Conceção de sistemas de ligação à terra e proteção contra raios em gruas: Guia completo sobre ligação à terra TN-S, equipotencialidade e SPD

Classificação da proteção contra raios e conceção de captadores de raios

Os guindastes ao ar livre são estruturas metálicas de grande altura e, de acordo com a norma GB 50057-2010 «Norma de Projeto de Proteção Contra Raios para Edifícios», são classificados como edifícios de proteção contra raios da segunda categoria. As necessidades de proteção contra raios devem ser avaliadas separadamente para os estados de funcionamento e de inatividade do guindaste: no estado de funcionamento, com operadores na cabina, deve ser adotado o método da esfera rolante, com um raio de 45 m; no estado de inatividade (sem operadores), a estrutura de aço do próprio guindaste pode funcionar como um para-raios natural, absorvendo a corrente de raio. A avaliação do risco de queda de raios é calculada com base no número anual previsto de quedas de raios N = k × Ng × Ae, sendo que k é o coeficiente de correção (para estruturas metálicas isoladas e elevadas, toma-se 2), Ng é a densidade média anual de quedas de raios no solo (vezes/km²·ano) e Ae é a área de secção equivalente. Numa região com 40 dias de tempestades elétricas por ano, uma grua de pórtico com 30 m de altura tem uma frequência anual prevista de descargas atmosféricas de cerca de 0,5 a 1 vez.

O para-raios é instalado no ponto mais alto do guindaste, ou seja, no topo do carro ou no teto da cabina do operador. O para-raios é constituído por uma barra redonda de aço inoxidável (diâmetro ≥ 12 mm) ou por um tubo de aço galvanizado (DN25), devendo sobressair pelo menos 1 m acima do ponto mais alto do guindaste. O para-raios é fixado à estrutura de aço do guindaste através de uma ligação soldada fiável, com um comprimento de soldadura não inferior a 6 vezes o diâmetro da barra redonda, uma altura da costura de soldadura ≥ 4 mm e, após a soldadura, é aplicado um revestimento de tinta antiferrugem. Em ambientes costeiros ou altamente corrosivos, a vida útil do para-raios em aço inoxidável pode atingir 15 a 20 anos, enquanto a do tubo de aço galvanizado é de cerca de 8 a 12 anos. Em situações em que as condições o permitam, podem ser instalados para-raios ativos de descarga antecipada (para-raios ESE); em comparação com os para-raios tradicionais do tipo Franklin, o seu raio de proteção é ampliado em cerca de 30% a 50%, mas é necessário confirmar que o produto possui a certificação GB/T 21431.

Quando a grua se encontra em funcionamento, a própria cabina de condução necessita de proteção adicional contra descargas diretas de raio. No tejadilho da cabina do operador deve ser instalada uma faixa ou rede de proteção contra raios independente, com malha de dimensões não superiores a 5 m × 5 m. A faixa de proteção contra raios deve ser constituída por aço redondo galvanizado com diâmetro ≥ 8 mm ou aço plano com secção transversal ≥ 48 mm² (espessura ≥ 4 mm). Quando a espessura da chapa metálica da estrutura exterior da cabina for ≥ 4 mm, esta pode funcionar diretamente como captador de raios; caso seja inferior a 4 mm, é necessário instalar uma faixa de proteção contra raios. Todas as ligações soldadas e o tratamento anticorrosivo das faixas e redes de proteção contra raios devem cumprir os requisitos aplicáveis aos para-raios principais. Quando o guindaste não estiver em funcionamento e estiver parado na sua posição de ancoragem, toda a estrutura de aço assume a função de captador de raios.

A ligação do cabo de descida à estrutura metálica

A função do condutor de descida é conduzir a corrente de raio captada pelo pára-raios para o sistema de ligação à terra. Os grandes elementos metálicos da estrutura de aço da grua, tais como a viga principal, as vigas terminais e os apoios, podem ser utilizados como condutores de descida naturais, sem necessidade de instalar condutores de descida de cobre adicionais. O essencial é garantir que a ligação elétrica entre todos os componentes metálicos seja fiável — nas ligações aparafusadas devem ser instalados fios de ligação, constituídos por fios de cobre trançados com secção transversal não inferior a 50 mm², com terminais de ligação de cobre crimpados em ambas as extremidades, e o binário de aperto dos parafusos deve ser aplicado de acordo com a norma GB/T 1228. A resistência total do condutor de descida, desde o para-raios até ao dispositivo de ligação à terra, não deve exceder 1 Ω, podendo ser medida em cada secção de ligação do condutor de descida com um medidor de resistência de ligação à terra.

