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Protegendo os sistemas elétricos e eletrônicos internos em edificações

NBR 5419-4 de 05/2015: a proteção dos sistemas elétricos e eletrônicos

A NBR 5419-4 de 05/2015 – Proteção contra descargas atmosféricas – Parte 4: Sistemas elétricos e eletrônicos internos na estrutura fornece informações para o projeto, instalação, inspeção, manutenção e ensaio de sistemas de proteção elétricos e eletrônicos (Medidas de Proteção contra Surtos – MPS) para reduzir o risco de danos permanentes internos à estrutura devido aos impulsos eletromagnéticos de descargas atmosféricas (Lightning Eletromagnectic Impulse – LEMP). Não cobre a proteção total contra interferências eletromagnéticas devido às descargas atmosféricas, que podem causar mau funcionamento de sistemas internos. Entretanto, as informações relacionadas no Anexo A podem reduzir, de forma satisfatória, os danos aos equipamentos e também ser usadas para avaliar tais perturbações. Medidas de proteção contra interferências eletromagnéticas estão relacionadas também na NBR 5410 e na série IEC 61000. Não trata em detalhes do projeto dos sistemas elétricos e eletrônicos em si.

As descargas atmosféricas como fontes de danos são fenômenos de altíssima energia. Descargas atmosféricas liberam centenas de megajoules de energia. Quando comparadas com os milijoules que podem ser suficientes para causar danos aos equipamentos eletrônicos sensíveis em sistemas eletroeletrônicos existentes nas estruturas, fica claro que medidas adicionais de proteção são necessárias para proteger alguns destes equipamentos.

A necessidade desta norma justifica-se pelo crescente custo associado às falhas de sistemas eletroeletrônicos causadas pelos efeitos eletromagnéticos das descargas atmosféricas. Particularmente importantes são os sistemas eletrônicos usados no armazenamento e processamento de dados, assim como no controle e segurança de processos para plantas de considerável investimento, tamanho e complexidade (para as quais as consequências são muito indesejáveis por razões de custo e segurança).

As descargas atmosféricas podem causar diferentes tipos de danos em uma estrutura, como definido na NBR 5419-1: D1 danos aos seres vivos por choques elétricos; D2 danos físicos (fogo, explosão, destruição mecânica, vazamento químico) devido aos efeitos da corrente das descargas atmosféricas, incluindo centelhamentos; D3 falhas de sistemas internos devido ao LEMP. A NBR 5419-3 trata das medidas de proteção para reduzir os riscos de danos físicos e perigo de vida, mas não cobre a proteção de sistemas elétricos e eletrônicos.

Esta Parte fornece as informações sobre as medidas de proteção para reduzir os riscos de dano permanente de sistemas eletroeletrônicos existentes nas estruturas. Danos permanentes nos sistemas eletroeletrônicos podem ser causados pelo impulso eletromagnético da descarga atmosférica (LEMP) por meio de: surtos conduzidos ou induzidos transmitidos pelos cabos conectados aos sistemas; os efeitos dos campos eletromagnéticos radiados diretamente para os próprios equipamentos.

Surtos na estrutura podem se originar de fontes externas ou internas à própria estrutura: surtos com origem externa à estrutura são criados por descargas atmosféricas que atingem as linhas entrando na estrutura, ou o solo próximo a elas, e são transmitidos aos sistemas elétricos e eletrônicos dentro da estrutura por meio destas linhas; surtos com origem interna à estrutura são criados por descargas atmosféricas que atingem a própria estrutura ou o solo próximo a ela.

Os surtos podem também se originar internamente à estrutura por efeitos de chaveamento, como, por exemplo, o chaveamento de cargas indutivas. O acoplamento pode surgir por diferentes mecanismos: acoplamento resistivo (por exemplo, a impedância do subsistema de aterramento ou a resistência da blindagem dos cabos); acoplamento pelo campo magnético (por exemplo, causado pelos laços formados pelos cabos dos sistemas elétricos e eletrônicos ou pela indutância dos condutores de equipotencialização); acoplamento pelo campo elétrico (por exemplo, causado pelos mastros metálicos das antenas de recepção).

Os efeitos do acoplamento pelo campo elétrico são geralmente muito pequenos quando comparados ao acoplamento pelo campo magnético e podem ser desprezados. Os campos eletromagnéticos radiados podem ser gerados por: corrente elétrica que flui no canal das descargas atmosféricas diretas; corrente parcial da descarga atmosférica fluindo nos condutores (por exemplo, nos condutores de descida de um SPDA externo de acordo com a NBR 5419-3 ou em uma blindagem espacial de acordo com esta parte da norma).

