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Para-raios

Funcionamento do para-raios
(em espanhol).

Tipo	Tipo Franklin (d) lightning protection (d) eletrodo

Descoberto
Descobridor	Benjamin Franklin
Data	1752

Utilização
Uso	lightning protection (d) lightning rod fashion (en)

Comumente conhecido com para-raio^{AO 1990}, o sistema de proteção contra descargas atmosféricas (SPDA) do tipo Franklin, é uma haste de metal, normalmente feita de cobre, alumínio, aço inoxidável ou aço galvanizado destinado a dar proteção aos edifícios dirigindo as descargas elétricas atmosféricas, raios, para o solo através de cabos de pequena resistência elétrica e hastes de aterramento. Como o raio tende a atingir o ponto mais alto de uma área, o para-raios é instalado no topo do prédio.^[1]^[2]

Histórico

A fim de provar que os raios são descargas elétricas da natureza, o americano Benjamin Franklin procedeu a famosa experiência da pipa, com base na qual inventou o seu para-raios. Durante uma tempestade, empinou uma pipa^{(português brasileiro)} ou papagaio de papel^{(português europeu)} usando um fio metálico e constatou o que as nuvens eram carregadas eletricamente, ao observar as faíscas que se produziam entre uma chave atada à ponta do fio e sua mão. Franklin propôs, pela primeira vez, um método de proteção contra raios em um edifício: colocar sobre este uma ponta metálica 2 ou 3 metros acima do telhado e conectado à terra.^[1]^[2]

Franklin, inicialmente, acreditava que o para-raios descarregava silenciosamente uma nuvem de tempestade e, portanto, preveniria o raio. Isso ocorreria em função do fenômeno eletrostático denominado poder das pontas, que é a grande concentração de cargas elétricas que se acumulam em regiões pontiagudas. Posteriormente em 1755, o próprio Franklin declarou que o para-raios ou preveniria o raio ou o conduziria para a terra, protegendo a edificação, e é dessa última forma que ele funciona.^[1]^[2]

Aparentemente, foi no ano de 1752 que para-raios foram usados com o objetivo de proteção na França e nos Estados Unidos.^[1] Embora a proposta inicial de Franklin fosse que o terminal do para-raios fosse pontiagudo para aproveitar o "efeito das pontas" essa noção está incorreta. Não há evidências de que um terminal pontiagudo seja melhor que um arredondado,^[1]^[2] de fato há evidências que sugerem que terminais arredondados sejam mais eficientes.^[3]^[4]

Princípio

O sistema de proteção contra descargas atmosféricas, geralmente chamado de para-raios, é composto por três sub-sistemas e é destinado a:

interceptar uma descarga atmosférica para a estrutura (por meio do subsistema de captação),
conduzir a corrente da descarga atmosférica para a terra de forma segura (por meio do subsistema de descida),
dispersar a corrente da descarga atmosférica na terra (por meio do subsistema de aterramento).

Hoje, não existe proteção 100% contra raios. O grau de proteção é definido à nível internacional em função de uma analise de risco, especificando um nível de proteção (I, II, III, IV). O maior nível de proteção é o nível I, oferecendo 98% de probabilidade de captação do raio.


Benjamin Franklin realizando a Experiência da pipa (1752).	Gravura de 1826 mostrando alguns modelos de para-raios.	Raio atingindo a Torre Eiffel, em 3 de Junho de 1902, às 21h:20min. Uma das primeiras fotografias de raios em ambiente urbano.	Torre Berliner Fernsehturm, de Berlim, atingida por um raio às 22h:57min. em 24 de Agosto de 2011.

Método do ângulo de proteção (para-raios Franklin)

Admite-se que a zona de proteção do para-raios tipo Franklin seja igual a um cone com vértice na ponta do para-raios O vértice e a geratriz do cone formam um ângulo $\alpha$ (vide figura). Esse ângulo sempre foi a questão mais discutida desde 1892.^[2]

No Brasil, segundo a norma NBR 5419, este ângulo varia conforme a altura do para-raios e o nível de proteção. Assim, por exemplo, para estruturas com nível de proteção exigido para classe IV (estruturas construídas de material não inflamável e com pouco acesso de pessoas, como depósitos em concreto armado) e uma altura relação ao solo de até 20 m o ângulo deve ser de 55^o. Já para estruturas de classe III (uso comum, como residências, escritórios e fábricas) para a mesma altura (20 m) o ângulo deve ser de 45^o.^[2]

Para descobrir o raio de proteção de um para-raios, utiliza-se a seguinte formula:

$R_{p}=h*\operatorname {tan} \alpha$

onde $h$ é a altura em metros e $\alpha$ o ângulo em graus.

