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Pára Raios e Terras


Raios e respectivas protecções


Não são muito raras notícias de pessoas atingidas, em alguns casos com consequências infelizmente fatais.

Como forma de protecção, o pára-raios é um dispositivo simples e eficiente, desde que correctamente dimensionado e instalado.

Como os raios se formam |
Algumas definições |
Campo de protecção |
Instalação típica |

Como os raios se formam

TopoFim

 

Durante as tempestades observa-se uma queda da temperatura e um aumento da humidade relativa do ar, o que diminui as suas propriedades dieléctricas.

Raio

Fig 01

Ao mesmo tempo, o movimento das nuvens provoca um aumento do potencial eléctrico entre elas e o solo. Esses dois factores contribuem para um eventual movimento de cargas eléctricas entre nuvem e solo, isto é, uma descarga eléctrica de curta duração e de alta intensidade.

O pára-raios nada mais é que um elemento metálico situado a determinada altura e electricamente ligado à terra, de forma que as descargas ocorram pelo caminho mais fácil, protegendo as suas imediações.

 

Algumas definições

TopoFim

 

A palavra captor é frequentemente usada como sinónimo de pára-raios. Em geral, se refere especificamente ao elemento situado no topo, que recebe directamente o raio.

Captor Franklin

Fig 02

O captor mais usado actualmente é do tipo Franklin, que consiste num conjunto de algumas hastes pontiagudas para facilitar a condução, montado num mastro vertical. Ver esquema na figura.


Até certa época, foram usados tipos semelhantes, mas com adição de material radioactivo que, segundo os fabricantes, aumentava o raio de acção. Não são permitidos devido aos riscos inerentes.

Em alguns casos são também usados fios horizontais como captores, mas essa forma não está no escopo desta página.

Curiosidade relacionada: o pára-raios foi inventado por Benjamin Franklin em 1752. Inicialmente houve resistência das religiões porque raio era considerado fúria de deus e o homem não podia interferir. A igreja católica declinou da objecção em 1769, quando um raio atingiu uma igreja perto de Veneza e provocou a ignição de uma grande quantidade de pólvora guardada nas proximidades, matando cerca de 3000 pessoas.

 

Campo de protecção

TopoFim

 

Um captor Franklin num mastro vertical (Fig 01):

Campo de protecção para um captor

Fig 03

O campo de protecção é dado pelo cone do vértice no captor, com geratriz que faz ângulo de 60º com a vertical (para níveis de protecção maiores esse ângulo deve ser menor).

Portanto, r = h √ 3 #A.1#.


Dois captores Franklin num mastro vertical (Fig 02):

Sejam 2 captores de alturas h 1 e h 2, distanciados de d, tal que: d < √ [ 3 (h 1 + h 2) ]. Neste caso, a influência mútua pode ser considerada conforme as equações a seguir (supõe-se que h 1 > h 2).

A linha curva entre h 1 e h 2 tem forma de parábola e, assim, a equação genérica da sua altura h em relação ao solo é:

Campo de proteção para dois captores

Fig 04

h = ax 2 + bx + c onde x é a distância horizontal em relação a h 1.

E os coeficientes são dados por:

a = (h 2 - h 1) d 2 + (√ 3) / (3d) #B.1#.

b = - (√ 3) / 3 #B.2#.

c = h 1 #B.3#.


E o campo de protecção será:

a) nas extremidades, superfícies cónicas conforme item anterior.

b) Entre os captores, a superfície com vértice na parábola aqui definida, como geratriz recta partindo desta parábola e em ângulo de 60º com a vertical.

Para mais de 2 captores:
Determinam-se as superfícies para cada agrupamento de 2 captores conforme item anterior e se faz a sobreposição das mesmas.

 

Instalação típica

TopoFim

 

A figura abaixo mostra a instalação padrão com apenas 1 captor. Entretanto, o número de captores deve ser dado em função da área a proteger conforme critério anterior. Todo o prédio e áreas a proteger devem estar dentro do campo de protecção.

