Descargas O fenómeno atmosféricas: e os efeitos

-
SOBRETENSOES
Manuel
Coelho"
Descargas atmosféricas:
O fenómeno e os efeitos
resumo
abstract
Os efeitos destrutivos das sobre tensões têm vindo
a assumir uma posição de destaque nas preocupações
dos responsáveis pela segurança de pessoas e estruturas e pelo bom funcionamento dos equipamentos eléctricos sensíveis aquele fenómeno. Este artigo aborda
sumariamente as origens e os principais efeitos da mais
importante fonte de sobretensões: a descarga atmosférica.
Destructive ejjects 01 overvoliages are seen witli
great concern bv lhe responsibles on lhe saiety 01
persons and structures as well as hy the technicians
owners and users 01 electronic de vices. The scope 01
this paper is LO review lhe elementary pliysical principies and lhe mairi ejjects 01 lhe ,nOSI im port ant
source 01 damageable overvolt ages: lhe lightning.
1
terizarn, nomeadamente,
pelo seu grande desenvolvimento vertical, podendo atingir alturas da ordem dos
12.000 metros acima do nível do solo.
Uma das consequências do desenvolvimento vertical destas nuvens é o elevado gradiente de ternperarura
que existe no seu interior, apresentando uma nuvem
de tempestade média temperaturas da ordem dos 15 a
200e na sua base e de - 50°C na zona dos 12.000
metros acima do solo (fig. 1).
A intensa movimentação do ar no interior da nuvem, resultante do gradiente de temperatura referido,
origina grande número de choques entre gotas de
água e cristais de gelo cm suspensão, resultando, por
processo ainda não perfeitamente conhecido, a libertação de cargas eléctricas que se vão acumulando, conforme a sua polaridade, em zonas verticalmente opostas da nuvem. Na situação BUlis frequente (90 a 950/0
dos casos). a base da nuvem fica carregada negativamente, concentrando-se o conjunto das cargas positivas
correspondentes na sua zona superior.
Introdução
Problema considerado permanentemente actual desde há 200 anos, tem o fenómeno das descargas atmosféricas sido objecto de crescente atenção, a nível internacional, nos últimos tempos.
A extrema sensibilidade às sobretensões dos equipamentos que baseiam o seu funcionamento
na microelectrónica, bem como a extensão e a importáncia
dos serviços que aqueles equipamentos prestam, onde
quer que se encontrem instalados, tem justificado um
notável esforço económico e técnico no sentido de
aumentar o nível de conhecimentos sobre a origem e
os efeitos da principal fonte de sobretensões destrutivas: as descargas atmosféricas.
E objectivo deste primeiro artigo acerca de sobretensões resumir as principais considerações que reflectem o estado do conhecimento actual sobre as origens
físicas do fenómeno e dos seus principais efeitos imediatos.
2-
A situação geradora do fenómeno
2. 1 -
A nuvem de tempestade
De entre as massas nublosas resultantes de situações de instabilidade meteorológica destacam-se as que
são designadas por cumulo nimbus e que se carac-
ELECTRICIDADE
-
N.o 223 - Maio 1986
2.2 -
O campo eléctrico à superfície
O campo eléctrico à superfície da Terra, em coodíções de bonl tempo, é positivo (isto é, dirigido das
(.) Manuel Coelho, Eng. Elect. (FEUP), Sigma Lda., Porto.
167
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2km
Fig. 1 -
Desenvolvimento
de uma nuvem
de tempestade
camadas superiores da atmosfera para o solo), com
uma amplitude da ordem dos 100 V 1m.
A aproximação de uma nuvem de tempestade cuja
base esteja carregada negativamente provoca a inversão do sentido do campo eléctrico e a sua progressiva
intensificação, podendo a respectiva amplitude alcançar facilmente valores da ordem dos 20 kV [ti: à superfície, em zonas de terreno plano.
