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Por que os raios matam e destroem?

Por Redação em 12/02/2019 •

Profetas, sábios, escribas e feiticeiros os interpretavam como manifestações divinas, considerados principalmente como reação de ira contra as atitudes dos homens. Nas mãos de heróis mitológicos e de divindades eram utilizados como lanças, martelos, bumerangues, flechas ou setas para castigar e perseguir os homens pecadores. Mesmo hoje, as superstições permanecem presentes, em que se afirma que os espelhos atraem raios, por isso, durante as tempestades, devem ficar cobertos comum pano. Outra defende que raios não atingem um mesmo local duas vezes.

Segundo o Grupo de Eletricidade Atmosférica (Elat) do Instituto Nacional de Pesquisas Espaciais (INPE), o relâmpago é uma corrente elétrica muito intensa que ocorre na atmosfera com típica duração de meio segundo e típica trajetória com comprimento de 5 a 10 quilômetros. Ele é consequência do rápido movimento de elétrons de um lugar para outro. Os elétrons se movem tão rápido que fazem o ar ao seu redor iluminar-se, resultando em um clarão, e aquecer-se, resultando em um som (trovão).

Apesar de estarem normalmente associados a tempestades, também podem ocorrer em tempestades de neve, tempestades de areia, durante erupções vulcânicas, ou mesmo em outros tipos de nuvens, embora nestes casos costumem ter extensões e intensidade bem menores. Quando a descarga se conecta ao solo é chamada de raio que é formado por mais de uma descarga e algumas delas podem atingir o solo em locais diferentes. Em cerca de 50% dos raios negativos mais de um ponto é atingido no solo.

Diferentemente do que se acredita, a energia dos relâmpagos não é muito grande. Considerando que um relâmpago nuvem-solo transporta uma carga elétrica média de 10 C e que a tensão ao longo do canal é em torno de 100 milhões de volts, então a energia elétrica total do relâmpago é de 109 J, ou seja, cerca de 300 kWh.

A maior parte da energia do relâmpago (mais de 95%) é gasta na expansão do ar nos primeiros metros ao redor do canal, sendo o restante convertida em energia térmica (cerca de 1%), energia acústica (cerca de 1%) e energia eletromagnética (cerca de 0,1% sobre a forma de sferics e cerca de 1% na forma de luz). Portanto, cerca de 1% da energia total do relâmpago pode ser aproveitada no solo.

Se for considerada, por exemplo, uma torre com uma altura em torno de 100 m instalada em um local apropriado para captar os relâmpagos, ela provavelmente seria atingida por algo em torno de dez a 20 relâmpagos por ano. Em suma, isto representaria algo em torno 50 kWh por ano, o que seria suficiente para o consumo de apenas uma única residência.

Portanto, pode-se concluir que, do ponto de vista da utilização como uma fonte de energia, a utilização de relâmpagos nuvem-solo é inviável. Uma típica nuvem de tempestade contém algo em torno de meio milhão de toneladas de gotículas de água e partículas de gelo de diferentes tamanhos, das quais cerca de 20% atingem o solo sob a forma de chuva.

O restante evapora ou fica na atmosfera sob a forma de nuvens. Dentro da nuvem estas partículas tendem a ser levadas para cima por fortes correntes de ar ascendentes com velocidades que variam desde alguns poucos quilômetros por hora até 100 km/h. Ao mesmo tempo, devido à gravidade, elas tendem a cair.

Pesquisas já indicaram visíveis aumentos de incidência de raios em áreas urbanas. Essa maior incidência de raios está relacionada ao aumento de temperatura (fenômeno conhecido como ilha de calor) e de poluição nos centros urbanos. Um raio, composto por várias descargas, pode durar até dois segundos, embora em geral dure cerca de meio a um terço de segundo.

No entanto, cada descarga que compõe o raio dura apenas frações de milésimos de segundos. O trovão é o som produzido pelo rápido aquecimento e expansão do ar na região da atmosfera onde a corrente elétrica do raio circula. Embora o som ensurdecedor de um trovão assuste a maioria das pessoas, em geral ele é inofensivo.

