CARREGAMENTO ATMOSFÉRICO DO SISTEMA DE PROTEÇÃO

FACULDADE DE TECNOLOGIA

FATEC – OSASCO

INSTALAÇÕES ELETRICAS

Prof. RONALDO RUAS

SPDA

SISTEMA DE PROTEÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS

Adeildo Cardoso

Alexandre Nascimento Cruz

Jucélio Oliveira da Silva

As Descargas Atmosféricas

Os raios sempre amedrontaram e, ao mesmo tempo, fascinaram os homens, daí a necessidade de tentar compreendê-los. As primeiras explicações para o fenômeno partiam de concepções mitológicas, algumas delas chegavam a dizer que o Deus Thor cruzava os céus numa carruagem puxada por dois bodes, e quando agitava furioso, o seu martelo, produziam-se.

Raios e trovões.

Foto de um raio

Ainda hoje, apesar de todos os avanços da ciência, em vários aspectos, o conhecimento sobre as descargas atmosféricas é "limitado". Atualmente, dominamos técnicas avançadas de proteção e análise dos efeitos dos raios, mas sabemos pouco sobre diversos aspectos físicos envolvidos no fenômeno.

KINDERMAN (1997) diz que a nuvem carregada induz no solo cargas positiva, que ocupam uma área correspondente ao tamanho da nuvem. Como a nuvem é arrastada pelo vento, à região de cargas positivas no solo acompanha o deslocamento da mesma, formando praticamente uma sombra de cargas positivas que segue a nuvem. Neste deslocamento, as cargas positivas induzidas vão escalando árvores, pessoas, pontes, edifícios, para-raios, morros, etc., ou seja, o solo sob a nuvem fica com carga positiva entre a nuvem e a terra formando diferenças de potenciais. Nota-se que para a descarga se efetuar não é necessário que o campo elétrico seja superior à rigidez dielétrica de toda a camada de ar entre a nuvem e o solo, bastando para isso, um campo elétrico bem menor. Isto é explicado pelo fato do ar entre a nuvem e a terra não ser homogêneo, pois contém grande quantidade de impurezas, umidade e ar ionizado, que estão em constante agitação. Com isto, o ar entre a nuvem e a terra fica muito “enfraquecido”, e um campo elétrico menor já é suficiente para que o raio consiga perfurar o ar e descarregar na terra, isso ocorre em frações de microssegundos, como a velocidade da luz (300 milhões de m/s) é muito maior que a do som (300m/s), percebeu um relâmpago segundos antes do trovão.

A corrente de uma descarga atmosférica é da ordem de 15.000A, podendo chegar a 200.000A. O tempo de duração total de um raio é de aproximadamente 200 microssegundos, porém a frente de onda ocorre em apenas 1,2 microssegundos.

Segundo KINDERMAN (1997) na maioria dos raios ocorre entre nuvens, formando descargas paralelas à superfície do solo. Isto se dá durante uma tempestade, onde nuvens se aproximam a uma distância tal que a rigidez do ar é quebrada pelo alto gradiente de tensão, com a consequente formação do raio, ocorrendo à neutralização das nuvens.

Existem quatro variedades básicas de descargas atmosféricas, classificadas de acordo com os elementos conectados. São elas:

– Intranuvem: quando a corrente de descarga ocorre dentro da própria nuvem;

– Entre nuvens: quando a corrente de descarga ocorre de uma nuvem para outra;

– Nuvem-estratosfera: a corrente de descarga ocorre da nuvem para a estratosfera;

– Nuvem-solo: a corrente de descarga ocorre entre nuvem e solo. Representa somente 20% do total das descargas atmosféricas.

Nesse último caso, existem ainda duas outras variações: quanto à polaridade (negativa ou positiva) e quanto à direção de propagação do canal (ascendente ou descendente).

As descargas atmosféricas positivas são pouco frequentes, mas são também mais intensas mais demoradas e seus efeitos muito mais devastadores. Na descarga descendente, o canal, na maior parte do percurso, segue em direção ao solo, e na ascendente, sobe em direção à nuvem. Por isso, não é correta a ideia de que o raio ‘cai’. Na verdade, o canal se propaga tanto de baixo para cima quanto de cima para baixo. Aproximadamente 90% das descargas são negativas e descendentes.

Formação de Descargas Atmosféricas

A nuvem típica que se forma durante uma tempestade, a qual é responsável pelas descargas atmosféricas, trovões e raios, é uma nuvem composta por cristais de gelo, gotas d’água, flocos de neve, gotas de água bastante resfriadas e granizo. Essas nuvens são conhecidas por cúmulo-nimbo.

Existem algumas teorias para se explicar o fenômeno das descargas atmosféricas, entre essas, as mais aceitas pelos especialistas afirmam que, durante uma tempestade, correntes ascendentes de ar úmido formam gotas, as quais irão aumentar de tamanho, ao passo que uma gota se choque com a outra, até que a ação da gravidade faça-as precipitarem. As gotas grandes encontram-se, em sua queda, com as gotas pequenas em ascensão, fornecendo lhes cargas positivas e recebendo negativa; assim, a parte superior da nuvem torna-se positiva e a inferior negativa.

Este acúmulo de cargas negativas na parte inferior da nuvem gera um acúmulo de cargas positivas no solo, logo se origina uma diferença de potencial entre a nuvem e o solo que pode chegar até 100 MV durante uma tempestade. À medida que esta diferença de potencial aumenta o campo elétrico também aumenta, até que a rigidez dielétrica do ar seja rompida e a descarga alcance o solo.

Figura 2, Descarga de partículas. Fonte: Blog spot Luís Campos.

A descarga inicia quando o campo elétrico produzido por estas cargas excede a capacidade isolante, também conhecida como rigidez dielétrica, do ar em um dado local na atmosfera, que pode ser dentro da nuvem ou próximo ao solo. Quebrada a rigidez, tem início um rápido movimento de elétrons de uma região de cargas negativas para uma região de cargas positivas.

A corrente elétrica, por sua vez, sofre grandes variações desde algumas centenas