Sendo sabido que valores de intensidade de campo
eléctrico de 4 kV 1m produzem já uma importante ionização do ar junto de objectos condutores salientes do
solo, a aproximação da nuvem carregada vai originando a emissão de iões (positivos, se a base da nuvem
,
.
esta negativamente carregada, como é mais frequente),
os quais formam pequenas correntes eléctricas ascendentes designadas por «correntes de descarga de ponta» [2].
A velocidade de emissão dos iões positivos referidos é relativamente pequena (da ordem dos 0,5 mls
num campo eléctrico de 3 kV 1m), verificando-se que,
em grande parte dos casos, a corrente de descarga de
ponta associada aos mais diversos objectos salientes
do solo é interrompida, a alturas variáveis, pelos fortes
ventos que acompanham a nuvem. Deste processo
resulta a formação de bolsas de iões positivos que se
vão movimentando aleatoriamente no sentido ascendente, sem manter já continuidade eléctrica com o
objecto a partir do qual foram emitidos.
2.3 -
Nuvem
Evolução a partir da base da nuvem
Embora se verifique, por vezes, a existência de
descargas de desenvolvimento ascendente, isto é, com
início a partir do solo, a situação mais frequente é a
que corresponde ao percurso descendente da descarga,
desde a nuvem até à superfície da Terra.
O processo inicia-se, junto da base da nuvem, pela
168
formação de micro-descargas entre a zona carregada
negativamente e as gotas de água que lhe estão imediatamente adjacentes (fig. 2) [3].
Com efeito, sob a acção do intenso campo eléctrico
existente as gotas de água alongam-se por acção das
forças resultantes de indução electrostática, as quais
obrigam ao máximo afastamento entre as suas cargas
positiva e negativa. Esta nova forma alongada das gotas
de água, agora alinhadas com a direcção do campo
eléctrico, facilita a criação de pequenas correntes de
descarga de ponta que constituem as micro-descargas
referidas.
Quando uma grande quantidade de gotas de água
é sequencialmente submetida ao processo descrito, forma-se um canal ionizado que dá início a uma pré-descarga designada por «traçador» ou «stepped leader», negativa e ligeiramente luminosa, que se movimenta no sentido descendente, por saltos sucessivos
que se crêm orientados pelas bolsas de iões positivos
referidos em 2.2.
No momento em que o traçador descendente encontra um dos fluxos de iões positivos ascendentes que
mantenha ainda continuidade eléctrica com o objecto
ligado à Terra a partir do qual foi emitido, fica estabelecido um canal condutor entre a base da nuvem e o
solo, iniciando-se então a fase mais violenta da descarga. Esta manifesta-se por uma intensa luminosidade
que evolui no sentido ascendente com uma velocidade
média da ordem dos 3,5.107 mi s, sendc designada por
«choque de retorno» (ereturn strocke»). Na maior
parte dos casos este processo é repetido várias vezes
através do mesmo percurso ionizado, com intervalos
da ordem dos 40 ms, sendo variável com a latitude do
lugar o número médio de choques de retorno que compõem a descarga.
A título de exemplo refere-se que o valor mais
frequente de choques de retorno numa única descarga
é de 2 nas regiões temperadas e de 4 nas zonas tropicais, tendo-se, todavia, registado fotograficamente nos
E.V.A. o número excepcional de 26 choques de retorno
numa única descarga [1].
-:-:-:--:-:-:-:--------------+++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++++
Fig. 2 -
Formação
do
canal de descarga
nuvem
ELECTRICIDADE
junto
Solo
à base
da
- N. o 223 - Maio 1986
99,90
99,50
99,00
98,00
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90.00
80,00
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95,00
to. em caso de descargas relativamente próximas. As
consequências
indirectas poderão, contudo, assumir
maior gravidade no caso da pessoa afectada pela perda
de visão temporária conduzir, no momento da deslarga, qualquer veículo animado de velocidade elevada
como, por exemplo, um automox el ou um avião.
