Proteção contra raios: Estratégias de proteção 2/3

PROTECÇÃO CONTRA DESCARGAS ATMOSFÉRICAS INDIRECTAS

Estamos a falar de sobretensões, ligadas a raios, que atingem os equipamentos através de condutores portadores de sobretensões, ou por efeito de indução.

A indução, ligada ao raio, provoca sobretensões em circuitos abertos, que conduzem a ignições, geralmente em modo comum (em relação à terra), e fluxos de corrente em circuitos fechados, que são destrutivos por efeito térmico.

Impacto indireto e isolamento

Um exemplo ideal desta estratégia seria um equipamento alimentado autonomamente por baterias ou painéis solares, comunicando com o mundo exterior apenas por rádio, GSM ou satélite. Os sensores ou actuadores seriam exclusivamente locais, sem qualquer referência, mesmo indireta, à Terra. Todos os materiais que contêm a eletrónica seriam isolantes e os condutores eléctricos não formariam um circuito. Assim, apenas as sobretensões de modo diferencial poderiam perturbar este sistema. Não haveria terra a ligar. Mas, na realidade, estes casos são extremamente raros.

A proteção das pessoas exige frequentemente a presença de um sistema de ligação à terra, uma vez que existem massas metálicas e, por conseguinte, surgem diferenças de potencial nas instalações. No entanto, a existência de sistemas de ligação à terra não exclui a possibilidade de utilizar as vantagens oferecidas pela estratégia de isolamento.

Isolamento das fontes de alimentação

A alimentação autónoma de equipamentos sensíveis, utilizando baterias ou painéis solares, evita a chegada de descargas atmosféricas significativas através da rede de distribuição de energia, que é um dos principais vectores de descargas atmosféricas. No entanto, se a rede eléctrica tiver de ser utilizada, a estratégia de isolamento pode ainda ser implementada:

- Isolamentotemporário ,

- Isolamentopermanente .

Isolamento temporário :

Moinho de campo: Já vimos os inconvenientes práticos destes sistemas (peso, custo, etc.). Um inconveniente importante exclui-o geralmente como solução:

Os moinhos de campo são difíceis de ajustar:

- demasiado baixo, accionam alarmes indesejados,

- demasiado elevado, são ineficazes.

Isolamento permanente :

o transformador de isolamento : Por razões de custo, os meios utilizados para isolar são geralmente reservados para instalações de baixo consumo.

Estes são :

-Transformadores de isolamento

-Condicionadores de rede, que combinam um transformador de isolamento e um regulador de tensão.

Absorvedores de onda, constituídos por umpara-raios , um indutor e um transformador de isolamento.

Utilizado isoladamente ou em combinação com outros componentes, o transformador de isolamento é o componente chave nos processos de proteção de isolamento.

A partir do momento em que as frequências a proteger ultrapassam os 100 kHz, o isolamento galvânico deixa de ser suficiente (é o caso do raio), sendo necessário utilizar um transformador de isolamento com blindagem. Neste caso, a blindagem é ligada à terra e à terra do transformador por ligações tão curtas quanto possível.

Podem ser obtidos bons resultados sem um ecrã, mas isso requer capacitâncias muito baixas entre o primário e o secundário. Para garantir a proteção do pessoal, quando é utilizado um transformador de isolamento, devem ser aplicados os requisitos da norma NFC 15-100 sobre circuitos separados.

Isolamento na rede telefónica

As linhas telefónicas são separadas galvanicamente utilizando produtos específicos como Mimosa, Isolitel ou outros tradutores. Estes equipamentos são geralmente caros e os dois primeiros só podem ser utilizados em linhas analógicas. Os tradutores de banda larga também podem ser utilizados em linhas digitais.

Isolamento e transmissão de sinais

A transmissão de informação entre dispositivos através de fios apresenta um risco significativo de destruição por raios .

Para introduzir a separação galvânica, usamos à ar ou luz como meio de transmissão.