A disposição dos fios de ligação deve abranger todos os pontos de ligação não soldados: a ligação aparafusada entre a viga principal e a viga terminal, a ligação entre a viga terminal e a flange do apoio, a ligação entre o quadro do carro e o conjunto de rodas, e a ligação entre a cabina do maquinista e a viga principal. Deve ser instalado um fio de ligação em cada ponto de ligação, utilizando-se fio flexível de núcleo de cobre bicolor amarelo-verde BVR-50 mm², protegido por uma manga ondulada ignífuga. O raio de curvatura dos cabos de ligação não deve ser inferior a 6 vezes o diâmetro exterior do cabo, devendo ser reservada uma margem de 200 mm em ambas as extremidades para evitar que se partam devido à tensão durante o funcionamento. A Krud Heavy Industry coloca placas de identificação de ligação à terra bem visíveis em ambas as extremidades de cada cabo de ligação, para facilitar a verificação periódica do estado das ligações por parte do pessoal de manutenção.

O sistema de calhas condutoras também deve ser integrado ao circuito de descida. A caixa das calhas condutoras deve ter um ponto de ligação à terra a cada 10 m, devidamente ligado à estrutura de aço da viga principal do guindaste através de um fio amarelo-verde BVR-16 mm². A camada metálica de blindagem do cabo deve ser ligada à terra em ambas as extremidades, sendo repetida a ligação à terra a cada 50 m no troço intermédio, de modo a garantir que o potencial da camada de blindagem seja igual ao da estrutura de aço. No que diz respeito à conceção da arquitetura global do sistema de controlo elétrico da ponte rolante e aos métodos de depuração do programa do PLC, consulte os artigos da mesma série.Processo completo de conceção do sistema de controlo elétrico de pontes rolantes: da elaboração do esquema elétrico à depuração do programa do PLC — prática de engenharia. Em situações em que a alimentação é fornecida por um variador de frequência, a camada de blindagem do cabo também deve ser devidamente ligada à terra para fins de compatibilidade eletromagnética (EMC) — do lado do variador, deve ser utilizada uma ligação à terra em anel de 360°, enquanto do lado do motor deve ser utilizada uma ligação à terra HF (ligação à terra por acoplamento capacitivo de alta frequência), para suprimir a propagação de interferências harmónicas ao longo da camada de blindagem.

Conceção de sistemas de ligação à terra e resistência de ligação à terra

O sistema de ligação à terra do guindaste é constituído por elétrodos de ligação à terra horizontais e verticais, dispostos ao longo de toda a extensão do carril. Os elétrodos de ligação à terra horizontais são constituídos por aço plano galvanizado (-40 mm × 4 mm) ou aço redondo galvanizado (diâmetro ≥ 12 mm), com uma profundidade de enterramento não inferior a 0,8 m e uma distância mínima de 0,5 m em relação à borda da base do carril. Os elétrodos de ligação à terra verticais são constituídos por cantoneiras galvanizadas (∠50 × 50 × 5 mm, comprimento L = 2,5 m), dispostas uniformemente a intervalos de 5 m, num número não inferior a 4 unidades. A extremidade superior do perfil angular deve estar a uma distância do solo não inferior a 0,8 m; o perfil angular deve ser soldado ao elétrodo de terra horizontal, devendo ser submetido a um tratamento anticorrosivo após a soldadura. O valor da resistência de terra do sistema de ligação à terra deve ser ≤ 4 Ω; em zonas com elevada resistividade do solo, este valor pode ser alargado para ≤ 10 Ω, mas é necessário efetuar um tratamento de equipotencial.

A ligação entre os carris e o dispositivo de ligação à terra constitui o último elo do sistema de ligação à terra. Em cada extremidade de cada carril é instalado um ponto de ligação à terra, sendo que os carris são ligados diretamente ao elétrodo de ligação à terra horizontal através de soldadura ou de ligação aparafusada com fio trançado de cobre BVR-50 mm². Em ambos os lados da junta dos carris (ligação em cauda de peixe) é instalado um ponto de ligação de derivação à terra, devendo a secção transversal do fio de derivação ser igual ou superior a 50 mm². Ao longo do comprimento dos carris, é instalado um ponto de ligação de derivação repetida a cada 30 m. Nas juntas de dilatação dos carris, os fios de ligação devem ter uma margem de folga (curva de ≥150 mm) para compensar a dilatação térmica. A resistência de contacto de todos os pontos de ligação à terra não deve exceder 0,03 Ω, devendo ser verificada com um micro-ohmímetro.