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70,00
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3.2 -
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200
1000
L I (kA)
Fig. :> -
3
Curva da distribuição das amplitudes
descarga (Prof. Berger)
da corrente
de
Os efeitos
A intensidade da corrente que circula no canal
ionizado apresenta valores que normalmente se situam
no intervalo entre o milhar e as centenas de milhar
de amperes, representando a figura 3 uma curva da
distribuição das amplitudes respectivas.
Por outro lado, a evolução temporal daquela intensidade de corrente caracteriza-se por um muito curto
tempo de subida (fig. 4), e, consequentemente, por um
elevado valor de di/dt, o que vai fazer com que todo
o comportamento do circuito percorrido pela descarga
passe a reger-se por leis aplicáveis a fenómenos transitórios. E assim que, por exemplo, se verifica nos
condutores do sistema um acentuado efeito pelicular
e que se deve considerar em todos os cálculos a impedância de onda dos condutores ou dos eléctrodos de
terra e não a sua resistência óhmica.
A circulação da corrente de descarga no seu percurso entre a base da nuvem e a Terra origina, pelas
suas características peculiares, um conjunto de efeitos
cujas consequências variam entre a quase inocuidade
e uma enorme capacidade destruidora.
As principais consequências associadas à ocorrência de lima descarga atmosférica podem resumir-se
corno segue.
3.1 -
Efeitos acústicos
Efeitos electroquímicos
Tratando-se
de uma corrente unidireccional
de
grande intensidade, poderia parecer que os efeitos
electroquímicos
exercidos sobre os componentes
do
circuito de descarga mergulhados cm meios eventual"
mente electrolíticos (eléctrodos de terra, por exemplo)
seriam importantes.
Verifica-se. porém, não ser esse o caso, nomeadamente porque o trânsito da corrente de descarga se
processa num tempo muito curto, sendo desprezável o
efeito electroquímico
da descarga atmosférica
na
decomposição das ligações face a outros efeitos de corrosão permanente a que estas se encontram submetidas.
-40 -
-10
L
A intensa luminosidade emitida a partir do canal
de descarga durante a fase de «return stroke» não tem
normalrnente consequências graves. podendo apenas
provocar cegueiras temporárias e totalmente r versíveis, as quais podem prolongar-se por mais de 1 minu-
- N/' 223 -1t1aio
3.3 -
[IcA) •
Efeitos luminosos
ELECfRICIDADE
ruído que surge associado às descargas atmosféricas deve-se fundamentalmente
à descompressão súbita do canal de descarga, quando cessa a passagem da
corrente.
Com efeito, a circulação da elevadíssima corrente
de descarga produz efeitos electrodinârnicos
que se
exercem sobre as moléculas de ar do percurso ionizado,
tendendo a diminuir a secção do canal de descarga e
aumentando assim a sua pressão interna. A este efeito
junta-se a influência de altas temperaturas desenvolvidas em poucos micro-segundos no núcleo do canal de
descarga (temperatura
que se estima em 30.000 K),
o que conduz a uma sobrepressão que atinge as 40
atmosferas num raio de 1 cm a partir do núcleo [1].
Os efeitos do estampido resultante são apenas de
ordem psicológica, tanto mais que o início da perturbação ruidosa apenas se dá após a circulação da corrente de descarga.
1986
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o
50
100
ISO
250
L_
Fig. 4 - E\ olução temporal da corrente numa descarga
tiva (Prof. Berger)
nega-
.69
3.4 -
quente projecção de partículas a alta temperatura. Esta
situação pode tornar-se especialmente perigosa em locais sujeitos a riscos de incêndio ou de explosão.
Efeitos térmicos
a) Influência
da Carga Eléctrica
Na base das mais evidentes manifestações do carácter destrutivo das descargas atmosféricas estão os efeitos térmicos que a circulação da corrente de descarga
• •
ongina.
