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Pára Raios e Terras

Como os raios se formam
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↑Topo • Fim↓
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Durante as tempestades observa-se uma queda da temperatura e um aumento da humidade relativa do ar, o que diminui as suas propriedades dieléctricas.
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Fig 01
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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.
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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.
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Fig 02
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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.
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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.
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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.
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Um captor Franklin num mastro vertical (Fig 01):
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Fig 03
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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#.
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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:
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Fig 04
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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#.
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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.
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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.
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Fig 05
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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:
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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.
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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. |
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Fig 01 |
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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 |
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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). |
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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. |
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Fig 02 |
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Em geral, este tipo de terra é usado em solos de baixa resistividade.
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Terra com três hastes verticais (início da página)
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Aqui é suposto que as três hastes estão nos vértices de um triângulo eqüilátero de lado D. |
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Fig 03 |
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Terra com fio horizontal retilíneo (início da página)
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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). |
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Fig 04 |
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No lugar do diamêtro, a lista correspondente exibe as áreas das secções transversais dos cabos, conforme valores padronizados mais usados em aterramentos.
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Terra com fio em forma de malha quadrada (início da página)
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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. |
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Fig 05 |
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Terra com hastes verticais alinhadas (início da página)
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É suposto que as hastes sejam igualmente espaçadas por uma distância D. Na figura, exemplo para 4 hastes. |
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Fig 06 |
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Terra com hastes verticais no contorno de um quadrado (início da página)
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Consideram-se somente os arranjos simétricos, ou seja, a distância entre hastes adjacentes é constante (L). Na figura, exemplo para 8 hastes. |
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Fig 07 |
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Terra com hastes verticais em forma de malha quadrada (início da página)
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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. |
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Fig 08 |
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Terra com fios horizontais e hastes verticais em forma de malha quadrada (início da página)
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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. |
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Fig 09 |
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Este arranjo é igual ao anterior, com a inclusão da malha formada pelos cabos de interligação.
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Melhor visto com 1024 x 768 px Elaborado/modificado 27/11/2006 |
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