Método das Malhas (Gaiola de Faraday)

Empregado para o mesmo fim que o para-raios de Franklin, o para-raios de Melsens adota o princípio da gaiola de Faraday. Este método consiste em cobrir a edificação com cabos ou fitas metálicas, formando quadriculas no telhado, vários condutores de descida e aterramentos, interligados por um anel de aterramento enterrado ao redor da edificação. O nível de proteção define o dimensionamento das quadriculas e o distanciamento dos condutores de descida. Para maximizar a probabilidade de impacto, pode-se adicionar terminais aéreos.

Método da Esfera Rolante (eletrogeométrico)

O método da esfera rolante, estabelece, por meio do posicionamento de elementos verticais, o volume de proteção do subsistema de captação em um SPDA para qualquer direção.^[5]

A aplicação do método da esfera rolante consiste, basicamente, em rolar-se uma esfera imaginária por todas as partes externas da edificação. Esta esfera tem em seu raio (R) uma projeção estimada da distância entre o ponto de partida do líder ascendente (terra – nuvem) e a extremidade do líder descendente (nuvem – terra) que formam a descarga atmosférica.

O raio da esfera rolante pode ser calculado utilizando-se a seguinte equação:

R = 10.I_max^0,65

onde R é o raio da esfera rolante, em metros; e I_máx é o valor de pico do líder ascendente (primeiro raio), em quilo amperes.

Para-raios com dispositivo de ionização (não radioativo)

O Para-raios com Dispositivo de Ionização, também chamado de para-raios ionizante ou PDI, (Paratonnerre à Dispositif d'Amorçage em francês, Early Streamer Emission em inglês), nasceu no meio dos anos 80 na França depois da proibição do para-raios radioativo. O para-raios ionizante se caracteriza com a emissão antecipada de um líder ascendente e a conexão com o raio antes que qualquer outro objeto dentro do seu raio de proteção, oferecendo assim uma zona de proteção maior que um para-raios Franklin. O para-raios é caracterizado por seu tempo de antecipação, de 10µs até 60µs. A tecnologia é normatizada por normas tais como a NFC 17102, NP 4426, UNE 21186, e outras, exigindo requisitos de teste.

Conforme a ILPA (Associação Internacional de Proteção contra Raios), considerando apenas fabricantes franceses e espanhóis, o número acumulado de para-raios com dispositivos de ionização instalados no mundo chegou na barra de 680.000 em 2016. Esse número pode ser considerado maior devido à presença de fabricantes de varias outras nacionalidades (China, EUA, Índia, etc).

A tecnologia possui vários tipos de comprovação, sendo empírica,^[6]^[7]^[8] em laboratório^[9] e condições reais.^[10]

Estudos da ICLP (International Conference on Lighting Protection) põe em dúvida a eficácia do sistema ESE. Testes mostram ^[11] que essa tecnologia pode não funcionar corretamente em meios naturais, em oposição aos testes realizados em laboratório. A ICLP critica ainda as instruções e a forma que essas são apresentadas pelo fabricante no manual desses produtos^[11] podendo prejudicar ainda mais o funcionamento do produto, quando utilizado por pessoas comuns. Na carta apresentada no site oficial,^[12] eles concluem dizendo que o uso do inibidor de raios não apresenta vantagem sobre o uso do para raios comum (..that the ESE technology does not offer any advantage or improved efficiency compared to normal lightning rods.).^[11]

Riscos

Dissipador ou inibidor de raios

Exemplo de Inibidor de Raios (*Lightning-Inhibitor*) em um aeroporto.