A elevada carga eléctrica veiculada (que pode atingir as várias centenas de Coulomb), caracterizada pelo
valor de fi dt associado a cada descarga, exerce efeitos térmicos que se manifestam no ponto de «entrada»
da corrente de descarga. Estes efeitos não são normalmente muito gravosos, traduzindo-se, em alguns casos,
na fusão de volumes muito limitados dos elementos
metálicos sobre os quais incide a descarga, nomeadamente quando aqueles elementos apresentam uma forma laminar de pequena espessura ou são constituídos
por pontas muito finas. No quadro I apresenta-se um
conjunto de valores que permite avaliar o efeito térmico do impacto de descargas veiculando diferentes cargas eléctricas, indicando-se, para cada material, o
volume de metal fundido pela energia dissipada e a
correspondente profundidade afectada, considerando
uma zona de incidência com 20 mm de diâmetro. Deve
notar-se que os cálculos foram efectuados admitindo-se
um aquecimento adiabático do volume em causa.
O problema da perfuração de elementos metálicos
em forma de chapa coloca-se nomeadamente no dimensionamento de depósitos de produtos inflamáveis instalados ao ar livre ou no posicionamento e concepção
dos depósitos de combustíveis de aeronaves.
As descontinuidades ou os maus contactos eléctricos existentes ao longo do circuito percorrido pela
corrente de descarga comportam-se, na prática, como
pontos de «entrada» da carga eléctrica atrás referida,
pelo que são de esperar nesses pontos desenvolvimentos de calor que poderão atingir o ponto de fusão dos
metais em presença, com formação de arcos e conseQUADRO I
Volume de metal fundido e profundidade afectada pela Incídência de uma descarga atmosférica em objectos metálicos de
pequena espessura
(Tensão anódica UA'k = cte = 20 V)
fi dt
[As]
FERRO
[rnrnt]
ALUMíNIO
COBRB
[mm]
[rnrnt]
[mm)
[mm)]
[mm]
86
0,3
108
0,4
233
0,7
50 (Normal)
143
0,5
180
0,6
389
1,3
100 (Forte)
287
0,9
359
1,1
771
2,5
861
2,7
1077
3,4
2331
7,4
30 (Moderado)
300
170
(M,to
Forte)
b) Influência
da energia específica
Um outro tipo de efeito térmico causado pela corrente de descarga é o que vem associado à chamada
«energia específica» (f 17. dt), a qual é definida como
sendo a energia dissipada pela corrente de descarga
numa resistência de 1 U.
Não sendo desprezável a resistência do conjunto
de elementos que constitui o circuito de descarga, verifica-se naturalmente um aumento de temperaturas dos
condutores daquele circuito, o qual não é, no entanto,
susceptível de pôr em risco a sua integridade dado o
normal sobredimensionamento daqueles elementos, por
razões de ordem mecânica. A título de exemplo poderá
referir-se que a circulação da corrente de descarga
com maior energia específica até hoje detectada (107
A2.s) através de um condutor de ferro galvanizado com
50 mm' de secção produzirá um aumento d.a temperatura deste condutor da ordem dos 200 K [4].
Já no que se refere à circulação da corrente de descarga através de elementos pouco condutores tais como
madeira ou pedra húmida, por exemplo, os efeitos do
desenvolvimento do calor devido à energia específica
vêm substancialmente agravados. Neste caso, o alto
valor da resistência óhmica faz com que a energia dissipada (W = R f z'2 dr) se torne de tal forma elevada
que se verifica a vaporização praticamente instantânea
da água contida na madeira ou na pedra, provocando a
sua explosão e a projecção dos fragmentos, com eventual risco de incêndio.
3.5 -
Efeitos electrodinâmicos
A circulação das elevadas correntes de descarga
através de condutores paralelos e relativamente próximos origina esforços mecânicos em ambos os condutores, os quais tendem a aproximar-se. Como é sabido,
a força exercida é directamente proporcional ao quadrado da corrente e inversamente proporcional à disp.
tância entre condutores: F = 20 - expressa em N[t»,
d
com I em kA e d medido em cm.