Contudo, o deslocamento de ar pode derrubar uma pessoa que esteja muito perto do local de incidência do raio, podendo até causar a sua morte. A intensidade de qualquer som é geralmente dada em decibéis. Um trovão intenso pode chegar a 120 decibéis, uma intensidade comparável à que ouve uma pessoa que está nas primeiras fileiras de um show de rock.

Para saber se um raio caiu perto, observe a luz produzida pelo raio que chega quase que instantaneamente à visão de quem o observa. Já o som (trovão) demora um bom tempo, pois a sua velocidade é menor. Para obter a distância aproximada em quilômetros, basta contar o tempo (em segundos) entre o momento que se vê o raio e se escuta o trovão e dividir por três. Um trovão dificilmente pode ser ouvido se o raio acontecer a uma distância maior do que 20 quilômetros.

A chance de uma pessoa ser atingida diretamente por um raio é muito baixa, sendo em média menor do que um para um milhão. Porém, se a pessoa estiver numa área descampada em baixo de uma tempestade forte esta chance pode aumentar em até um para mil. Entretanto, não é a incidência direta do raio a maior causadora de mortes e ferimentos.

Geralmente, isso acontece por efeitos indiretos associados a incidências próximas ou efeitos secundários dos raios. As descargas também provocam incêndios ou queda de linhas de energia, o que pode atingir uma pessoa. A corrente do raio pode causar queimaduras e outros danos a diversas partes do corpo. A maioria das mortes de pessoas atingidas por raio é causada por parada cardíaca e respiratória. Grande parte dos sobreviventes sofre por um longo tempo de sérias sequelas psicológicas e orgânicas.

Embora a potência de um raio seja grande, sua pequena duração faz com que a energia seja pequena, algo em torno de 300 kWh, equivalente ao consumo mensal de energia de uma casa pequena. E a pergunta que todos fazem: um raio pode cair duas vezes em um mesmo lugar? Sim, pode. Geralmente os raios caem mais de uma vez em um mesmo local quando este apresenta grande incidência de raios. Como exemplo pode-se citar o Cristo Redentor que é atingido anualmente por uma média de seis raios ou mais.

Enfim, são descargas elétricas de grande intensidade que conectam as nuvens de tempestade na atmosfera e o solo. Em geral possuem intensidades da ordem de 10 KA e percorrem distâncias da ordem 5 km. Qual a diferença entre relâmpagos e raios? Relâmpagos são todas as descargas elétricas geradas por nuvens de tempestades, independentemente se conectam ou não o solo. Já os raios são somente as descargas que se conectam ao solo.

Para evitar acidentes com relâmpagos as seguintes regras de proteção pessoal, devem ser seguidas:

– Se possível, não saia para a rua ou não permaneça na rua durante as tempestades, a não ser que seja absolutamente necessário. Nestes casos, procure abrigo nos seguintes lugares: o carros não conversíveis, ônibus ou outros veículos metálicos não conversíveis; em moradias ou prédios, de preferência para as que possuam proteção contra raios; em abrigos subterrâneos, tais como metrôs ou túneis, em grandes construções com estruturas metálicas, ou em barcos ou navios metálicos fechados.

– Se estiver dentro de casa, evite: usar o telefone com fio ou celular ligado à rede elétrica (utilize telefones sem fio); ficar próximo de tomadas e canos, janelas e portas metálicas; e tocar em qualquer equipamento elétrico ligado à rede elétrica.

– Se estiver na rua, evite: segurar objetos metálicos longos, tais como varas de pesca e tripés; empinar pipas e aeromodelos com fio; andar a cavalo. Se possível, evite os seguintes lugares que possam oferecer pouca ou nenhuma proteção contra raios: pequenas construções não protegidas, tais como celeiros, tendas ou barracos; veículos sem capota, tais como tratores, motocicletas ou bicicletas; estacionar próximo a árvores ou linhas de energia elétrica.