Os sistemas elétricos e eletrônicos estão sujeitos a danos devido a impulsos eletromagnéticos causados pelas descargas atmosféricas (LEMP). Portanto, para evitar danos nos sistemas internos, é necessária a adoção de MPS. A proteção contra LEMP é baseada no conceito de zonas de proteção contra raios (ZPR): o volume contendo sistemas que devem ser protegidos deve ser dividido em ZPR.

Estas zonas são teoricamente associadas à parte do espaço (ou de um sistema interno) onde a severidade do LEMP é compatível com a suportabilidade dos sistemas internos existentes (figura abaixo). As sucessivas zonas são caracterizadas por significativas mudanças na severidade no LEMP. A fronteira de uma ZPR é definida pelas medidas de proteção empregadas (figura abaixo).

 

 

Os danos permanentes de sistemas elétricos e eletrônicos devido a LEMP podem ser causados por: surtos conduzidos e induzidos transmitidos aos equipamentos por meio da conexão por condutores metálicos; efeitos de campos eletromagnéticos radiados diretamente para os próprios equipamentos. Para proteção contra os efeitos de campos eletromagnéticos radiados diretamente para os próprios equipamentos, devem ser usadas MPS consistindo em blindagens espaciais e/ou condutores blindados, combinados com a blindagem dos invólucros dos equipamentos.

Para a proteção contra os efeitos de surtos conduzidos ou induzidos, sendo transmitidos para os equipamentos por meio de conexões por cabos, devem ser usadas MPS consistindo em um sistema coordenado de DPS. Falhas devido a campos eletromagnéticos radiados diretamente para os equipamentos podem ser consideradas desprezíveis se os equipamentos atenderem às normas de EMC do produto, pertinentes às emissões em radiofrequência e imunidades.

Em geral, os equipamentos devem atender as normas de EMC do produto, portanto MPS consistindo em uma coordenação de DPS são normalmente consideradas suficientes para proteger tais equipamentos contra os efeitos do LEMP. Para equipamentos que não atendem às normas de EMC do produto, MPS consistindo apenas em uma coordenação de DPS são consideradas inadequadas para proteger tais equipamentos contra os efeitos de LEMP.

Neste caso, o Anexo A fornece mais informações sobre como alcançar melhor proteção contra campos eletromagnéticos atingindo diretamente os equipamentos. A suportabilidade dos equipamentos quanto a campos magnéticos deve ser selecionada de acordo com a IEC 61000-4-9 e IEC 61000-4-10. Se necessário, para aplicações especificas, sistemas simulados para ensaio que incluam os DPS, condutores da instalação e os atuais equipamentos podem ser ensaiados em laboratório para verificar coordenação de suportabilidade.

As MPS podem ser projetadas para a proteção de equipamentos contra surtos e campos eletromagnéticos. A figura acima fornece alguns exemplos de MPS usando medidas de proteção como SPDA, blindagens eletromagnéticas e a coordenação de DPS: MPS empregando blindagens espaciais em forma de grade e a coordenação de DPS protegem contra campos eletromagnéticos radiados e surtos conduzidos (ver figura acima).

Sucessivas blindagens espaciais em forma de grade e DPS coordenados podem reduzir o campo eletromagnético e os surtos a um nível mais baixo de ameaça. MPS empregando uma blindagem espacial em forma de grade em ZPR 1 e DPS na entrada da ZPR 1 podem proteger equipamentos contra campos magnéticos radiados e contra surtos conduzidos (figura acima). A proteção pode não ser suficiente se o campo magnético permanecer muito alto (devido à baixa efetividade da blindagem em ZPR 1), ou se a intensidade do surto permanecer muito alta (devido ao alto nível de proteção do DPS e aos efeitos da indução nos cabos a jusante do DPS).

MPS usando linhas blindadas, combinadas com invólucros blindados dos equipamentos protegem contra campos magnéticos radiados. O DPS na entrada de ZPR 1 providencia proteção contra surtos conduzidos (ver figura 2c). Para alcançar um menor nível de ameaça (entre as ZPR 0 e ZPR 2), DPS adicionais podem ser necessários (por exemplo, estágios adicionais internos coordenados entre si) para alcançar um nível de proteção suficientemente baixo. MPS usando coordenação de DPS somente são adequadas para proteger equipamentos que não são sensíveis a campos magnéticos radiados, já que os DPS somente fornecem proteção contra surtos conduzidos (ver figura 2d)).