O dissipador ou inibidor de raios, Charge Transfer System (CTS) or Dissipation Array System (DAS) em inglês, é um tipo de proteção que, ao contrário do para-raios, visa evitar a formação do traçador através do qual se produz a descarga dentro de uma área especifica. Deste modo impede o processo natural de formação do raio numa área determinada. Hoje, nunca houve comprovação que esse sistema possa impedir um fenômeno natural como o raio. Esse sistema não está contemplado em nenhuma norma seja nacional, regional ou internacional, e ainda é sujeito de varias controvérsias.^[13]^[14]^[15]

Para-raios radioativo

Trata-se de um para-raios do tipo Franklin (haste pontiaguda) no qual são fixados radioisótopos. A proposta seria que a radiação emitida por estes radioisótopos ionizaria o ar envolta da haste, facilitando a conexão com o raio e promovendo uma maior proteção.^[16]^[17]

No Brasil, de 1970 a 1989, a grande maioria desses para-raios utilizava o elemento radioativo amerício-241, sendo que menos de 1% utilizavam o rádio-226.^[18] Porém em 1989 a Comissão Nacional de Energia Nuclear (CNEN), através da Resolução n^o 4/89, suspendeu a autorização para a fabricação e instalação deste tipo de para-raios, baseada em estudos feitos no Brasil e no exterior que demonstraram que o desempenho desse tipo de para-raios não era superior ao dos convencionais e portanto, não se justificava o uso de fontes radioativas.^[18]^[19]

Ver também

Referências

↑ ^a ^b ^c ^d ^e Martin A. Uman (1987). «Cap.1 e Cap.2». All about lightning (em inglês). Nova York: Dover Publications. ISBN 0-486-25237-X
↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Leite, Duílio M.; Leite, Carlos M. (2001). «Cap.1 e Cap.3». Proteção contra descargas atmosféricas. Edificações, baixa tensões e linhas de dados 5 ed. São Paulo: Officina de Mydia Editora. ISBN 85-86235-03-2
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↑ C.B.Moore; William Rison, G.D. Aulich (2003). «The case for using blunt-tipped lightning rods as strike receptors». American Meteorological Society. Journal of applied meteorology (em inglês). 42: 984-993. doi:10.1175/1520-0450(2003)042<0984:TCFUBL>2.0.CO;2. Consultado em 15 de setembro de 2018
↑ «A proteção na captação pelo método da esfera rolante». 19 de fevereiro de 2018
↑ Kajian Penggunaan Alat Penangkap Kilat Di Bangunan-Bangunan Di Malaysia - Mega Jati Consult Sdn. Bhd – 2016
↑ External Lightning Protection Experience In Cuba - Martínez, R.; Pascual, A.; Mendez, E; Crespo, H. - Cuban Electrotechnical Comittee - 1st International Lightning Protection Symposium – 2011
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↑ Pecastaing, L.; Reess, T.; De Ferron, A.; Souakri, S.; Smycz, E.; Skopec, A.; Stec, C. (abril de 2015). «Experimental demonstration of the effectiveness of an early streamer emission air terminal versus a franklin rod». IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 22 (2): 789–798. ISSN 1558-4135. doi:10.1109/TDEI.2015.7076777
↑ An experimental study of leaders initiated by single and advanced (ESE) lightning rods Triggering site of Cachoeira Paulista (SP) Brazil. A. Eybert-Bérard , B. Thirion, P. Boilloz, M. Saba, N. Solorzano
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↑ Hartono Zainal Abidin; Robiah Ibrahim (8 de janeiro de 2004). «Conventional and un-conventional lightning air terminals: an overview» (PDF). Hilton Petaling Jaya. Forum on lightning protection (em inglês). Consultado em 12 de setembro de 2018
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↑ «Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares». Gerência de Rejeitos Radioativos - Recebimento de Para-raios Radioativos. IPEN. Consultado em 12 de setembro de 2018

[Martin-1] Martin A. Uman (1987). «Cap.1 e Cap.2». All about lightning (em inglês). Nova York: Dover Publications. ISBN 0-486-25237-X

[Duílio-2] ↑ ^a ^b ^c ^d ^e ^f Leite, Duílio M.; Leite, Carlos M. (2001). «Cap.1 e Cap.3». Proteção contra descargas atmosféricas. Edificações, baixa tensões e linhas de dados 5 ed. São Paulo: Officina de Mydia Editora. ISBN 85-86235-03-2