– Se possível, evite também certos locais que são extremamente perigosos durante uma tempestade, tais como: topos de morros ou cordilheiras; topos de prédios; áreas abertas, campos de futebol ou golfe; estacionamentos abertos e quadras de tênis; proximidade de cercas de arame, varais metálicos, linhas aéreas e trilhos; proximidade de árvores isoladas; estruturas altas, tais como torres, linhas telefônicas e linhas de energia elétrica.

– Se você estiver em um local sem um abrigo próximo e sentir que seus pelos estão arrepiados, ou que sua pele começou a coçar, fique atento, já que isto pode indicar a proximidade de um raio que está prestes a cair. Neste caso, ajoelhe-se e curve-se para frente, colocando suas mãos nos joelhos e sua cabeça entre eles. Não fique deitado.

O Elat divulgou um estudo apontando que, neste verão de 2019, a incidência de raios em todo o país será marcada pelos efeitos do fenômeno climático El Niño. As previsões indicam que a intensidade do fenômeno vai provocar um aumento na incidência de raios nas regiões Sul (cerca de 50%) e Sudeste do país (em torno de 20% a 30%). Para uma parte do Centro-Oeste, a estimativa de aumento também é de 20% a 30%, como no caso do Mato Grosso do Sul, onde duas mortes por raios já foram registradas nesta primavera. No Mato Grosso e Goiás, a quantidade de raios poderá aumentar 10%.

Por outro lado, no Norte e Nordeste do país, deve haver uma queda de 50% na incidência de raios. A primavera na região Norte já apresenta apenas 10% da ocorrência média para a região neste período do ano.

Assim, um sistema de proteção contra relâmpagos tem como objetivo blindar uma estrutura, seus ocupantes e seus conteúdos dos efeitos térmicos, mecânicos e elétricos associados com os relâmpagos. O sistema atua de modo que a descarga atmosférica possa entrar ou sair do solo sem passar através das partes condutoras da estrutura ou através de seus ocupantes, danificando-os ou causando acidentes.

Um sistema de proteção contra relâmpagos não impede que o relâmpago atinja a estrutura, ele promove um meio para controlar e impedir danos através da criação de um caminho de baixa resistência elétrica para a corrente elétrica fluir para o solo. A ideia de proteger prédios e outras estruturas dos efeitos diretos dos relâmpagos através do uso de condutores foi pela primeira vez sugerida cerca de dois séculos atrás por Benjamin Franklin.

Os principais componentes de um sistema de proteção contra relâmpagos ou sistemas de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) são: terminais aéreos; condutores de descida; terminais de aterramento; e condutores de ligação equipotencial. Os terminais aéreos, conhecidos como para-raios, são hastes condutoras rígidas montadas em uma base com o objetivo de capturar o relâmpago.

Eles devem ser instalados nos pontos mais altos da estrutura. Algumas vezes, estas hastes são interligadas através de condutores horizontais. Os condutores de descida são cabos que conectam os terminais aéreos aos terminais de aterramento.

Os terminais de aterramento são condutores que servem para conectar os condutores de descida ao solo. Eles são tipicamente condutores de cobre ou revestidos com cobre enterrados no solo.

O nível de aterramento depende bastante das características do solo. Os condutores de ligação equipotencial, por sua vez, são condutores que visam igualar o potencial entre os diferentes condutores para impedir descargas laterais.

As descargas laterais, também conhecidas como correntes de sobretensão, são causadas por diferenças de potencial entre a corrente, percorrendo o condutor, e objetos próximos. Elas são resultados da resistência finita dos condutores à passagem de corrente elétrica e à indução magnética.

Para estruturas com alturas superiores a 20m, esta teoria não é aplicável. Nestes casos, aplica-se a teoria conhecida como teoria da esfera rolante. Esta teoria é baseada no conceito de distância de atração, que é a distância entre a ponta do líder escalonado e o ponto de queda do relâmpago no solo no instante da quebra de rigidez dielétrica do ar próximo ao solo.

