Relâmpago: Preâmbulo

O único objetivo desta apresentação sobre relâmpagos é fornecer uma visão geral prática dos vários aspectos práticos da proteção contra relâmpagos para instalações e equipamentos utilizados na indústria.

Evidentemente, a proteção das pessoas continua a ser a principal preocupação de todos os gestores.

No entanto, este é um domínio para especialistas, e os organismos de inspeção das instalações eléctricas desempenham esse papel com competência.

Limitar-nos-emos, portanto, ao aspeto material do tema dos raios , ainda que, por vezes, seja esboçado um olhar sobre o aspeto da proteção pessoal.

Danos: Em França: vários milhões de raios por ano (sobretudo em períodos de temperaturas elevadas).

Os raios por vezes matam e sobretudo causam danos, muitas vezes espectaculares:

- Pessoas e animais atingidos por um raio,

- Dezenas de edifícios destruídos,

- Equipamento eletrónico danificado, electrodomésticos, etc,

- Avarias nos sistemas automáticos.

A dimensão dos danos reflecte tanto a força do fenómeno como a falta de atenção dada aos métodos de proteção.

"Não há nada que se possa fazer em relação aos relâmpagos".

É uma ideia muito comum, mas particularmente falsa. Uma abordagem resolutamente técnica só nos pode convencer do contrário:

"É claro que podemos sempre proteger-nos dos efeitos dos raios.

O primeiro passo é considerar o raio como um acontecimento físico clássico e não mais como uma intervenção divina ou sobrenatural.

Isto tirar-nos-á do domínio da superstição e levar-nos-á ao domínio do racionalismo.

Em seguida, tentaremos destacar os factos e caraterizar a ação do raio.

O relâmpago, um fenómeno físico:

Assim, se o relâmpago é um fenómeno físico, deve ser possível estudá-lo. Muitas pessoas talentosas, nomeadamente em França, têm-se dedicado brilhantemente a esta tarefa. Os seus trabalhos permitem tirar as seguintes ilações:

- Processo de descarga de raios

- Áreas expostas

- Onda de choque

- Propagação de ondas

- Os efeitos dos raios

Processo de descarga de raios :

Os relâmpagos só ocorrem na presença de nuvens cumulonimbus. Estas nuvens têm uma massa vertical particularmente grande e podem atingir alturas entre 2 e 14 km. As diferenças de temperatura entre as partes superior e inferior das nuvens provocam uma intensa circulação do ar (atividade termodinâmica).

A fricção faz com que as partículas em movimento se tornem eletricamente carregadas, e estas cargas acumulam-se nas extremidades verticais das nuvens. Como resultado, o ambiente, incluindo o solo, torna-se polarizado no sentido oposto ao da nuvem mais próxima.

Os golpes de relâmpago Uma fotografia de relâmpago diz-se que é negativa quando a parte negativa da nuvem está a descarregar, e positiva quando não está.   

Diz-se que um raio é descendente quando o precursor começa na base da nuvem, e ascendente se o precursor termina na base da nuvem.

Sob a influência destas cargas, surgem campos eléctricos, tanto entre as nuvens e a terra como entre as nuvens.

Os valores destes campos podem atingir várias dezenas de kV/m.

As impurezas no ar e a humidade ambiente durante as trovoadas conduzem a um aumento local dos campos eléctricos e a uma redução das tensões de ignição.

As descargas electrostáticas são então produzidas dentro destes diferentes dipolos.

Inicia-se o processo de quitação.

Assim, o processo de descarga inicia o seu ciclo a partir do momento em que ocorre a primeira rutura de isolamento entre a base da nuvem e qualquer ponto do seu ambiente.

Depois, em saltos sucessivos de 50 a 100 metros, uma parte da carga da nuvem é transferida para o ponto de impacto. Estas "pré-descargas" traçam um caminho altamente ionizado chamado traçador ou precursor.

O trajeto do traçador é muito irregular. À medida que avança, o gradiente de potencial (campo elétrico) aumenta, dando lugar a numerosas ramificações. Na proximidade de objectos, edifícios ou qualquer outro elemento suscetível de servir de vetor de dissipação da energia do raio, as faíscas (descarga de captação) disparam e vão ao encontro do precursor.

O percurso ionizado entre o ponto de impacto e a nuvem é então completamente traçado.

A diferença de potencial ao longo deste trajeto atinge algumas centenas de milhões de volts, fluindo imediatamente uma corrente de intensidade considerável, conhecida como primeiro curso de retorno, descarga principal ou arco de retorno.

O valor de pico da corrente de descarga varia entre algumas dezenas de kA (40 kA em média) e um máximo de cem kA para descargas atmosféricas negativas descendentes.

Na Europa, onde o clima é temperado, são responsáveis por 80-90% dos choques.

Os choques positivos ascendentes podem atingir intensidades de várias centenas de kA.

Vários arcos de retorno, uma média de 4 por flash, seguem-se uns aos outros durante um período de 500 ms a 1 s.