 Separação do ar: Relés, transformadores e rádios

-Relaying de linhas de transmissão: a eficiência depende do isolamento dos contactos do relé, geralmente abaixo de 2000V, e das capacitâncias parasitas.

Um isolador galvânico baseado num transformador pode ser utilizado para sinais analógicos. O princípio consiste em transformar o sinal analógico de entrada numa frequência e, em seguida, fazer o inverso depois de passar pelo transformador.

-No caso das transmissões radioeléctricas, o ar, o meio de transmissão, isola o emissor do recetor. No entanto, é necessário proteger localmente estes instrumentos e assegurar que as antenas estão isoladas da rede de terra e das terras. Caso contrário, funcionam como para-raios.

Separação ótica: optoacoplador e fibra ótica

Em ambos os casos, o processo envolve a transformação de um sinal elétrico num sinal ótico. Podemos então comunicar através de um meio transparente isolado eletricamente.

-O optoacoplador é um componente eletrónico colocado na entrada e/ou na saída de cartões electrónicos.

Esta solução apresenta uma série de inconvenientes no que diz respeito à proteção contra os raios: a distância entre o emissor e o recetor de luz é necessariamente pequena, uma vez que estão incluídos no mesmo componente; isolamento reduzido (2000V); existência de capacitância parasita; para preservar a separação da luz, as fontes de alimentação dos díodos, emissor e recetor do mesmo canal, devem ser diferentes.

Quando existem vários optoacopladores na entrada de um dispositivo, a alimentação dos díodos de emissão é geralmente comum a todos os optoacopladores. Se houver um defeito de modo comum numa destas entradas, a alimentação liga-se às outras entradas. A informação recebida pode, portanto, ser distorcida.

-A fibra ótica oferece um isolamento sem igual, devido à distância que separa o emissor e o recetor da luz. A fibra, que é utilizada para transmitir informações digitais, evita os problemas dos pontos de alimentação comuns encontrados nos acopladores ópticos. Estão disponíveis fibras blindadas para proteção mecânica. Se a blindagem for metálica, o isolamento obtido corresponde à maior distância entre uma das suas extremidades e a terra do local onde se encontra. O valor da fibra pode, portanto, ser posto em causa. Embora o isolamento de circuitos seja uma estratégia atractiva para a proteção contra o raio devido à sua aparente simplicidade, os limites encontrados na sua aplicação obrigam-nos a considerar as possibilidades oferecidas pela estratégia de fluxo.

Descargas atmosféricas indirectas e fluxo

Se não for possível isolar suficientemente os equipamentos sensíveis da terra local para que fiquem protegidos de descargas atmosféricas indirectas , devem ser protegidos contra descargas atmosféricas instalando módulos para-raios ou protectores contra sobretensões nas ligações com fios.

Quando ocorre uma sobretensão, estes módulos drenam a corrente de sobretensão para a terra. Para que a proteção contra o raio por fluxo seja eficaz, é necessário prestar especial atenção aos três domínios seguintes: Qualidade da cablagem da instalação e, especialmente, da rede de terras, -Imunidade dos equipamentos electrónicos, -Rendimento da proteção do para-raios , Qualidade da cablagem, rede de terras A cablagem e a rede de terras devem ser objeto de especial atenção para conseguir a plena eficácia dos produtos utilizados para proteger uma instalação contra o raio . Com a ajuda da norma C 15-100, começaremos por definir os diferentes termos utilizados quando se fala de proteção, nomeadamente :

- rede de terra, - rede de solo,

- elementos estranhos.

O sistema de ligação à terra é constituído por um conjunto de condutores subterrâneos em contacto direto com o solo e interligados eletricamente. Para uma instalação de pequena dimensão, utiliza-se o termo" sistema de ligação à terra" . O termo "rede de terra" é mais comummente utilizado para instalações de grande dimensão. A rede de terra é constituída por todos os condutores passivos, não enterrados, que ligam entre si os invólucros metálicos dos equipamentos. Não está necessariamente ligada à terra. Pode ser ligada acidentalmente às partes activas do circuito devido a um defeito no isolamento dos condutores activos.