A zona de proteção calculada por esta teoria é em geral menor que aquela obtida pela teoria do cone de proteção. Para estruturas com alturas superiores a 60m, outro tipo de sistema de proteção, que utiliza condutores horizontais conectando os terminais aéreos que forma uma gaiola, é recomendado pela NBR-5419. Acesse no link uma cartilha para saber como se proteger contra os raios: http://www.inpe.br/webelat/docs/Cartilha_Protecao_Portal.pdf

Quanto às normas técnicas, existe a NBR 5419 de 05/2015 – Proteção contra descargas atmosféricas que foi publicada em quatro partes. A Parte 1: Princípios gerais estabelece os requisitos para a determinação de proteção contra descargas atmosféricas. Fornece subsídios para o uso em projetos de proteção contra descargas atmosféricas.

A aplicabilidade desta parte pode ter restrições especialmente na proteção da vida humana quando for baseada em efeitos indiretos de descargas atmosféricas. Não se aplica a sistemas ferroviários; veículos, aviões, navios e plataformas offshore, tubulações subterrâneas de alta pressão, tubulações e linhas de energia e de sinal colocados fora da estrutura.

A Parte 2: Gerenciamento de risco estabelece os requisitos para análise de risco em uma estrutura devido às descargas atmosféricas para a terra. Tem o propósito de fornecer um procedimento para a avaliação de tais riscos. Uma vez que um limite superior tolerável para o risco foi escolhido, este procedimento permite a escolha das medidas de proteção apropriadas a serem adotadas para reduzir o risco ao limite ou abaixo do limite tolerável.

A aplicabilidade desta parte pode ter restrições especialmente na proteção da vida humana quando for baseada em efeitos indiretos de descargas atmosféricas. Não se aplica a sistemas ferroviários, veículos, aviões, navios e plataformas offshore, tubulações subterrâneas de alta pressão, tubulações e linhas de energia e de sinais colocados fora da estrutura.

A Parte 3: Danos físicos a estruturas e perigos à vida estabelece os requisitos para proteção de uma estrutura contra danos físicos por meio de um Sistema de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA) e para proteção de seres vivos contra lesões causadas pelas tensões de toque e passo nas vizinhanças de um SPDA. É aplicável a: projeto, instalação, inspeção e manutenção de um SPDA para estruturas sem limitação de altura; e no estabelecimento de medidas para proteção contra lesões a seres vivos causadas pelas tensões de passo e toque provenientes das descargas atmosféricas.

A 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 (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.

Não há dispositivos ou métodos capazes de modificar os fenômenos climáticos naturais a ponto de se prevenir a ocorrência de descargas atmosféricas. As descargas atmosféricas que atingem estruturas (ou linhas elétricas e tubulações metálicas que adentram nas estruturas) ou que atingem a terra em suas proximidades são perigosas às pessoas, às próprias estruturas, seus conteúdos e instalações.

Portanto, medidas de proteção contra descargas atmosféricas devem ser consideradas. A necessidade de proteção, os benefícios econômicos da instalação de medidas de proteção e a escolha das medidas adequadas de proteção devem ser determinados em termos do gerenciamento de risco. O método de gerenciamento de risco está contido na NBR 5419-2.

As medidas de proteções consideradas na NBR 5419 são comprovadamente eficazes na redução dos riscos associados às descargas atmosféricas. Todas as medidas de proteção contra descargas atmosféricas formam a proteção completa contra descargas atmosféricas.

Por razões práticas, os critérios para projeto, instalação e manutenção das medidas de proteção são considerados em dois grupos separados: o primeiro grupo se refere às medidas de proteção para reduzir danos físicos e riscos à vida dentro de uma estrutura e está contido na NBR 5419-3; e o segundo grupo se refere às medidas de proteção para reduzir falhas de sistemas elétricos e eletrônicos em uma estrutura e está contido no NBR 5419-4. As conexões entre as partes da NBR 5419 são ilustradas na figura abaixo.

Os parâmetros da corrente da descarga atmosférica usados na série ABNT NBR 5419 são relacionados no Anexo A. Os parâmetros da corrente da descarga atmosférica em função do tempo usados para a análise são relacionados no Anexo B. As informações para simulação da corrente da descarga atmosférica para fins de ensaios são dadas no Anexo C.