Zonas expostas a raios

Para dar uma ideia mais clara do grau de exposição de uma zona geográfica, é atualmente prática corrente utilizar o conceito de nível ceráunico, consagrado na norma NF C15 100. O nível ceráunico, que indicava, para um dado local, o número de dias em que se ouviam trovões num ano, está a ser cada vez mais substituído pelo número médio de choques por km². A relação entre estes dois conceitos varia entre :

Nc = Nk / 10 e Nk/20

O nível keraúnico em França pode atingir 35, o que significa que 3 a 4 choques por km² afectam todos os anos as zonas mais expostas do nosso país.

Para que conste, a Indonésia tem níveis keraúnicos de 200! É evidente para todos que estas tentativas de medir a intensidade das tempestades de uma zona não reflectem as realidades específicas de um determinado local. Há uma série de aspectos adicionais a este facto, que analisaremos mais adiante.

Onda de choque

Para facilitar os estudos, as análises, os testes e as comparações, é essencial utilizar referências comuns a todas as partes interessadas.

Para caraterizar a resistência ao raio dos equipamentos e as tensões de disparo dos dispositivos de proteção contra o raio, foi normalizada a onda de choque do raio. É comummente designada por onda: 1.2 / 50 8 /20

Tem um espetro de frequência muito amplo, desde frequências muito baixas até mais de 1 MHz.

A onda de tensão: - Sobe em 1,2 µs (de 10% a 90% de U) - Quando a tensão disruptiva (tensão de disparo) é atingida (100% de U), a onda de corrente aparece e desce em 50 µs (50% de U). A onda de corrente: - Aumenta em 8 µs (de 10% a 90% de I) - Diminui em 20 µs (50% de I). - É responsável pela destruição dos equipamentos por efeito térmico.

Propagação de ondas

A descrição do processo de descarga apresenta o conjunto nuvem/terra como um dipolo que se descarrega após sucessivas iniciações de cupões.

Para definir as circunstâncias que favorecem a descarga deste imenso condensador, é necessário analisar as razões pelas quais um choque ocorre num determinado local. Entre os factores que favorecem a descarga estão

- A distância que separa as cargas(= entre a nuvem e o solo): Quanto mais pequena for a distância, mais fácil é a iniciação. O maior número de impactos é sempre registado nas zonas montanhosas.

- A natureza do solo: quanto mais condutor for, maior será a carga. As regiões mineiras, carboníferas e ferrosas, mesmo em zonas planas, estão mais expostas, tal como as grandes superfícies de água.

- A topografia dos locais , como os vales, favorece a circulação dos ventos e provoca a ionização do ar, mais aqui do que ali, criando passagens de baixa impedância.

- A presença de antenas longas (cabos aéreos de alta tensão) ou de estruturas altas, com ou sem efeito de pico, é um fator importante de desencadeamento.

O trajeto do traçador através dos talões não é, portanto, uma questão de acaso; ele segue sempre o caminho mais fácil. Como se trata de um fenómeno elétrico, o caminho mais fácil é aquele que tem a menor impedância. É importante falar aqui de impedância e não apenas de resistência, porque as frequências da onda de choque são, como vimos, superiores a MHz.

Lembre-se que a impedância de um circuito é diretamente proporcional à sua resistência e à frequência a que está sujeito, e inversamente proporcional à sua capacitância.

Na análise dos métodos e meios de proteção de que aqui se trata, a terra é sempre o destino final do raio, ainda que os raios aéreos (entre nuvens) sejam os mais numerosos. Esta simplificação deliberada da propagação da onda de choque permite-nos, em termos concretos, vislumbrar as formas de proteção e também estabelecer uma regra simples para os não especialistas que desejem compreender o fenómeno para controlar o seu próprio sistema de proteção:

Um raio vai sempre para a terra e segue o caminho de menor impedância.

Os efeitos dos raios

Existem dois tipos de raios , consoante os seus efeitos e os meios de proteção contra eles:

Impacto direto :

Trata-se de choques que caem diretamente sobre um objeto ou um ser vivo e depois caem na terra.

Impacto indireto :

um objeto ou ser vivo que é afetado pela passagem de uma corrente, mesmo que não tenha sido atingido por um raio.

Esta corrente flui quer porque um condutor transporta a sobretensão do ponto de impacto para o ponto de fluxo, quer porque foi propagada por acoplamento indutivo, eletrostático ou eletromagnético.

Os efeitos de um choque que atinja diretamente um equipamento ou um edifício não precisam de ser detalhados. Os efeitos dos choques indirectos nem sempre são identificados como sendo devidos a uma descarga atmosférica.

Por exemplo, os efeitos electrostáticos num aparelho não são precedidos pelo ruído caraterístico de um relâmpago e, por conseguinte, não estão associados à atividade de uma trovoada.

As energias envolvidas podem ser suficientes para causar danos imediatos em componentes que serão destruídos um pouco mais tarde.