter consequências fatais para a saúde humana. No caso de um raio direto, podem causar parada respiratória e parada cardíaca. Além disso, podem resultar em queimaduras graves, danos nos nervos e problemas neurológicos permanentes.

Danos no sistema eletrônico

Descargas atmosféricas causam danos extensos a sistemas eletrônicos. Especificamente, uma única descarga atmosférica pode afetar todos os dispositivos eletrônicos em um raio de 2 km. Esses efeitos incluem:

• Danos às fontes de alimentação
• Os sistemas de automação estão desativados.
• Falhas que ocorrem nas linhas de comunicação e de dados.
• Mau funcionamento ocorrendo em sistemas de câmeras e interruptores.

Perdas Econômicas

Os impactos econômicos dos danos causados por raios são bastante extensos. Os danos às instalações de geração de energia, em particular, acarretam as seguintes consequências:

• Perda de rendimentos resultante da paralisação da produção.
• Perdas em sistemas de energia no local
• Falhas em sistemas de dados
• Danos físicos aos equipamentos de campo.

Além disso, as descargas atmosféricas representam riscos de incêndio e explosão. Isso pode levar a maiores perdas econômicas, especialmente em instalações que contêm materiais inflamáveis e explosivos. Ademais, os efeitos do campo eletromagnético resultantes das descargas atmosféricas podem causar danos indiretos aos sistemas. Os custos de reparo desses danos podem ser bastante elevados.

O papel crucial do aterramento em sistemas de proteção contra raios

Existe uma forte ligação entre o aterramento e a proteção contra raios para a segurança dos sistemas elétricos. Um sistema de aterramento protege edifícios e equipamentos eletrônicos, reduzindo os efeitos dos raios.

Requisitos básicos de aterramento

O aterramento básico é o método mais fundamental aplicado em instalações onde circulam correntes elevadas, e potencializa o efeito da equalização de potencial. Os seguintes requisitos técnicos foram definidos para este sistema:

• Utilização de fita galvanizada (comprimento mínimo de 20 a 30 metros)
• O diâmetro das hastes condutoras deve estar entre 12,5 mm e 40 mm.
• A resistência de aterramento deve ser mantida baixa.

O eletrodo de aterramento da fundação deve ser construído como um anel fechado e colocado nas fundações das paredes externas do edifício. Além disso, em edifícios de grande porte, o eletrodo de aterramento da fundação deve ser dividido em seções de 20x20 metros.

Sistema de Conexão Equipotencial

O sistema de equipotencialização garante a segurança ao evitar diferenças de potencial que possam ocorrer entre quaisquer dois pontos dentro da instalação. Os pontos que precisam ser conectados a este sistema são os seguintes:

• eletrodo de aterramento do sistema de comunicação
• fundação do edifício
• Tubos de água feitos de material condutor.
• Sistema de aquecimento central
• Instalação de antena
• Dispositivos de proteção contra sobretensão

Em particular, todas as partes metálicas de estruturas de aço devem ser aterradas para se obter um bom efeito de aterramento. Além disso, deve-se lembrar que os sistemas de aterramento podem se deteriorar ou perder sua eficácia com o tempo.

Ao utilizar um pó redutor de resistência de aterramento , a resistência alcançada ao longo da vida útil do sistema pode ser mantida. Este material oferece uma solução ideal para solos com baixa condutividade e aumenta a resistência ao congelamento em aproximadamente 10%.

Os sistemas de proteção contra raios são considerados parte indispensável das construções modernas. Sua importância aumentou ainda mais, principalmente com o uso generalizado e a maior precisão dos sistemas eletrônicos. O projeto e a implementação integrados de sistemas externos, internos, de aterramento e de equipotencialização são essenciais. Investir em sistemas de proteção contra raios é crucial para evitar potenciais perdas de vidas e danos materiais. Portanto, engenheiros especializados devem ser consultados durante as fases de projeto e instalação, e a manutenção e as inspeções regulares não devem ser negligenciadas. Além disso, os sistemas devem ser mantidos atualizados acompanhando os avanços tecnológicos.

Perguntas frequentes

Por que os sistemas de proteção contra raios são importantes?

Os sistemas de proteção contra raios são de importância crucial para evitar a perda de vidas e danos materiais. Esses sistemas garantem a segurança de edifícios e seus ocupantes, prevenindo incêndios, quedas de energia e danos a equipamentos eletrônicos que podem ser causados por descargas atmosféricas.

Quais são os componentes básicos dos sistemas de proteção contra raios?

Os sistemas de proteção contra raios normalmente consistem em três componentes principais: um sistema de terminal aéreo (captura de raios), um sistema de condutor de descida e um sistema de aterramento. Esses componentes trabalham em conjunto para direcionar a energia do raio para o solo com segurança.

Qual a diferença entre um para-raios e uma gaiola de Faraday?

Um para-raios é uma haste pontiaguda, geralmente colocada no ponto mais alto de uma estrutura, que visa capturar a descarga atmosférica em um único ponto. Uma gaiola de Faraday, por outro lado, é um sistema de malha condutora que envolve completamente a estrutura e oferece uma proteção mais abrangente, distribuindo a energia do raio por toda a superfície do edifício.

Por que são necessários sistemas internos de proteção contra raios?

Os sistemas internos de proteção contra raios protegem os dispositivos eletrônicos e os sistemas elétricos dentro de um edifício contra surtos de sobretensão e sobrecorrente. Esses sistemas evitam danos aos sistemas internos causados por energia que os sistemas externos de proteção contra raios não conseguem capturar ou transmitir.

Com que frequência os sistemas de proteção contra raios devem ser submetidos à manutenção?

Recomenda-se que os sistemas de proteção contra raios sejam inspecionados e recebam manutenção regularmente, pelo menos uma vez por ano. No entanto, esse período pode variar dependendo das condições climáticas e da frequência de descargas atmosféricas na região onde o sistema está localizado. A manutenção regular é fundamental para manter a eficácia e a confiabilidade do sistema.