Os elementos estranhos são os susceptíveis de introduzir um potencial, geralmente o da terra, e que não fazem parte da instalação eléctrica. Trata-se, por exemplo, das partes condutoras visíveis ou invisíveis dos edifícios, das canalizações de água, de gás e de aquecimento, bem como dos aparelhos não eléctricos ligados a essas canalizações (radiadores, lava-loiças metálicos, etc.).

 Qualidade da cablagem da instalação, nomeadamente do sistema de ligação à terra

Rede terrestre

A função do sistema de ligação à terra é, por um lado, garantir a segurança das pessoas e, por outro, proteger as instalações contra raios. Permite a passagem de correntes de todas as origens através da terra: correntes de defeito de 50 Hz, correntes do sistema TT ou TN ou correntes de raios. Fixa o potencial de referência da instalação. A baixas frequências ou para as correntes transitórias com variações lentas, a terra pode ser considerada resistiva. O seu valor dependerá então da forma dos elementos que a compõem, das condições de instalação e da resistividade do solo. Isto é verdade até algumas dezenas de Hz.

A partir de algumas centenas de Hz, a impedância dos condutores torna-se principalmente indutiva e varia proporcionalmente à frequência. Face a uma variação rápida da corrente, esta impedância de terra pode ser superior à sua resistência a baixas frequências.

No caso do fluxo de correntes de raios, as caraterísticas dos sistemas de ligação à terra devem ser determinadas para correntes que podem atingir uma centena de kilo Amperes e para frequências que podem exceder um megahertz.

Tomadas de terra

É geralmente constituído por : -um cabo contínuo que envolve o edifício onde se encontra a instalação eléctrica. -um condutor longo enterrado numa vala. Um metal nu em contacto direto com a terra. -O condutor longo é por vezes substituído por uma estaca cravada verticalmente no solo. Os melhores resultados são obtidos na camada superficial da terra, razão pela qual um condutor longo é preferível a uma estaca vertical. A qualidade das ligações e a resistência à corrosão são as qualidades de instalação a privilegiar. Um valor baixo de resistência de terra é necessário para a proteção das pessoas, mas para a proteção contra os raios , este valor não é crucial. Uma resistência muito baixa facilita a proteção, mas é preferível fazer um esforço para obter uma rede equipotencial e contentar-se com valores de terra inferiores a 50 Ω. As medições efectuadas em descargas atmosféricas reais e com geradores de raios demonstraram que uma "estrela" de duas ramificações tem uma impedância menor a alta frequência que um cabo reto enterrado horizontalmente e com o mesmo comprimento. Embora o comprimento do cabo utilizado para fazer uma ligação à terra tenha muito pouca influência na sua impedância, a resistividade do solo e a frequência da onda de choque influenciam esta impedância na proporção da sua raiz quadrada. Estas caraterísticas levam à utilização da chamada forma de "pé de galinha" para os condutores de descida do para-raios.

Equipotencialidade das terras e dos solos

A equipotencialidade das diferentes entradas de terra na mesma instalação determina a eficácia da proteção contra o raio . Em primeiro lugar, é necessário definir o conceito de "terra de referência" ou "terra remota", que se situa longe do ponto de entrada na terra da corrente do raio e cujo potencial se define como zero.

O fluxo de corrente após um golpe de relâmpago pela terra provocará uma subida de potencial das terras locais, porque estas não são perfeitas. Esta subida de potencial pode ser representada por impedâncias colocadas entre o ponto de medição de referência e o ponto de ligação à terra da instalação.  

Considere uma instalação com duas ligações à terra separadas:

Uma, denominada A, para proteção contra raios é percorrida pela corrente do raio Ia.

A outra, designada por B, diz respeito a equipamentos electrónicos e tem uma corrente residual Ib a percorrê-la.

Se Za e Zb são as impedâncias dos pontos de ligação à terra em relação à terra local, e Zc é a impedância entre a terra local e a terra distante, podemos calcular a subida de potencial da terra B em relação à terra A para um raio de intensidade Ia e corrente residual Ib.