[Moore-3] C.B.Moore; William Rison, James Mathis, Graydon Aulich (2000). «Lightning rod improvement studies». American Meteorological Society. Journal of applied meteorology (em inglês). 39: 593-609. doi:10.1175/1520-0450-39.5.593. Consultado em 15 de setembro de 2018

[Moore2-4] C.B.Moore; William Rison, G.D. Aulich (2003). «The case for using blunt-tipped lightning rods as strike receptors». American Meteorological Society. Journal of applied meteorology (em inglês). 42: 984-993. doi:10.1175/1520-0450(2003)042<0984:TCFUBL>2.0.CO;2. Consultado em 15 de setembro de 2018

[5] «A proteção na captação pelo método da esfera rolante». 19 de fevereiro de 2018

[6] Kajian Penggunaan Alat Penangkap Kilat Di Bangunan-Bangunan Di Malaysia - Mega Jati Consult Sdn. Bhd – 2016

[7] External Lightning Protection Experience In Cuba - Martínez, R.; Pascual, A.; Mendez, E; Crespo, H. - Cuban Electrotechnical Comittee - 1st International Lightning Protection Symposium – 2011

[8] Effectiveness Empirical Study on Early Streamer Emission Lightning Protection Installations in Spain - Polo, S; Pomar, V. Aplicaciones Tecnológicas S.A. Llovera, P; Energy Technological Institute (ITE) - International Lightning Protection Association Symposium – Valencia, Espanha – 2011

[9] Pecastaing, L.; Reess, T.; De Ferron, A.; Souakri, S.; Smycz, E.; Skopec, A.; Stec, C. (abril de 2015). «Experimental demonstration of the effectiveness of an early streamer emission air terminal versus a franklin rod». IEEE Transactions on Dielectrics and Electrical Insulation. 22 (2): 789–798. ISSN 1558-4135. doi:10.1109/TDEI.2015.7076777

[10] An experimental study of leaders initiated by single and advanced (ESE) lightning rods Triggering site of Cachoeira Paulista (SP) Brazil. A. Eybert-Bérard , B. Thirion, P. Boilloz, M. Saba, N. Solorzano

[ESE-11] ICLP. «Analyses and Comments to ESE Product Standard prEN 50xxx-1, rev. 1» (PDF). Consultado em 11 de dezembro de 2009

[12] ICLP. «Info about ESE». Consultado em 11 de dezembro de 2009

[13] Grzybowski, S. & Mallick, Shreeharsh & Disyadej, T.. (2009). Review of lightning performance study on dissipation devices. Proc. 2009 North American Power Symposium (NAPS). 10.1109/NAPS.2009.5484028.

[14] Rison, William. (2003). Experimental Validation of Conventional and Non-Conventional Lightning Protection Systems. 4. 2200 Vol. 4. 10.1109/PES.2003.1270959.

[15] «StackPath»

[Heilbron-16] Heilbron, Paulo F.L.F.; Xavier, Ana M. (2017). «Para-raios "radioativos": proteção ou perigo?». ResearchGate. Consultado em 12 de setembro de 2018

[Hartono-17] Hartono Zainal Abidin; Robiah Ibrahim (8 de janeiro de 2004). «Conventional and un-conventional lightning air terminals: an overview» (PDF). Hilton Petaling Jaya. Forum on lightning protection (em inglês). Consultado em 12 de setembro de 2018

[Marumo-18] Marumo, Júlio Takehiro (2006). «Cap.1-Introdução». Avaliação da contaminação provocada por para-raios radioativos de amerício-241 descartados em lixões (Tese de Doutorado). São Paulo: Universidade de São Paulo. Consultado em 12 de setembro de 2018

[IPEN-19] «Instituto de Pesquisas Energéticas e Nucleares». Gerência de Rejeitos Radioativos - Recebimento de Para-raios Radioativos. IPEN. Consultado em 12 de setembro de 2018

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Histórico

Princípio

Método do ângulo de proteção (para-raios Franklin)

Método das Malhas (Gaiola de Faraday)

Método da Esfera Rolante (eletrogeométrico)

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Dissipador ou inibidor de raios

Para-raios radioativo

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