Um nível mais baixo de ameaças de surto pode ser alcançado utilizando DPS coordenados. Soluções de acordo com as figuras são recomendadas especialmente para equipamentos que não atendem às normas EMC pertinentes para produtos. Um SPDA de acordo com a NBR 5419-3 que emprega somente DPS para ligação equipotencial pode não fornecer proteção eficaz contra danos em sistemas elétricos e eletrônicos sensíveis.

O SPDA pode aumentar sua eficiência ao reduzir as dimensões da malha e selecionar DPS adequados, fazendo-os uma parte efetiva das MPS. Com relação à ameaça de descargas atmosféricas, são definidas as ZPR (ver NBR 5419-1) relacionadas abaixo.

Zonas externas: ZPR 0 – zona onde a ameaça é devido a não atenuação do campo eletromagnético da descarga atmosférica e onde os sistemas internos podem ser sujeitos às correntes de surto totais ou parciais. A ZPR 0 é subdividida em: ZPR 0A zona onde a ameaça é devido à descarga atmosférica direta e a totalidade do campo eletromagnético gerado por esta descarga.

Os sistemas internos podem estar sujeitos à totalidade da corrente de surto. ZPR 0B zona protegida contra as descargas atmosféricas diretas, mas onde a ameaça é causada pela totalidade do campo eletromagnético. Os sistemas internos podem estar sujeitos às correntes de surto parciais.

Zonas internas (protegidas contra descargas atmosféricas diretas): ZPR 1: zona onde a corrente de surto é limitada pela distribuição das correntes e interfaces isolantes e/ou por DPS ou blindagem espacial instalados na fronteira das zonas. Blindagens espaciais em formas de grade podem atenuar significativamente o campo eletromagnético.

ZPR 2 n: zona onde a corrente de surto pode ser ainda mais limitada pela distribuição de correntes e interfaces isolantes e/ou por DPS adicionais nas fronteiras entre as zonas mais internas. Blindagens adicionais podem ser usadas para atenuação adicional do campo eletromagnético gerado pela descarga atmosférica.

As ZPR são implantadas pela instalação das MPS, por exemplo, instalação de um sistema coordenado de DPS e/ou blindagem eletromagnética (ver figura). Dependendo do número, tipo e suportabilidade dos equipamentos protegidos, ZPR adicionais podem ser definidas. Estas podem incluir menores zonas internas localizadas (por exemplo, invólucros metálicos dos equipamentos) ou zonas maiores (por exemplo, a estrutura completa).

As blindagens espaciais atenuam os campos magnéticos dentro da ZPR, decorrentes de descargas atmosféricas diretas ou próximas à estrutura, e reduzem internamente os surtos. Blindagem de linhas internas, utilizando cabos blindados ou os dutos blindados, minimiza surtos induzidos internamente. Roteamento de linhas internas pode minimizar laços de indução e reduzir surtos.

Blindagem espacial, blindagem e roteamento de linhas internas podem ser usadas combinadas ou separadamente. Blindagem de linhas externas entrando na estrutura limita os surtos conduzidos para dentro dos sistemas internos. As interfaces isolantes minimizam os efeitos de surtos em linhas entrando na ZPR. Aterramento e equipotencialização devem sempre ser assegurados, particularmente a equipotencialização de todos os condutores de serviço diretamente ou por meio do uso de DPS, no ponto de entrada da estrutura.

Outras MPS podem ser utilizadas sozinhas ou combinadas. MPS devem suportar o desgaste operacional esperado no local da instalação (por exemplo, desgaste de temperatura, umidade, atmosfera corrosiva, vibração, tensão e corrente). A seleção das MPS mais adequadas deve ser feita usando um método de análise de risco de acordo com a NBR 5419-2, levando em conta fatores técnicos e econômicos.

Informações práticas sobre a implementação de MPS para sistemas internos em estruturas existentes são fornecidas no Anexo B. Ligações equipotenciais de acordo com a NBR 5419-3 protege apenas contra centelhamentos perigosos. A proteção contra surtos de sistemas internos requer uma coordenação de DPS de acordo com esta norma. Informações adicionais sobre a implementação de MPS podem ser obtidas na NBR 5410.

FONTE: Equipe Target

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