Os parâmetros básicos para uso em laboratório para simular os efeitos das descargas atmosféricas nos componentes do SPDA estão relatados no Anexo D. Informações sobre surtos devido às descargas atmosféricas em diferentes pontos da instalação são apresentadas no Anexo E.

A descarga atmosférica que atinge uma estrutura pode causar danos à própria estrutura e a seus ocupantes e conteúdos, incluindo falhas dos sistemas internos. Os danos e falhas podem se estender também às estruturas vizinhas e podem ainda envolver o ambiente local.

A extensão dos danos e falhas na vizinhança depende das características das estruturas e das características da descarga atmosférica. As principais características das estruturas relevantes para os efeitos das descargas atmosféricas incluem: construção (por exemplo, madeira, alvenaria, concreto, concreto armado, estrutura em aço); função (residência, escritório, comércio, rural, teatro, hotel, escola, hospital, museu, igreja, prisão, shopping center, banco, fábrica, área industrial, área de práticas esportivas); ocupantes e conteúdos (pessoas e animais, presença ou não de materiais combustíveis ou explosivos, sistemas elétricos e eletrônicos de baixa tensão ou alta tensão); linhas elétricas e tubulações metálicas que adentram a estrutura (linhas de energia, linhas de sinal, tubulações); medidas de proteção existentes ou providas (por exemplo, medidas de proteção para reduzir danos físicos e risco à vida, medidas de proteção para reduzir falhas em sistemas internos); dimensão do risco (estrutura com dificuldade de evacuação ou estrutura na qual pode haver pânico, estrutura perigosa às redondezas, estrutura perigosa ao ambiente). A tabela abaixo apresenta os efeitos das descargas atmosféricas nos vários tipos de estruturas.

As medidas de proteção contra interferências eletromagnéticas estão relacionadas também na NBR 5410 e na série IEC 61000. Esta parte não trata em detalhes do projeto dos sistemas elétricos e eletrônicos em si.

A principal causa das queimas de equipamentos eletroeletrônicos são as perturbações normalmente existentes na rede elétrica, notadamente as sobretensões transitórias. Estas sobretensões nas linhas elétricas de baixa tensão são provocadas tanto por “faltas” em outra instalação e ou linha de tensão e/ou linha de tensão mais elevada quanto por chaveamentos de cargas elétricas, ou ainda descargas atmosféricas (raios).

Ao atingir a rede elétrica direta ou indiretamente, os raios causam aumento súbito da tensão (voltagem). Esse fenômeno é chamado de surto elétrico, que se propaga até encontrar um ponto de passagem até a terra. Esse ponto de passagem pode ser o eletrodoméstico ou aparelho eletrônico de sua casa, que nesses casos podem sofrer danos irreparáveis.

A ação de um raio, dependendo de sua intensidade e da configuração da rede elétrica de uma cidade, pode causar danos a instalações até 3 km do local de sua incidência. Os Sistemas de Proteção contra Descargas Atmosféricas (SPDA), comumente chamados de para-raios, visam a proteção das edificações diretamente atingidas por um raio, e de pessoas no seu interior; nada garantem quanto à proteção das instalações internas, principalmente dos equipamentos mais sensíveis como computadores, sistemas de som, etc. Há necessidade de se cuidar da proteção das instalações elétricas internas (além dos para-raios), particularmente envolvendo indústrias, CPD, sistemas de telecom, etc., nas quais uma única falha pode resultar em prejuízos/danos vultosos.

Para que a confiabilidade desejada em termos de proteção seja atingida, deve-se levar em conta o programa de manutenção: dependendo do grau de agressividade do local alguns componentes de proteção, particularmente protetores de surtos e aterramento devem ser objeto de revisões periódicas. Com a nova norma de proteção contra descargas atmosféricas publicada, as orientações para os novos projetos deverão melhorar a partir de agora, e que exigirá dos profissionais da área um esforço adicional para a aquisição dos conhecimentos necessários, seja na forma de cursos, seminários e literatura técnica.

Hayrton Rodrigues do Prado Filho

hayrton@hayrtonprado.jor.br

 

https://revistaadnormas.com.br/2019/02/12/por-que-os-raios-matam-e-destroem/

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