A medição da resistência de ligação à terra é realizada uma vez após a conclusão da obra e outra antes da época das tempestades, todos os anos. O método de medição utilizado é o método tripolar (com um medidor de resistência de ligação à terra, como o Fluke 1625), sendo os pólos de corrente e de potencial dispostos a distâncias iguais, por exemplo, C: 20 m e P: 15 m. Durante a medição, o guindaste deve estar fora de serviço e todos os pontos de ligação à terra devem estar devidamente ligados. Quando o valor da resistência medido exceder 4 Ω, devem ser tomadas medidas para reduzir a resistência — aumentando o número de elétrodos de ligação à terra verticais, utilizando agentes redutores de resistência (como bentonite ou agentes químicos, com uma taxa de redução de resistência de cerca de 30%~50%) ou aumentando o comprimento dos elétrodos de ligação à terra horizontais. Em zonas rochosas, pode considerar-se o aterro com substituição do solo (substituindo o solo da fundação original por solo de baixa resistividade).

Ligação equipotencial e ligação transversal

A ligação equipotencial tem ainda um componente que é facilmente ignorado: a condutividade elétrica entre o cabo de aço e o gancho. É necessário garantir a condutividade elétrica entre o gancho e o cabo de aço, para evitar que ocorra uma descarga eletrostática quando o gancho se aproxima da carga. Deve ser instalada uma escova de ligação à terra (escova de carbono ou de cobre, com pressão de contacto ≥ 15 N) no ponto de ligação entre o cabo de aço e o gancho, devendo a secção transversal do fio de ligação à terra ser igual ou superior a 4 mm². As roldanas metálicas do conjunto de roldanas também devem ser integradas no sistema de equipotência, devendo ser realizadas ligações transversais na zona dos mancais das roldanas, utilizando fio flexível BVR-6 mm², ao quadro do carro. Em ambos os lados dos componentes isolantes, tais como amortecedores de borracha e acoplamentos elásticos, deve ser instalado um fio de ligação transversal BVR-10 mm².

Distribuição de energia TN-S e proteção contra sobretensões (SPD)

O sistema de distribuição de baixa tensão do guindaste deve adotar o sistema TN-S (trifásico de cinco fios), ou seja, o fio neutro de trabalho N e o fio de ligação à terra de proteção PE devem ter uma instalação totalmente independente a partir do ponto neutro do transformador, devendo o fio PE ser ligado à terra repetidamente no quadro de entrada do guindaste. A principal vantagem do sistema TN-S reside no facto de, durante o funcionamento normal, não circular corrente no fio PE (a corrente do fio N não passa pelo fio PE), e de todos os invólucros dos equipamentos estarem ligados diretamente ao dispositivo de ligação à terra através do fio PE; assim, caso ocorra uma falha de isolamento, a corrente de falha passa por PE → ponto de ligação à terra, formando um circuito de curto-circuito, o que aciona o disjuntor ou fusível de nível superior, interrompendo o circuito de falha. A secção mínima do fio PE, de acordo com os requisitos da norma GB 50054, é a seguinte: quando a secção do fio de fase S ≤ 16 mm², PE = S; 16 mm²< S ≤35mm²时PE=16mm²，S>Quando S = 35 mm², PE = S/2.

Os protetores contra sobretensão (SPD) são instalados no quadro de distribuição de alimentação do guindaste e nos terminais de entrada de alimentação dos equipamentos críticos. No interruptor principal do quadro de distribuição de alimentação, é instalado um SPD de Nível I (forma de onda de 10/350 μs, corrente de impacto Iimp ≥ 25 kA), destinado a dissipar a enorme energia de sobretensão gerada por um raio direto. Nos terminais de alimentação dos equipamentos críticos (PLC, variadores de frequência, codificadores, sensores) são instalados SPD de Nível II (onda de 8/20 μs, corrente de descarga nominal In ≥ 20 kA), que reduzem ainda mais a tensão residual para níveis suportáveis pelos equipamentos (<1,5 kV). O comprimento da ligação do SPD não deve exceder 0,5 m, devendo seguir o princípio de ligação em estrela "L/N → SPD → PE"; na entrada do SPD deve ser instalado um dispositivo de proteção contra sobrecorrente (disjuntor ou fusível, cuja corrente nominal não exceda o valor máximo de proteção de reserva do SPD).

