Correntes e tensões induzidas interna e externamente em prédios atingidos por raios – parte 2

Continuamos nesta edição a reproduzir um artigo do professor Antônio R. Panicali, da Proelco, e colaboradores* sobre correntes e tensões induzidas interna e externamente em prédios atingidos por raios. O trabalho foi originalmente apresentado no evento ENIE-2018.

Falando um pouco sobre raios

Raios são impulsos de corrente, extremamente rápidos (tempos de subida variando entre 0,1 us e 10 us) podendo envolver correntes de pico de dezenas ou mesmo centenas de kAs. Resultam da conexão entre o solo e nuvens eletricamente carregadas (Cúmulos Nimbos), através de canais condutores resultantes da ionização do ar, face ao surgimento de campos elétricos extremamente fortes (>>1 MV/m).

Há várias décadas, pesquisadores em todo o mundo vêm coletando informações que permitam a caracterização dos impulsos de corrente injetados pelos raios nas estruturas. Tais estudos são feitos com base em medições de campos eletromagnéticos e de correntes em torres metálicas instaladas no topo de morros ou em edificações altas (CN Towers-Canadá) de modo a aumentar a probabilidade de serem atingidas por descargas, figuras 2a e 2b.

Complementarmente, algumas pesquisas envolvem o lançamento de pequenos foguetes que, na presença de nuvens carregadas, desenrolam verticalmente trechos de fios condutores na expectativa de provocarem o surgimento de líderes ionizados entre o solo e as nuvens: instrumentação específica instalada nesses locais permite o registro das formas de onda de corrente resultantes.

Os dados coletados durante muitos anos de observações permitiram grupar as características básicas das descargas, definidas pelas suas polaridades (positivo-negativa), descargas simples ou múltiplas e pela presença ou não de “componentes longas”. A figura 3 resume as principais formas de onda, e alguns valores típicos de correntes de pico, tempos de subida e de decaimento, conforme a NBR-5419 (2015) parte-1.

À exceção das componentes longas, todos os impulsos se caracterizam por tempos de subida curtos (<2 us), seguidos de tempos de decaimento muito maiores (>10 us). A figura 4 [  ] mostra a distribuição espectral dos diferentes tipos de descargas a serem considerados num projeto de proteção nível 1 [  ]: como indicado, descargas subsequentes negativas envolvem componentes até  cerca de 10 MHz, correspondendo a um comprimento de onda l= 30m.

Ora, sabe-se que, estruturas lineares com dimensões acima de l/4, no caso >7,5m, podem apresentar fenômenos de ressonância e de antirressonâncias, nas quais as tensões e correntes envolvidas podem ser fortemente acentuadas como será discutido nas seções seguintes quando abordarmos as tensões externas e internas em edificações atingidas por raios. Como será mostrado, mesmo para edificações com poucos andares, fenômenos de ressonância podem resultar em tensões elevadas oscilantes entre SPDA e ferragens estruturais, resultando em possíveis centelhamentos entre essas estruturas! Como descrito na Seção-4, fenômenos análogos podem igualmente afetar instalações elétricas internas, tais como prumadas.

2 – Correntes em ferragens estruturais e tensões dentro de um prédio atingido por raio

As figuras 5 e 6 mostram respectivamente a fachada e as ferragens internas de um pequeno edifício com 11 pavimentos.

Tanto as ferragens como o solo foram modelados como condutores perfeitos, tendo o raio sido simulado por indutores e resistores distribuídos ao longo do canal, respectivamente com 8,5 uH/m e 0,5 Ohm/m, de modo a levar em conta a velocidade reduzida com que os impulsos de corrente se propagam ao longo dos canais ionizados das descargas atmosféricas.

A corrente injetada no prédio, no ponto de contato, foi ajustada para 20kA de pico em 1 MHz, equivalente à derivada temporal de 125 kA/us, ultrapassada por 10% das descargas subsequentes negativas [  ].

Consideraremos duas situações possíveis: incidência numa quina do prédio e outra no centro. Como será visto, na incidência na quina a distribuição de corrente fica concentrada nas proximidades da coluna diretamente atingida, resultando em tensões mais elevadas induzidas internamente nas suas proximidades. Vale lembrar que, em edificações com alguns pavimentos e sem estruturas mais altas na parte superior (antenas, casas de máquina etc.) as quinas serão as mais atingidas por raios.

Ao atingir uma edificação na borda ou, mais especificamente, numa quina do prédio, a corrente do raio se propaga pelas ferragens estruturais, assim como pelas instalações elétricas até serem dissipadas no solo por meio de malhas de aterramento, concentrando-se porém nas proximidades da coluna atingida, figuras 6 e 7. Nesse processo, inundam as instalações com impulsos de campo magnético induzindo tensões elevadas nos eventuais loops de condutores, figuras 8, 9 e 10.

Já as figuras 11 e 12 mostram, respectivamente, a distribuição de corrente e as tensões induzidas internamente quando ocorre incidência na parte central da cobertura da edificação. Nesses casos, a corrente tende a distribuir-se, predominantemente, em direção à periferia da edificação, atenuando mais rapidamente os efeitos na parte internas.

Finalmente, chama à atenção as tensões elevadas que podem surgir nas prumadas verticais dependendo do posicionamento das mesmas.

*Por: Antônio R. Panicali, Proelco; C.F. Barbosa, CPqD;  J.C.O.Silva, APTEMC; e N.V.B Alves, Termotécnica