Instalação típica de um pára-raios

Fig 05

O cabo de descida é normalmente de cobre sendo o ideal o de alumínio, com secção não inferior a 35 mm 2.

Como regra geral, a descida deve ser a mais directa possível, com o mínimo de curvas. Essas, quando necessárias, devem ter raio mínimo de 20 cm.

Não deve haver emendas, excepto para o conector indicado, próximo ao solo, que permite separar as partes para medições da Terra.

Os espaçadores devem ser usados a cada 2 m no máximo e devem proporcionar uma separação mínima de 20 cm entre cabo e prédio ou outras partes.

Número de descidas:

Quando se tem mais de um captor, o número de descidas deve ser dado pelo valor máximo entre as expressões abaixo:

(a + 100) / 300

h / 20

(p + 10) / 60 onde:


a: área coberta do prédio em metros quadrados. h: altura do prédio em metros. p: perímetro do prédio em metros. Se o valor de alguma for fraccionário, ele deverá de ser arredondado para o inteiro imediatamente superior.

 

Pára-raios e Terras


Esta página contém formulas para cálculo dos tipos mais comuns de aterramentos.

Cálculo de terras  
Terra com uma haste vertical 
Terra com três hastes verticais 
Terra com fio horizontal rectilíneo 
Terra com fio em forma de malha quadrada 
Terra com hastes verticais alinhadas 
Terra com hastes verticais no contorno de um quadrado 
Terra com hastes verticais em forma de malha quadrada 
Terra com fios horizontais rectilíneos e hastes verticais em forma de malha quadrada
 
 

Calculo de Terras  (início da página)


O modo de fazer terras mais comum é a utilização de uma ou mais hastes cilíndricas verticais, cravadas no solo e eletricamente interligadas por cabos de cobre ou alumínio sem isolamento.
Aterramento típico com duas hastes
Fig 01
As hastes são em geral feitas de aço e revestidas com cobre. Este tipo de construção reduz o custo dos materiais e aumenta a resistência mecânica, sem comprometer sensivelmente as propriedades eléctricas.

Na Figura 01 ao lado, está um exemplo de uma terra com duas hastes.

Comercialmente, os comprimentos (L) e diâmetros (D) mais comuns são 1,5 e 3,0 metros e 1/2, 3/4 e 1 polegadas, respectivamente. E nesta página somente esses valores serão considerados.

Na parte inferior da figura, a representação aqui adoptada da "vista de cima" imaginária, para indicar os diversos arranjos físicos mais usados nas instalações de Terras.

As fórmulas e coeficientes foram colocados em códigos de JavaScript, bastando indicar nos campos os parâmetros necessários, os quais, naturalmente, dependem do seu projeto. Entretanto, em todos os casos será necessária a indicação da resistividade do solo. Esse valor deverá ser de preferência medido no local da instalação ou, se alguma imprecisão for tolerada, poderá ser estimado conforme tabela abaixo.
Areia: de 250 a 500 Ω m Limo: de 20 a 100 Ω m
Argila: de 20 a 60 Ω m Humus: de 10 a 150 Ω m
Argila e areia: de 80 a 200 Ω m Turfa: de 150 a 300 Ω m
Lama: de 5 a 100 Ω m Rocha: > 1000 Ω m

Observar os seguintes pontos para o uso dos formulários:

a) Valores de comprimento e diamêtro das hastes só podem ser seleccionados entre os padrões já mencionados.

b) A resistividade do solo deve ser dada em ohm.metro (Ω m) e, inicialmente, o campo apresenta por default 100. 

c) O resultado, isto é, a resistência da terra, é expressa em ohms (Ω).
 