Para o posicionamento normal dos condutores num
sistema de protecção, com afastamentos entre condutores relativamente grandes, o problema dos efeitos
electrodinâmicos não é normalmente de considerar.
Deverá, contudo, ser tomado em conta nos casos em
que se verifique a existência de duas vias de descarga
de corrente com um afastamento mútuo inferior a
1 metro.
ELECTRICIDADE
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N.o 223 -
Maio 1986
A título de exemplo pode referir-se que a circulação de uma corrente de descarga de 100 kA atrav és
de dois condutores paralelos afastados de 0,5 metros
origina uma força de atracção entre condutores da
ordem dos 400 daN por metro.
3.6 -
4
A descrição muito sumária do fenómeno das oescargas atmosféricas que acaba de ser efectuada pretende apenas recordar aos técnicos envolvidos em
problemas de proteccão contra sobretensóes os principais aspectos físicos a considerar sendo o seu objectivo
principal preparar o leitor para uma VIsão global da
filosofia da protecção integrada que será desenvolvida
, .
.
em próximos artigos.
Das considerações produzidas é de sublinhar o
carácter extremamente aleatório do fenómeno. tanto no
que se refere no seu desenvolvimento
inicial corno
sua intensidade presumível e aos seus efeitos esperados,
o que conduz à necessidade de conceber as diferentes
partes do sistema integrado de protecção de urna forma
individualizada e ajustada às exigências especificas de
cada objecto ou instalação a proteger.
Efeitos devidos à indução electromagnética
Pelas características de evolução temporal da corrente de descarga e, nomeadamente,
devido ao muito
elevado gradiente da respectiva frente de onda, a descarga atmosférica exerce nas imediações do seu percurso e até distâncias da ordem do milhar de metros
uma acentuada influência electromagnética,
podendo
originar o aparecimento
de tensões induzidas muito
elevadas em conjuntos de elementos condutores que
possam constituir circuitos fechados. E o caso, por
exemplo, dos circuitos eléctricos ou de telecomunicações instalados em edifícios ou no exterior, nos quais
podem ser induzidas tensoes da ordem dos muitos
milhares de volt, com efeitos destrutivos muito graves
para os equipamentos alimentados por aqueles circuitos.
O problema põe-se com crescente actualidade dada
a extrema sensibilidade dos componentes electrónicos
às sobre tensões de qualquer origem c ao papel cada
dia mais importante que a microelectrónica
desernpenha em quase todas 8S actividades modernas.
PROTECÇAO
Conclusão
à
REFER~NCIAS
[1]
[2]
[3]
R. H. GOLDE.
l.iglitning Protection, Edward
rnold,
Lda., London. 1973
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BIBLIOGRÁFICAS
Press, Lda,
HASSE -
Erdung,
WI[Sl~GER.
Pf1aum Verlag,
ESTUDOS
•
PROTECÇÃO
DE EDIFfCIOS
•
PROTECÇÃO
DE EQUIPAMENTOS
Handbuch [iir Blitzschuts
VDE-Vcrlag.
E PROJECTOS
E ESTRUTURAS
SENSrVEIS
CONTRA
AS
DESCARGAS
ATMOSFERICAS
SOBRETENSOES
, 2-7 -
SOCIEDADE
DE
INSTALAÇÃO
RUA FARIA GUIMARÃES. 100-137
«XO PORTO
PORTUGAL
ELECTRICiDADE
und
SOBRETENSÕES
CONTRA
•
London.
- N:" 223 - Maio 1986
GERAL
DE
ACESSÓRIOS
FIXAÇÃO
DE
8 -
ELÉCTRODOS DE
TERRA E HASTES
DE CAPTURA
9-
APARELHOS
DE
PR OTECÇÃO INTERIOR CONTRA
SOBRETENSOES
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20 58 P P C A..
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