As linhas de sinal também necessitam de proteção por SPD — os sinais de entrada analógicos do PLC (4~20 mA), os sinais de impulsos do codificador, os barramentos de comunicação (PROFINET, RS485) e as linhas de sinal dos sensores devem todos ser equipados com SPD de sinal em ambas as extremidades. Os SPD de sinal devem ter uma corrente de descarga nominal In ≥ 5 kA, um tempo de resposta ≤ 1 ns e uma perda de inserção ≤ 0,5 dB. Nos cabos de saída do variador de frequência, é ainda necessário instalar reatores de saída e filtros dv/dt, para suprimir a acoplagem das tensões de pico geradas pela onda PWM do variador à isolamento do motor e ao sistema de ligação à terra. Todos os SPD devem estar equipados com uma janela indicadora de estado (verde = normal, vermelho = avaria), devendo o estado ser verificado uma vez por ano, antes da época das tempestades.

Inspeção, manutenção e verificações durante a época das tempestades

A inspeção e manutenção do sistema de ligação à terra contra raios são realizadas anualmente. Antes da época das tempestades (março a abril), é realizada uma inspeção completa, que inclui: medição da resistência de ligação à terra (método tripolar, valor padrão ≤ 4 Ω), inspeção da continuidade elétrica dos condutores de descida (resistência total ≤ 1 Ω), inspeção visual dos condutores de ligação (verificação da presença de corrosão, folga ou fios partidos) e verificação do binário de aperto dos parafusos das barras de equipotencial (binário para parafusos M8 ≥ 20 N·m, M10 ≥ 35 N·m). Os resultados da inspeção devem ser registados e arquivados, criando-se um registo do estado do sistema de proteção contra raios. Caso a resistência de ligação à terra não cumpra os requisitos durante dois anos consecutivos, é necessário atualizar o dispositivo de ligação à terra.

Nas inspeções de rotina, deve-se dar especial atenção a três pontos suscetíveis a avarias. Em primeiro lugar, a ligação entre os cabos de ligação e a estrutura de aço — os parafusos tendem a afrouxar-se num ambiente sujeito a vibrações, pelo que devem ser reapertados pelo menos uma vez por ano e revestidos com cola de bloqueio de roscas (Loctite 243, resistência média). Em segundo lugar, os pontos de ligação à terra da linha de contacto deslizante — o invólucro da linha de contacto deslizante vibra continuamente durante o funcionamento, pelo que os parafusos de ligação à terra podem sofrer quebra por fadiga. Em terceiro lugar, a ligação equipotencial da cabina do maquinista — a cabina possui uma estrutura de suspensão flexível, pelo que o movimento da mesma pode causar o desgaste do isolamento dos cabos. Nas inspeções mensais do equipamento, deve ser incluída uma verificação visual das linhas de ligação à terra, para detetar defeitos visíveis, tais como fios partidos, oxidação nas ligações ou danos no isolamento.

A gestão da vida útil do SPD é igualmente importante. Os testes de ligação à terra e de isolamento realizados durante a colocação em funcionamento do sistema elétrico no local são a garantia do funcionamento fiável do sistema de proteção contra raios; consulte os artigos da mesma sérieAjuste no local do sistema elétrico de gruas: do básico ao avançadoMétodos de deteção de isolamento. Os varistores e os tubos de descarga de gás incorporados no SPD deterioram-se gradualmente após serem submetidos a choques de sobretensão de forma contínua, tendo normalmente uma vida útil prevista de 5 a 8 anos (ou devendo ser substituídos após terem suportado cumulativamente 20 choques nominais). Se a janela indicadora de estado do SPD estiver vermelha, substitua-o imediatamente; no caso dos SPD sem janela indicadora, verifique anualmente a corrente de fuga com um testador de SPD antes da época das tempestades (substitua se a corrente de fuga do varistor for superior a 1 mA ou se houver curto-circuito). Ao substituir o SPD, é obrigatório desligar a alimentação; é estritamente proibido realizar operações com o equipamento sob tensão. Os sistemas de proteção contra raios da Krued Heavy Industry são entregues acompanhados de peças sobressalentes para os SPD (cada equipamento inclui uma peça sobressalente de cada tipo de SPD, de Nível I e Nível II) e de um formulário de registo de inspeção; o utilizador apenas precisa de preencher o formulário trimestralmente, conforme indicado.

Perguntas frequentes