Terra com uma haste vertical  (início da página)


É um dos meios mais simples de fazer uma terra. Entretanto, com apenas uma haste, nem sempre será possível obter resultados suficientemente baixos de resistência.
Terra com uma haste vertical
Fig 02
Comprimento da haste Diamêtro
da haste
  Resistividade do solo
 
       
Resultado


Em geral, este tipo de terra é usado em solos de baixa resistividade.

 

Terra com três hastes verticais  (início da página)


Aqui é suposto que as três hastes estão nos vértices de um triângulo eqüilátero de lado D.
Terra com três hastes verticais
Fig 03
Comprimento da haste Diâmetro
da haste
Lado do
triângulo
Resistividade do solo
 
 
Resultado:

 

Terra com fio horizontal retilíneo  (início da página)


No arranjo, um fio de cobre sem isolamento, de comprimento L e diametro D, é enterrado a uma profundidade P.

A fórmula usada é uma simplificação da teórica e, para razoável aproximação, o comprimento L deve ser maior que 10 P (o script não verifica isso).
Aterramento com fio horizontal retilíneo
Fig 04
Comprimento
do cabo (m)
Secção
transversal
Profundidade (m) Resistividade do solo
 
Resultado:


No lugar do diamêtro, a lista correspondente exibe as áreas das secções transversais dos cabos, conforme valores padronizados mais usados em aterramentos.

 

Terra com fio em forma de malha quadrada  (início da página)


Considera-se uma malha plana e quadrada de fios de cobre enterrados a uma profundidade P. Na figura abaixo, exemplo de uma malha de tamanho 3x3.
Aterramento com fio em forma de malha quadrada
Fig 05
Tamanho
da malha
Lado do ele-
mento L (m)
Secção
do cabo
Profundidade (m)
 
Resistividade do solo   Resultado
(ohms)
 

 

Terra com hastes verticais alinhadas  (início da página)


É suposto que as hastes sejam igualmente espaçadas por uma distância D. Na figura, exemplo para 4 hastes.
Aterramento com hastes verticais alinhadas
Fig 06
Comprimento da haste Diamêtro
da haste
Distância
d (metros)
Número
de hastes
 
Resistividade do solo   Resultado
(ohms)
 

 

Terra com hastes verticais no contorno de um quadrado  (início da página)


Consideram-se somente os arranjos simétricos, ou seja, a distância entre hastes adjacentes é constante (L). Na figura, exemplo para 8 hastes.
Terra com hastes verticais no contorno de um quadrado
Fig 07
Comprimento da haste Diamêtro
da haste
Distância
L (metros)
Número
de hastes
 
Resistividade do solo   Resultado
(ohms)
 

 

Terra com hastes verticais em forma de malha quadrada  (início da página)


Na figura abaixo, exemplo para 9 hastes ou malha 2 x 2. Notar que o número de hastes é sempre um quadrado perfeito e é dado por (1+n)2, onde n é o tamanho da malha.
Terra com hastes verticais em forma de malha quadrada
Fig 08
Comprimento da haste Diamêtro
da haste
Distância
L (metros)
Número
de hastes
 
Resistividade do solo   Resultado
(ohms)
 

 

Terra com fios horizontais e hastes verticais em forma de malha quadrada  (início da página)


Em geral, nos aterramentos com hastes verticais interligadas, as extremidades superiores das mesmas ficam próximas da superfície, de forma que é desprezível a contribuição dos cabos de interligação. Se o conjunto for aprofundado, esta parcela pode ser considerada.
Aterramento com fios horizontais e hastes verticais em forma de malha quadrada
Fig 09
Comprimen-
to da haste
Diamêtro
da haste
Distância
L (metros)
Número
de hastes
Resistividade do solo Secção
do cabo
Profundidade (m)  
  Resultado
(ohms):


Este arranjo é igual ao anterior, com a inclusão da malha formada pelos cabos de interligação.

 

 
 
  Melhor visto com 1024 x 768 px Elaborado/modificado 27/11/2006
   
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